基于ANSYS的高精度渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)

關(guān) 松

(大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712)

渦輪流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、重復(fù)性好而廣泛應(yīng)用于油田流量測量領(lǐng)域。在我國，隨著大部分油田進(jìn)入開發(fā)中后期，低產(chǎn)井?dāng)?shù)量逐年增多。為了準(zhǔn)確掌握這些低產(chǎn)井的產(chǎn)量情況，評估其可開采價值，需要準(zhǔn)確測量其流量信息。眾所周知，只有流量大于啟動排量，渦輪流量計(jì)才會給出響應(yīng)，所以研發(fā)設(shè)計(jì)出一種啟動排量低的高精度渦輪流量計(jì)，無疑對于油田流量測量具有重要的意義。自20世紀(jì)30年代渦輪流量計(jì)發(fā)明后，經(jīng)過國內(nèi)外無數(shù)科研工作者的研究和探索，其基本理論和相應(yīng)的模型都已非常成熟。但是目前對于渦輪流量計(jì)的研究主要集中在大流量條件下的使用，低流量條件下的啟動和響應(yīng)特性研究較少，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中對于低流量條件下渦輪流量計(jì)的使用需求。

筆者利用目前流行的有限元計(jì)算軟件ANSYS對渦輪流量計(jì)流場進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種高精度渦輪流量計(jì)，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明其啟動排量和分辨率與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)相比都有了大幅度的提高。

1 理論分析①

渦輪流量計(jì)作為速度式儀表，以動量矩守恒為基礎(chǔ)，渦輪流量計(jì)基本力矩平衡方程為[1]：

(1)

式中Tb——軸與軸承的粘性摩擦阻力矩(流動產(chǎn)生的力矩)；

Td——渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩；

Th——輪轂表面的粘性阻力矩；

Tm——磁電阻力矩和軸與軸承的機(jī)械摩擦阻力矩之和；

Tt——葉片頂端與傳感器外殼的粘性摩擦阻力矩；

Tw——輪轂端面粘性摩擦阻力矩；

J——渦輪的轉(zhuǎn)動慣量；

ω——渦輪轉(zhuǎn)動的角速度。

當(dāng)流速較低時，渦輪流量計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時角速度ω非常低，接近于0，Tb和Tw也可以忽略不計(jì)。在這種情況下，式(1)可以簡化為：

(2)

由式(2)可以看出提高驅(qū)動力矩是降低渦輪流量計(jì)啟動排量的一條捷徑。如圖1所示，傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)入口端是直管段和軸向?qū)Я髌黧w流經(jīng)渦輪葉片之前只有軸向速度，對渦輪的驅(qū)動力矩只是對渦輪葉片作用力的徑向分力產(chǎn)生的力矩。因?yàn)闇u輪葉片螺旋角為45°，如果將導(dǎo)流片改為螺旋角為-45°的螺旋導(dǎo)流片(圖2) ，當(dāng)流體進(jìn)入導(dǎo)流片時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，方向與渦輪葉片正交，使得流體在軸向流動速度不變的基礎(chǔ)上增加了徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，流體的旋轉(zhuǎn)方向與渦輪葉片的轉(zhuǎn)動方向一致，在相同流量條件下，增加了流體對渦輪葉片的驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)降低啟動排量和提高分辨率的目的，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 普通渦輪導(dǎo)流片

圖2 改進(jìn)后的渦輪導(dǎo)流片

圖3 改進(jìn)后的渦輪流量計(jì)

2 仿真研究

Workbench是ANSYS公司開發(fā)的協(xié)同仿真環(huán)境，是將仿真過程結(jié)合在一起的平臺，可以大大簡化仿真過程中各模塊間的交互操作。通過幾何建模(圖4)、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解及后處理等過程，可以比較準(zhǔn)確地仿真復(fù)雜機(jī)械模型的各物理參數(shù)場分布[2～4]。

