浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計【含CAD圖紙、說明書】

浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,浮動,定子,渦輪鉆具,渦輪,設計,cad,圖紙,說明書,仿單 葉柵葉型入口和出口角渦輪鉆具改進與分析 Xiaodong Zhang1, Yan Gong 1 ' 8 , Ruyi Gou1, Junhua Li2 b, Jianping Wu3 c and Zhongjian Jiang 1 School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; Sha Shi Steel Pipe Company, Jingzhou 434001, China; Oil and Gas Transportation Department of Northwest Oilfield, Branch 841600, China gongyan0101@163.com, b360701270@qq.com,c wjp5460@sina.com 關鍵詞：渦輪鉆具，葉柵葉形，液流角，結構角，修正 摘要：結構的角度應在渦輪鉆具葉柵葉剖面設計過程中計算。角度是根據(jù)進出口的液流角的設計參數(shù)計算的，但是當流體在葉柵中流動時，進口的液流角和結構角以及出口的液流角和結構角都是有區(qū)別的。液流角不能直接作為葉型結構的角度，所以有必要修改計算的液流角來獲得結構角。通過分析，為了提高渦輪鉆具的性能，液流角應該在減少方向性上被修正以此得到結構角。在本文中，液壓效率和圓周力fx作為評價參數(shù)，來建立級聯(lián)CFD模型并計算不同的修正角。更重要的是，修改后的入口和出口液流角對渦輪性能的影響已經(jīng)得到了分析，這些給出的修正角度范圍在現(xiàn)有文獻中被大大縮小了，它允許設計人員在在角度修正過程中很容易確定修正值。 介紹 隨著油氣勘探工程的發(fā)展，已經(jīng)有許多鉆井技術和工藝，如大位移井，水平井，定向井，超深井，然而，這些新興的鉆井技術對泥漿馬達提出了更高的要求。由于其優(yōu)勢，渦輪鉆具作為一種重要的泥漿馬達已廣泛應用于油氣開采中。與普通鉆井鉆井相比，渦輪鉆具具有巨大的經(jīng)濟效益，例如為普及率較高（ROP），井身質(zhì)量好，快速方偏斜鉆井性能，更有效的施工和更低的鉆井作業(yè)成本。 渦輪鉆具的葉柵葉片輪廓的描述 渦輪鉆具是一種液壓軸向式渦輪機械，渦輪鉆具的定子和轉子將流體勢能轉換為機械能從而驅(qū)動鉆頭旋轉。定子和轉子的葉片都屬于流體部分組件；葉片幾何結構決定了渦輪鉆具的力學性能。在定子和轉子葉柵中，鉆井液在兩個直徑分別為D1和D2的同軸的氣缸層之間流動，如圖1所示。鉆井液的復雜的運動可以簡化為無數(shù)的圓柱層液體的合成運動。每個氣缸的流體層到軸都有不同的距離，因此，他們的液體粒子的速度和葉片的相互作用的強度是不同的，由于葉片直徑比渦輪鉆具的直徑小，因此，每個徑向圓柱層的流動模式非常接近。為了簡化設計過程，氣缸層的直徑D被定義為氣缸層的特征參數(shù)，流量是氣缸層直徑D1和D2的圓柱層平均流量。這樣的特性氣缸層的流動可以等效代替為兩個同軸圓柱層的復雜流動。在特征圓柱層葉片中，葉柵的葉型設計實際上是葉輪的截面設計。因此，特征缸應該展開來作為設計葉片輪廓的平面，也就是平面葉柵[ 1 ]的流體的流動。葉片的結構和展開平面中的流體參數(shù)已在圖2描述。 外殼 定子 轉子 軸 圖1渦輪鉆具鉆井液流動特性的圓柱層 圖2特征圓柱層中的葉片結構和流體參數(shù) 如圖2所示，α1—定子出口液流角；α2—定子入口液流角；αlk—定子 出口流體結構角；α2k—定子入口流體結構角；β1—轉子出口流動角；β2—轉子入口液流角；β1k—轉子出口流體結構角；β2k—轉子入口流體結構角；βm—安裝角；t —葉片間距；b—葉片弦長；u—轉子圓周速度；W—流體沿葉片相對滑動速度；C—流體的流動的絕對速度。 