渦輪鉆具水力設計與分析方法應用現狀研究

姚堅毅，劉寶林，王 瑜

（中國地質大學（北京）地質超深鉆探技術國家專業實驗室，北京100083） ＊

渦輪鉆具水力設計與分析方法應用現狀研究

姚堅毅，劉寶林，王 瑜

（中國地質大學（北京）地質超深鉆探技術國家專業實驗室，北京100083）＊

渦輪鉆具是一種重要的鉆井工具，渦輪葉型線特征是其水力性能設計與分析的關鍵因素。在分析渦輪鉆具水力工作原理的基礎上，研究了渦輪鉆具水力性能設計研究現狀，詳細比較分析了渦輪鉆具水力性能設計的理論方法、計算機建模與仿真及水力性能試驗分析方面的研究現狀與發展水平，提出了計算機輔助設計及理論分析。與試驗修正相結合的綜合研究方法是渦輪鉆具水力性能設計與分析的重要方法，對渦輪鉆具水力部件的主要問題與發展趨勢進行了展望，為渦輪鉆具的水力設計提供參考。

鉆井；渦輪鉆具；水力性能；計算機模擬；發展趨勢

渦輪鉆具是一種重要的井下動力鉆具，其最大優點是不含橡膠件、耐高溫（工作溫度可達250～300℃）［1］，適用于深井、超深井和高溫高壓井的鉆井作業。隨著我國油氣勘探、地球深部探測向深井、超深井方向發展，渦輪鉆具具有良好的應用前景。渦輪鉆具中的主要部件是由定子和轉子組成的渦輪副，其水力性能決定了渦輪鉆具的輸出特性。因此，渦輪葉柵葉型設計是渦輪鉆具水力設計和開發的關鍵技術［2］，通過流場的優化設計，以達到渦輪葉片水力效率的最大化。

1 渦輪鉆具葉型理論研究現狀

“七五”期間，為適應石油勘探開發的需要，我國開始重點研究開發適用深井直井、定向井和叢式井鉆井技術所需要的渦輪鉆具，以及應用現代設計理論和計算機輔助設計等方法，解決新型渦輪鉆具產品在開發設計中的技術難題［3］。近20a來，渦輪鉆具在我國的發展十分迅速，尤其在影響渦輪鉆具整體效率的水力設計與分析方法上取得了豐富的研究成果。

1.1 建模一般原則

在進行葉片造型時，首先根據渦輪鉆具設計參數和葉輪機械工作理論計算確定流動參數［4］，依據經驗數據和公式確定葉片的幾何參數［5－6］，然后選擇適合的型線和構造方法設計葉片吸力面和壓力面。其葉片型線主要通過影響葉片表面附近的速度和壓力分布來改變跨葉片流道內流場，希望葉片表面的速度和壓力分布平滑變化，相應要求沿葉片表面具有連續的曲率導數［7］。

1.2 建模新方法

1.2.1 四階樣條和高階多項式構造線型

在構造渦輪鉆具滿足幾何參數要求的葉片型線時，四階樣條和高階多項式是主要選擇對象。四階樣條和高階多項式構造線型的最大優點是葉片表面具有連續曲率導數，葉片壓力面和吸力面型線為單型線而不是組合型線，保證了渦輪葉片的水力效率和渦輪性能，減少相應的水力損失。

馮進［8］通過分析渦輪葉片型線對液流流動參數的影響以及葉片型線幾何參數的關系，認為葉片型線上存在不連續的曲率是影響渦輪性能的主要因素；得出葉片壓力面和吸力面型線應為單型線且具有連續三階導數的結論；提出用五次多項式構造葉片型線，給出了葉片型線與幾何參數的關系、定量求解方法和葉片型線檢驗要求；并通過?165mm渦輪鉆具設計應用實踐，表明采用這種新方法設計渦輪可優化渦輪葉片形狀、改進渦輪性能、提高設計質量和總效率。林元華［9］則具體提出了當液體的速度梯度和壓力梯度不平穩時會導致流體的能量損失增加，葉片表面的速度和壓力分布應平穩變化的結論；利用三次多項式構造葉型，應用Pro／E對渦輪鉆具葉片進行了參數化特征建模，編制了渦輪鉆具葉片實體的自動設計軟件進行計算機輔助設計；并通過?240mm渦輪鉆具設計實例，表明該軟件能較好地應用于工程實踐。

1.2.2 利用逼近為基礎的參數曲線造型

葉片造型設計必須滿足幾何參數要求。在渦輪鉆具葉片型線設計中，葉片斷面形狀的設計最重要，不同葉片型線具有不同水力性能，對渦輪鉆具性能影響很大。由于葉片設計通常都是給定了進、出口角度，這就相應地要求所選用的線條要保證在起始點和末端的一階導數。Bezier曲線很好地滿足了這個要求。長江大學的忽曉東等［10］利用Bezier曲線對某型號的渦輪葉片進行設計，并采用計算機編程作圖；分析發現，這種曲線葉片滿足一些渦輪葉片設計經驗公式，并且該型線曲率變化連續，未出現曲率突變的情況，證明了此理論方法的可靠性，具有一定實用價值。

