油井作業發電機的渦輪設計及數值模擬測試

油井作業發電機的渦輪設計及數值模擬測試

李春玲 張曉軍

西安航空職業技術學院

葉柵型渦輪設計以其研制周期短、研制費用低等優點被廣泛地采用。這種渦輪是建立在一元流的渦輪機械理論基礎之上的新型設計，不僅方便使用計算機進行造型，也可以很好地進行三維的模型數值模擬。使用正確的軟件（如CFD）對葉柵型的渦輪機械性能預測也比較準確且簡便。這種設計基本可以滿足目前的井下發電渦輪的機械要求，且對于實踐有非常重要的指導意義。

發電機；渦輪；設計方法；測試；參數

我國油田鉆探作業中，對于深層油氣的采集有一個難以逾越的鴻溝——高陡構造的地層的防斜打快。隨著科技的進步，這一難題逐漸被攻克，事實證明如今的一些智能工具，如果操作得當的話，可以快速的、高質量的完成復雜地質條件下的開采、鉆探工作。如今，這些新型工具已經不再是傳統的單純信號傳輸或者建議的參數測量，而是將測量數值—有效傳輸—集成控制合為一體，成為巨型集成系統組件。這樣的智能工具雖然工作方便，但是有一個顯而易見的缺點，就是電損耗高。這種損耗已經超出了普通電池的供電能力，也就是說在普通電池的供電下，工作時間得不到保證，工作效率也比較低。在這種背景下，出現了使用井下渦輪發電機配合電池組的供電輸出方式。這種組合的優勢在于，只要井下的泥漿處于安全、常規的循環，那么通過機械能和電能的轉化，井下的渦輪發電機就可以源源不斷地提供電能，持久地進行工作，此時就可以保持電池組的被叫，進行充電或者是待命。

一般情況下，要使井下渦輪發電機供電高效化，必須讓發電機的軸功率能夠滿足實際的工作流量，這就要求渦輪的設計能夠隨著科技進步不斷進行技術革新，滿足更高的實際應用要求。在眾多學者進行科研后，葉柵型的渦輪設計以其研制周期短、研制費用低等優點被廣泛地采用。這種渦輪是建立在一元流的渦輪機械理論基礎之上的新型設計，不僅方便使用計算機進行造型，也可以很好地進行三維的模型數值模擬。使用正確的軟件（如CFD）對于葉柵型的渦輪機械性能預測也比較準確且簡便。這種設計基本可以滿足目前的井下發電渦輪的機械要求，且對于實踐有非常重要的指導意義。

1 常見的渦輪型式

井下發電機要通過渦輪的作用進行機械能和電能的轉換及能量傳遞。一般情況下，渦輪有定子型和轉子型之分，主要就是看渦輪本身是不是具有轉動的能力，定子可以改變泥漿或者石油的流動方向，轉子可以將能量進行轉化。常見渦輪型式見圖1。

圖1 常見渦輪型式

由于油田井下相對來說空間限制較多，對渦輪的直徑來說是越小越好，為了能夠在小渦輪的情況下獲得最大的動力，可以選擇多級式渦輪。軸流式渦輪、葉柵式渦輪及螺旋式渦輪，都是非常好的選擇。在實際的工作中，可以根據不同的具體工作選擇不同類型的渦輪，以達到最優效果。

2 設計方法

假設發電機可以達到800 W的理論輸出值，令渦輪達到一個較穩定的1280r/min的穩定轉速，如果電磁的轉化效率可以達到0.79以上，機械效率大于1的話，按照公式可以推算出：渦輪的扭矩在理論情況下可以達到5.96 N·m；實際上渦輪可以保證1 000 W的功率的輸出；渦輪的輸出扭矩在7.45～7.47 N·m之間。

根據伯努利方程和有關數學方程的計算，對于厚度相等、螺距相等及螺旋角相等的葉片參數計算，證明中弧線法設計的葉片相對輪廓更為清晰，且運轉的功效性最強。這種葉片的直線段部分流體對于葉片壁的沖擊覆蓋面更大，圓弧的部分又有利于泥漿或者液體在緩沖之后釋放流體動能。為了進一步地減輕渦輪葉片的重量，達到輕巧簡便的要求，根據葉片的相關數據計算情況，進口處的葉片數量要增三分之一，出口仍舊保持不變；大量圓弧設計的采用使得流體的能量可以被充分吸收，葉片的緩沖作用也可以充分實現。

假設Y軸方向和進口之間的夾角為a，X軸和水平方向的夾角為b，整個圓的弧半徑是R，設立一個模型的主體，詳細參數見表1。

表1 渦輪模型設計參數

根據表1的數據就可以完成簡要的渦輪設計，建立隊形的擋輪和簡要的模型，在建立模型的過程中，其他問題也可參考上述的計算方法，并配合模型進行解決。

3 數值模擬測試

測試的方法主要有試驗法和數值模擬法兩種。試驗法較為直觀，就是構建試驗條件，通過測量渦輪在試驗條件下的各項指標（如壓降、轉速、流量等），檢驗理論計算的各項輸出值。由于試驗法所存在的種種缺陷，使得渦輪試驗多為一種驗證性質的試驗，主要用于檢驗理論設計或者測試理論結構所帶來的參數準確值。

另一種方法是數值模擬法，即CFD（計算流體動力學，是目前主力的一門邊緣學科），它有幾個組合部分：計算機科學技術、數值數學技術及近代流體力學技術。這種技術主要依托的是現代計算機強大的模擬能力和計算能力，只要設計出正確的運算模式，符合基本的物理、數學定理，即使沒有實際的實驗構架臺也可以進行快速高效的運算，節省了大量的人力物力。目前的工程技術中也大量采用了這一方法，市場上也有很多這類的商業軟件，如ANSYS CFX等。

對于發電機的具體工作，根據前期理論測算的各項數值，進行了實體的模擬測試。通過改變不同的流量數值，就可以試驗出后續的轉速、輸出功率、相電壓等。為了減少誤差，采取了多次測量、反復試驗的方法。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.031