圖4 渦輪流量計(jì)幾何模型

利用Turbogrid對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其劃分為約10萬個六面體網(wǎng)格。入口、出口部分為靜止網(wǎng)格，采用絕對參考系，葉片部分為動網(wǎng)格，繞圓心轉(zhuǎn)動，采用相對參考系，參考系轉(zhuǎn)動速度與網(wǎng)格轉(zhuǎn)速相同。網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。

圖5 渦輪流量計(jì)網(wǎng)格劃分

如圖6～8所示，流體流經(jīng)渦輪流量計(jì)之前，壓力較高，速度較低，經(jīng)過導(dǎo)流片時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，速度得到提升，壓力降低。當(dāng)通過導(dǎo)流片后，壓力、速度基本不變，依然保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，遇到渦輪葉片阻擋后，流速降低，壓力進(jìn)一步減小，流體所攜帶的能量傳遞給渦輪葉片，對渦輪葉片產(chǎn)生較大的驅(qū)動力矩，推動其轉(zhuǎn)動。

圖6 速度場云圖

圖7 壓力場云圖

圖8 速度場矢量圖

為了得到導(dǎo)流片螺旋角與渦輪葉片螺旋角的最佳匹配，利用ANSYS軟件對不同角度導(dǎo)流片的驅(qū)動力矩進(jìn)行計(jì)算，其中管道直徑為14mm，渦輪葉片直徑為13.5mm，重疊度為1.64，葉片螺旋角為45°，導(dǎo)流片螺旋角分別設(shè)為-35°、-45°和-55°，來流條件分別設(shè)為0.1、0.2、0.3、0.4m3/d。由于速度較低，采用層流模型，各不同工況條件下渦輪葉片受到的驅(qū)動力矩情況如圖9所示。導(dǎo)流片螺旋角為-45°時渦輪葉片受力更大，更容易啟動。此時渦輪葉片螺旋角與導(dǎo)流片螺旋角恰好成90°，可充分利用流體動量使渦輪葉片更易啟動，模擬結(jié)果與上述理論分析相符。

圖9 不同角度渦輪葉片力矩

3 實(shí)驗(yàn)研究

通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(圖10)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)具備以下兩個功能：在低流量下能夠非常平穩(wěn)的運(yùn)行；具備精確測量流量的功能。

該平臺以單相水流為介質(zhì)，循環(huán)流動通過水泵實(shí)現(xiàn)；流量的精確控制主要通過固定上游水位和調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)，流量的測量采用簡便可靠的容積時間法。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺簡圖

實(shí)驗(yàn)平臺中上方為穩(wěn)壓水箱，提供一個穩(wěn)定的壓力源，在管道內(nèi)阻力不變的情況下，保證管道內(nèi)流速不會發(fā)生變化，經(jīng)過2m長的下降段，流入渦輪流量計(jì)，隨后流出實(shí)驗(yàn)管道，通過量筒計(jì)量可以精確得到管路內(nèi)的流速。通過高速攝影可以清晰的觀察低速條件下渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況。

為了驗(yàn)證高精度渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況，實(shí)驗(yàn)將高精度渦輪流量計(jì)與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)在相同條件下進(jìn)行對比。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為單相水，流量范圍0～20m3/d，通過調(diào)節(jié)不同的流量點(diǎn)來記錄輸出頻率，流量點(diǎn)誤差優(yōu)于1%，每次測量時間為60s，采樣間隔為5ms，每點(diǎn)測量3次取平均值，測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 高精度渦輪與傳統(tǒng)渦輪輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

4.1理論研究與數(shù)值仿真確定了高精度渦輪流量計(jì)的最合理結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)流片螺旋角為-45°與渦輪葉片正交時，同樣來流條件下驅(qū)動力矩最大。

4.2在單相水條件下，高靈敏渦輪流量計(jì)啟動排量0.3m3/d，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的1.0m3/d，分辨率也有1.7倍的提高，可以解決部分單井產(chǎn)量低于1.0m3/d的低產(chǎn)井的流量測量問題。

4.3該流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、不改變現(xiàn)有儀器結(jié)構(gòu)，易于規(guī)模推廣應(yīng)用。