1.2.3 采用三元流動進行計算分析和改進設計

三元流動理論是近10a來在國內迅速發展起來的一種三元流場計算方法，被廣泛引入到水輪機、水泵等水力機械設計中［11］。這種計算方法突破了以前采用的二元坐標模擬手段，采用三維坐標系模擬質點運動軌跡隨時間的變化規律，考慮了液體在流動時因流速的不同和液體的粘滯性產生的內摩擦力；采用射流尾跡三元流動理論，把葉輪內部無限分割，通過對葉輪流道內各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪數學模型；這一方法可以把葉輪做得更準確，不僅反映了流體的流態，流速也更接近實際［12］。曹朝霞等［13］根據葉輪機械三元流動的普遍理論和渦輪鉆具葉輪具體邊界問題，建立了三元流動計算的數學模型，推導出了適用于葉輪機械三元流動計算的流函數方程，將三元流動計算流函數法成功運用于渦輪鉆具葉柵的數值計算；通過計算機編程對幾種渦輪鉆具實例進行了數值計算和流動分析，指出其中的缺陷和不足，并由相關試驗得以證明。

2 計算機建模與仿真優化設計現狀

隨著科學技術的發展，計算機技術得到不斷完善，已越來越廣泛地應用于流體力學問題的計算機模擬。鑒于傳統的手工作圖法提供的坐標精度低、工作量大、設計周期長的特點，建立渦輪葉片造型的計算機輔助設計方法，優選葉片造型，提高渦輪葉片設計質量成為渦輪鉆具研究的趨勢。

2.1 優勢

渦輪葉柵內流體流動為紊流流動，紊流是一種高度復雜的非穩態流動，具有很強的隨機性、非恒定性，并且無一例外都是三維問題。傳統的渦輪葉型設計采用束流理論，即將紊流問題簡化為一維或二維流動，只能反映流體作用的宏觀效果（例如力矩、能耗等），而不能正確反映影響這種宏觀效果的微觀原因（例如，流道中速度分布、壓力分布等）。因此，按這種理論設計出來的葉型存在葉片脫流嚴重、流動損失大的問題，葉柵效率不高，達不到預期的性能指標［11，14］。

計算機建模與仿真優化的應用則改變了傳統的設計過程，將傳統設計的大循環過程轉變為方案設計帶有預測性質的校驗循環，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學試驗設備。當設計已基本達到設計要求時再轉入通常的詳細設計，可以顯著縮短設計周期并降低費用。目前普遍使用的有CFD技術、CFX－BladeGen設計軟件以及自行編制的軟件等。

2.2 應用現狀

2.2.1 CFD技術輔助設計

CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）技術作為流體力學研究中的一門新興分支，是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物［15－17］。CFD技術采用實體建模、CFD前置處理器等工具真實、準確地建立渦輪定、轉子的單周期跨葉片流道計算模型，對其內流場進行CFD仿真模擬；根據速度場分布情況進行葉型優化，同時模擬出優化設計后的渦輪在不同轉速下的輸出特性。劉孝光等［18］采用CFD技術對?115mm渦輪鉆具渦輪內流場進行仿真模擬，并根據速度場分布規律進行葉型優化，將優化后的渦輪輸出特性參數與試驗數據進行對比；模擬特性曲線變化趨勢與試驗結果基本一致，證明了應用CFD技術對渦輪葉片葉型優化設計的正確性和實用性。

2.2.2 CFX－BladeGen葉片設計軟件

CFX－BladeGen是交互式渦輪機械葉片設計軟件，主要由BladeGen和BladeGenPlus兩大模塊組成。BladeGen實現渦輪葉片的交互式設計；Blade－GenPlus實現網格劃分和CFD分析求解、輸出葉片設計和水力分析報告，并且能夠快速、有效地生成光滑的葉片型線，同時很方便地得到足夠精確的流場分布，能較準確地預估其性能。此外，通過統計單個參數對葉型性能的影響規律，進而進行優化設計，可以節約大量的試驗成本，以較小代價設計出性能優良的渦輪機械葉片。長江大學的丁凌云等［15］利用此軟件以WZ－115型渦輪鉆具渦輪為例，對渦輪葉片進行造型設計，并進行三維流場分析；通過渦輪葉片造型和CFD計算結果分析，指出其水力損失的原因，對葉片局部進行了修改，改善了水力性能；并與試驗結果進行對比，在扭矩和流速方面吻合得比較好，最終證明其具有較好的實用性。

2.2.3 利用解析造型方法CAD優化設計

石油大學的胡澤明等［19］將葉柵解析造型的方法應用于渦輪鉆具葉柵造型設計，成功開發了葉柵進出口角優化設計、葉柵解析造型、葉柵通道收斂梯度檢驗與葉型修改軟件包；并在此基礎上，利用此軟件包重新設計渦輪葉柵，用新設計的葉柵制成渦輪試件，并進行對比試驗，使其效率提高2%～3%，表明所開發的渦輪葉柵CAD優化設計軟件包具有應用方便、靈活、高效、實用等優點。

