劇遠(yuǎn)東，馮 進(jìn)，朱 云 （長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

在復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆深井、超深井、水平井、多分支井的過程中，井下隨鉆測(cè)量?jī)x器和井下智能工具是不可缺少的，渦輪發(fā)電機(jī)作為常見的井下供電電源之一，目前己成為諸多測(cè)井系統(tǒng)的井下主電源［1－2］。就井下機(jī)翼型渦輪發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)從各零部件形式等方面進(jìn)行了大量深入的研究，使整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、壽命更長(zhǎng)，對(duì)機(jī)翼型葉片研究表明其沖擊式流線性好，阻力小，能量轉(zhuǎn)化效率高。因此，對(duì)井下渦輪式發(fā)電機(jī)的機(jī)翼型渦輪的性能研究具有重要意義［3］。

1 機(jī)翼型渦輪工況分析

井下機(jī)翼型渦輪式發(fā)電機(jī)的主要部件是裝置中的定轉(zhuǎn)子，機(jī)翼型渦輪在壓力流體的沖擊下，通過軸帶動(dòng)負(fù)載 （線圈）轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。由于井下安裝尺寸的限制以及制造的便捷性，對(duì)其結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)的要求。實(shí)際工程要求的機(jī)翼型渦輪必須同時(shí)滿足如下3個(gè)條件：

式中，Δp為總壓降 （定子壓降與轉(zhuǎn)子壓降之和），MPa；Δpmin為總壓降的最小值，MPa；M為對(duì)應(yīng)總壓降最小值時(shí)的轉(zhuǎn)子輸出扭矩，N·m。

實(shí)際工程中，在滿足上述條件下，Δpmin越接近0.2MPa越好，M越接近15N·m越好。

2 機(jī)翼型渦輪數(shù)值模擬模型的建立

機(jī)翼型渦輪是渦輪發(fā)電機(jī)的核心部件，為了便于計(jì)算和分析，需要對(duì)機(jī)翼型渦輪內(nèi)部流場(chǎng)作如下假設(shè)［4］：流體模擬過程中，認(rèn)為鉆井液為單相不可壓縮流體，即假設(shè)鉆井液為清水；工作介質(zhì)密度不變，ρ＝1000kg／m3，并且忽略水溫升的影響；機(jī)翼型渦輪的流道部位視為剛性體，定、轉(zhuǎn)子葉片在工作中無(wú)變型；除了流道進(jìn)出口外，沒有工作介質(zhì)從其他地方進(jìn)入流道；為了減少整個(gè)流道模型進(jìn)出口邊界條件設(shè)置對(duì)分析結(jié)果的影響，采取加長(zhǎng)進(jìn)口和出口的長(zhǎng)度。

圖1 定子結(jié)構(gòu)

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

筆者研究的井下機(jī)翼渦輪式發(fā)電機(jī)裝置中的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示，定子和轉(zhuǎn)子流道分別如圖3和圖4所示。已知機(jī)翼型渦輪的相關(guān)參數(shù)如下：流量為23L／s，葉片的內(nèi)直徑為35mm，外直徑為85mm，轉(zhuǎn)子高度19mm，定子高度21mm。在三維軟件UG中建立機(jī)翼型渦輪的模型流道，并將建立好的模型導(dǎo)入Gambit中 （如圖5所示），設(shè)定圖5中的位置為分析的起始位置。此次模擬機(jī)翼型渦輪時(shí)保持渦輪定子不動(dòng)，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向以每10°旋轉(zhuǎn)一次，直到旋轉(zhuǎn)到180°為止 （因0～180°與180°～360°的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，故只需模擬0～180°的情況），一共模擬19組數(shù)據(jù)。

2.1 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格的生成過程中，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量好壞直接影響著計(jì)算的收斂性和計(jì)算的準(zhǔn)確性。由于機(jī)翼型渦輪內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜程度各不相同，特別是定、轉(zhuǎn)子區(qū)域流動(dòng)情況最為復(fù)雜，因此劃分網(wǎng)格時(shí)，在定轉(zhuǎn)子流道部分區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格應(yīng)劃分最密，從定轉(zhuǎn)子流道部分到出口應(yīng)逐漸變疏。此次劃分時(shí)，在定、轉(zhuǎn)子葉片流道的內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域布置節(jié)點(diǎn)，用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分定轉(zhuǎn)子流道區(qū)域，并加密；其余的區(qū)域用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，生成其網(wǎng)格劃分 （見圖6）。