一般來說，渦輪鉆具葉型和葉柵型可由軸向速度系數(shù)cz，影響程度系數(shù)ma，循環(huán)系數(shù)cu。這三個系數(shù)是無量綱系數(shù)，這些值與葉型的幾何參數(shù)有關；每種葉型有它自己的無量綱系數(shù)。同時，這三個無量綱系數(shù)反映了鉆井液和葉型的互動特性，可以作為渦輪機功率，扭矩，壓降等特征參數(shù)的測量的標準。隨著無量綱系數(shù)和速度多邊形的組合，它可用來分析由于葉形輪廓變化對渦輪鉆機的性能的影響。 葉片輪廓入口和出口角的計算 在葉型設計過程中，根據(jù)給定的設計參數(shù)，我們已經(jīng)計算出了葉片輪廓的入口和出口角。通過歐拉方程和一維流動理論，定子和轉子之間鉆井液和葉片相互作用下，單級渦輪力矩M的計算如下： （1） （2） （3） （4） 渦輪轉速： 單節(jié)渦輪鉆機的能量輸出： 單擊渦輪鉆機的壓降： 正如前面所提到的公式1，公式2，公式3，公式4 ，Cz —鉆井液在渦輪機上的軸向流速；，η0—卷筒效率；φ—排除串聯(lián)系數(shù)；α1—定子出口液流角；α2—定子入口液流角；β1—轉子出口液流角；β2—轉子入口液流角；Qi—流量；D—特征圓柱層直徑；l—葉片徑向高度；γ0—流體重量；g—重力加速度。 根據(jù)，以上四個公式（公式1，公式2，公式3，公式4），其中只有兩個是獨立的。從給定的設計參數(shù)中所計算出的渦輪葉柵進口和出口液流角不只是一個液流角的結合；進口角和出口角不是唯一的。因此，有不同的液流角的組合去獲得Mi和n的值。對于這些不同的角度組合，應選擇最優(yōu)液流角的組合以提高水力效率，否則，在設計過程中，要保證三無量綱系數(shù)在正常范圍內(nèi)，這些無量綱系數(shù)是由液流角的組合[ 2 ]確定的。 葉片輪廓的入口和出口角度的改進與分析 根據(jù)設計的參數(shù)所計算液流角度，不可直接作為葉片輪廓的角度。如圖3所示，由于一半的后定子吸力面流動分離，葉柵出口液流角總是大于葉柵結構角。同時，實驗結果表明最高的效率發(fā)生在葉柵工作在負攻角的情況下。 因此，計算的流量角度應該被修正。減少計算的葉柵進口和出口的液流角以此獲得結構角，然后渦輪葉柵工作在負攻角的條件下，并且液流角滿足設計要求，此時渦輪工作效率將是最高的。文獻[ 1 ]提出了由修正的葉柵進口液流角和出口液流角所定義的修正范圍，但修正范圍太廣，修正的范圍的上限是如此接近液流角本身的值，所以這種方法對液流角的修正的意義不大。在本文中，基于一種渦輪鉆具，利用流體軟件建立最廣泛使用的對稱葉片的CFD模型，然后采用葉片的水力效率η和圓周力fx作為評價參數(shù)。圓周力fx是單位流量通過轉子表面方向時所產(chǎn)生的。這些評價參數(shù)可以評估葉柵流動角度的修正質(zhì)量。 （5） 液壓效率η: 公式5，Nin—單級渦輪輸入功率，（W）；Nout—單級渦輪輸出功率，（W）。 （6） 圓周力fx： 公式6，fx—圓周力，（N.s/m3）；Fx—旋轉方向上的轉子力，（N）；Q—流量，（m3/s）。 渦輪葉柵的設計目的是使渦輪鉆具獲得最大的圓周力，高效率，大制動力矩，而且，更大的圓周力，更大的扭矩值。換句話說，流動角的修正目的在于渦輪鉆具在設計的轉速時獲得最大的切向力和高的水力效率。 圖3 定子和轉子的流場矢量圖 進口液流角修正分析 隨著液流角被修正為不同的角度時，CFD模型被建立和計算[ 3，4 ]，計算結果表明評價參數(shù)和修正液流角的關系。如圖4所示，首先，渦輪葉柵工作效率隨流量修正角的增加而增加；然后，在一定范圍內(nèi)保持高的效率；但隨著修正液流角的進一步增加，渦輪葉柵效率明顯降低，圓周力和扭矩也會減少。相比在fx變化曲線下的效率曲線，入口流動角的修正大大的影響了渦輪鉆具的生產(chǎn)機械能。