2.2.4 其他自行編制軟件

劉艷［20］通過對渦輪葉片型線設計進行理論分析，將渦輪葉片設計過程分為數據選取、中間計算、結果輸出3部分，并自主開發了一套主要適用于中間計算過程的葉片造型軟件。該軟件將計算結果采用離散數據的形式存儲到文件中，增強了數據的交互性。實例表明，此軟件具有一定應用價值。

3 渦輪鉆具水力性能試驗方法與應用現狀

3.2 測試方法

渦輪鉆具在設計時已預估出所設計渦輪鉆具的性能，因理論計算與液體流動有差異，且計算機模擬仿真所使用的三維流體軟件為了封閉湍流方程組會引入一系列假設，這些假設會降低計算結果的可信度，加上葉柵葉型加工誤差等因素，渦輪鉆具的實際性能最終仍需由水力性能試驗確定［21－24］。目前，渦輪鉆具水力性能的主流測試技術有2種：測試渦輪鉆具整機性能的10級臺架試驗和測試渦輪葉片內部流場的PIV測試技術。

3.2 應用現狀

渦輪鉆具水力性能試驗臺架是模擬實際鉆井條件，對渦輪鉆具整機進行室內試驗的設備［22］。試驗臺采取經過循環流量自動控制、采用壓力穩流柵、運用更換襯套等方式不斷提高系統的測試精度，可以準確、可靠地測量渦輪鉆具工作特性和動態機理，為渦輪鉆具的理論研究提供試驗數據，同時可用于指導實際井下應用［25］。目前，長江大學、中國石油大學（北京）等單位均有類似的試驗臺，但目前國內的試驗臺普遍采用離心泵作為動力，容易造成流體脈動；同時，一般采用磁粉制動器作為渦輪鉆具的加載裝置，而磁粉制動器在低速下的制動線性度差，影響了測試的效果。未來渦輪鉆具水力性能試驗臺的開發將主要是通過更換往復泵，采用電力測功機作為加載裝置，以及精確控制分流水量等方法，提高測試的精度和可靠性。

PIV技術是隨著計算機技術的進步發展而成的一種新的流速測量技術，利用粒子成像技術對整個或局部流場同時記錄測量，從而獲得流場的瞬時動力學流動狀態，具有全流場測試、直觀、不干擾流場等優點，是進行各種流場流動規律研究的有力工具。該技術目前廣泛應用于各類流場的測試［26］，其突出特點是能在不干擾流場流動的情況下，同時定量獲得全流場的流動信息，即空間的連續信息。戴靜君等［27］在對3種高環流系數葉片葉型和5種相對節距的渦輪葉柵進行內流場試驗研究中，采用PIV技術測試了葉柵內部的速度分布規律；測試結果對比臺架試驗表明，其研究成果可為渦輪葉型的設計提供有價值的參考。

4 結論

隨著國家地球深部探測計劃的實施，高溫高壓井不斷增多，渦輪鉆具越來越受到鉆探與鉆井工作者的重視，其水力性能的研究將隨著計算機和新型測試技術的發展不斷深入。我國渦輪鉆具水力性能研究取得了一定的成果，正逐漸成熟，三元流理論的應用將進一步提高國內渦輪鉆具研究水平。未來渦輪鉆具水力性能的發展將引進面向對象的建模方法和動態的設計方法，使水力性能理論研究更加精確、更加接近實際工況，必將推動渦輪鉆具性能和可靠性的進一步提高。

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Application and Development of the Hydrodynamic Performance for Turbine Drill

YAO Jian－yi，LIU Bao－lin，WANG Yu
（China National Lab on Geological Super－deep Well Drilling，China University of Geosciences（Beijing），Beijing100083，China）

Turbine drill is a key drilling tool to development the super－deep well and HTHP well.The feature of turbine blade profile is a key factor on the design and analysis of hydrodynamic performances.The development status of hydrodynamic performance on turbine drill was studied in the paper.The design theoretical methods，model，computer simulation，and experimental methods were also analyzed and compared deeply.The combination of theoretical analysis，computer－aided design and experimental testify was an effective methods to study the hydrodynamic performance of turbine drill.The main problem and development trend of the hydrodynamic components of turbine drill were also discussed.

drilling；turbine drill；hydrodynamic performance；computer simulation；development trend

1001－3482（2012）03－0004－04

TE921.2

A

2011－09－23

國家國際合作項目“萬米深孔高溫高壓取心渦輪鉆具及其應用技術”（2010DFR70920）；國家深部探測專項課題“科學超深井鉆探技術方案預研究”（201011063）

姚堅毅（1988－），男，安徽黃山人，碩士研究生，主要從事鉆探、鉆井工具研究。