圖3 定子流道

圖4 轉(zhuǎn)子流道

圖5 機(jī)翼型渦輪的模型流道

圖6 機(jī)翼型渦輪的網(wǎng)格劃分

2.2 算法設(shè)置

湍流模型選擇RNGk－ε，速度與壓力耦合采用SIMPLE算法，離散格式選用二階迎風(fēng)差分格式。

2.3 邊界條件設(shè)置

1）入口邊界條件 入口為速度進(jìn)口，入口速度值根據(jù)流量計(jì)算。

2）出口邊界條件 出口為壓力出口，出口相對(duì)壓力為0，整個(gè)流場(chǎng)參考?jí)毫?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3）壁面條件 將定、轉(zhuǎn)子區(qū)域設(shè)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，使用了壁面邊界條件，同時(shí)采用無(wú)滑移固壁條件，由標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)確定固壁附近流動(dòng)。

3 機(jī)翼型渦輪計(jì)算結(jié)果分析

3.1 機(jī)翼型渦輪定、轉(zhuǎn)子壓降分析

通過對(duì)壓降隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到如圖7所示的壓降－轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度變化曲線。由圖7中可以得到如下規(guī)律：當(dāng)轉(zhuǎn)子在0～20°旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子壓降、轉(zhuǎn)子壓降、總壓降都降迅速減小；在20°～160°時(shí)，三者壓降基本保持平穩(wěn)趨勢(shì)；從160°～180°時(shí)，三者壓降急劇增加；當(dāng)轉(zhuǎn)子在0～180°之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，3條曲線都存在壓降最低點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度分別為70°、90°、100°時(shí)，定子壓降、轉(zhuǎn)子壓降和總壓降依次取得最小值；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)度數(shù)一定時(shí)，定子壓降值總是小于轉(zhuǎn)子壓降值；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為100°時(shí)，總壓降曲線有最低點(diǎn)為0.28MPa；并且只有當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間為20°～160°時(shí)，才能滿足實(shí)際工程的需要，即總壓降的一個(gè)值與總壓降的最小值的差值近似為1MPa。

3.2 機(jī)翼型渦輪轉(zhuǎn)子扭矩分析

圖7 壓降－轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖8 轉(zhuǎn)子扭矩－轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

轉(zhuǎn)子扭矩－轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度的增加，轉(zhuǎn)子的輸出扭矩先短暫的上升，而后開始逐漸下降，之后又有一段短暫的輕微波動(dòng)，最后從最低點(diǎn)開始逐漸上升；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，轉(zhuǎn)子扭矩取得最小值為17.43N·m，可滿足前面所述的工程條件要求。

4 結(jié) 論

（1）機(jī)翼型渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度分別為70°、90°、100°時(shí)，定子壓降、轉(zhuǎn)子壓降和總壓降依次取得最小值。

（2）機(jī)翼型渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)度數(shù)為一定時(shí)，定子壓降比轉(zhuǎn)子壓降大；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為20°～160°時(shí)其差值才與1MPa相接近，滿足總壓降要求。

（3）機(jī)翼型渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，轉(zhuǎn)子的扭矩取得最小值為17.43N·m。

［1］謝存禧，張鐵 .機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］蘇義腦，竇修榮 .隨鉆測(cè)井與錄井工具 ［J］.石油鉆采工藝，2005，27（1）：74－78.

［3］馮進(jìn)，符達(dá)良 .渦輪鉆具渦輪葉片造型設(shè)計(jì)新方法 ［J］.石油機(jī)械，2000，28（11）：9－12.

［4］張先勇，馮進(jìn) .基于CFD分析的軸流式螺旋葉輪設(shè)計(jì) ［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（2）：22－25.

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