根據(jù)渦輪鉆具的扭矩大，高功率的實際應用要求，修正液流角的值應在盡可能使渦輪鉆具處在高的效率范圍內(nèi)，渦輪鉆具在設計工作條件下輸出功率高，圖4表明了渦輪高效率和圓周力變化趨勢的范圍，進口和出口液流角修正范圍可直接從圖4中獲取，這可以用于指導液流角的修正。 圖4 進口液流角修正的影響圖 出口液流角修正分析 出口液流角CFD模型的建立和計算類似于進口液流角的計算。計算結果表明了葉柵效率，圓周力以及修正液流角之間的關系。如圖5所示。 如圖5所示，它表明圓周力，渦輪輸出扭矩和由葉柵產(chǎn)生的機械能會隨著與液流角的增加而增加。渦輪葉柵效率通過液流角的微小的修正有一個小的變動，但起初其效率基本上保持不變。但隨著修正液流角的進一步增加，渦輪葉柵效率會明顯降低。因此，進口液流角應該在一個狹小的范圍內(nèi)被修正，如圖5所示，優(yōu)化修改范圍為4~6°。水輪機性能由于出口液流角的修改會有很大的突變，所以有必要對由出口修正液流角所影響的流場的進行分析。 圖5 出口液流角修正的影響圖 隨著出口液流角修正值的增加，轉子的入口液流角逐漸減小，結果是流體會以較高的循環(huán)速度流入轉子。比較圖6，圖7，圖8中的速度向量值，在轉子壓力面，液體循環(huán)速度分布均勻，并且?guī)缀鯖]有變化。但在吸力面，定子出口液流角大大減少，鉆井液以較高的循環(huán)速度流入轉子，轉子進口圈前端單元局部高速越來越明顯，致使流速梯度從轉子進口到最大彎曲段和邊界增厚層逐漸增加。隨著液流角修正值的增加，流量分流在這個區(qū)域越來越明顯，通過轉子的受力分析，流量分流發(fā)生在使圓周力和渦輪輸出扭矩增大的第一半吸力面上，但流量分流會導致能量損失，降低渦輪效率。當液流角被修正，轉子表面壓力如圖9所示，從轉子進口到最大彎曲段，壓力明顯降低，轉子表面總壓力增加，并且渦輪輸出扭矩增大，輸出功率增加。 圖6 無修正轉子流場矢量圖 圖7 出口氣流角修正值3° 低場矢量圖 圖8 出口氣流角修正值7° 低場矢量圖 圖9 出口氣流角修正值7° 轉子表面壓力圖 ma=0.5的渦輪葉柵的進出口液流角已經(jīng)在上面被修正了。對比進出口液流角的修正對渦輪性能的影響，很明顯的，入口變化對渦輪性能的影響波動較小，葉柵進口液流角可在很寬的范圍內(nèi)被修改；出口液流角對渦輪性能影響的波動很大，因此，根據(jù)實際要求，出口液流角應在小的范圍內(nèi)修正；圖5提供了參考。 總結 基于對渦輪鉆具葉片輪廓進口和出口角的分析，修正值范圍變窄，因此設計者可以更容易的選擇合理的修正值，本文提出了以下四個觀點： 修正葉片進口液流角將導致一系列的結果，如圓周力fx減小，渦輪輸出扭矩減小，梯級水力效率變化表現(xiàn)出了先增加，然后保持，最后下降的趨勢。進口液流角修正對汽輪機的性能波動影響較小。當修正的值在一定的范圍內(nèi)，葉柵效率是最優(yōu)的，基本上處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，渦輪輸出性能有輕微的波動，因此，入口液流角度修正范圍應結合實際的工作情況，如果修正值超出合理范圍，會導致渦輪性能的惡化。 對不同刀片配置的各種循環(huán)系數(shù)cu，cu越大，出口液流角越小，出口液流角對渦輪鉆機性能有較大的影響。特別是，當循環(huán)系數(shù)cu＞1，修正應該選擇一個小的液流角修正值，這是防止轉子流量從入口表面到最大彎曲段分流，此時渦輪效率將降低；對于cu≤1小循環(huán)系數(shù)的渦輪，出口修正范圍可以適當?shù)臄U大。 對于不同葉型的不同影響程度的系數(shù)ma,隨著影響程度系數(shù)ma的增加，定子入口和出口液流角將減小，轉子的入口和出口液流角將逐漸增加，在修正過程中，ma越大，允許的定子入口和出口液流角的修正范圍越小，然而，允許的轉子入口和出口液流角的修正范圍卻越大。 參考文獻 [1] Fudong Xu, Xiaodong Zhang. 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