基于MATLAB、Pro/ENGINEER的一種小型渦輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算

韓成才，陳 剛，朱 林，苗 亮

HAN Cheng-cai，CHEN Gang，ZHU Lin，MIAO Liang

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，油井注水已成為各大油田提高產(chǎn)量的主要手段。但在其注水開(kāi)發(fā)以提高原油采收率的同時(shí)，油管結(jié)垢的現(xiàn)象也越發(fā)嚴(yán)重了。油管結(jié)垢使油管內(nèi)部流通面積縮小，增大內(nèi)部區(qū)域的阻力，降低注水效率，直接影響到油田的產(chǎn)油量。

為了解決油管內(nèi)結(jié)垢的問(wèn)題，大多數(shù)國(guó)內(nèi)油田都在采用傳統(tǒng)的酸處理工藝，但其存在處理成本高、程序繁瑣、一旦處理失誤可能導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)腐蝕事故等的缺點(diǎn)。所以，我們從物理除垢的角度出發(fā)，利用機(jī)械磨削原理，設(shè)計(jì)了一種新型水動(dòng)力除垢器[1]，我們采用渦輪鉆具的驅(qū)動(dòng)方式，利用具有一定壓力、流量的動(dòng)力液，沖擊渦輪副中的轉(zhuǎn)子使其旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)磨削頭轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)管內(nèi)結(jié)垢進(jìn)行磨削。但由于渦輪鉆具中的渦輪副尺寸較大、輸出扭矩過(guò)高等問(wèn)題，無(wú)法直接選用。為此，我們自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一種小型渦輪副。

1 小型渦輪副的設(shè)計(jì)步驟

由于渦輪鉆具在我國(guó)應(yīng)用廣泛，我在設(shè)計(jì)初期對(duì)渦輪副實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并仔細(xì)閱讀了國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)資料，最終確定了以下的設(shè)計(jì)步驟[2]。

1.1 渦輪副主要幾何尺寸的確定

已知設(shè)計(jì)要求如下：

1）渦輪副定子外徑：47mm；

2）動(dòng)力液密度：1000kg/m3；

3）渦輪額定轉(zhuǎn)速：200r/min；

4）渦輪輸出扭矩：200N·m；

5）動(dòng)力液工作壓降：10Mpa。

渦輪副有定子和轉(zhuǎn)子組成，渦輪副的主要幾何尺寸包括級(jí)高、葉片高度和長(zhǎng)度、定子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑。

根據(jù)已知設(shè)計(jì)要求和渦輪副設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定了渦輪副主要幾何尺寸，如圖1所示。

圖1 渦輪副主要幾何尺寸

圖2 渦輪葉片的流動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)

1.2 渦輪葉柵出口液流角的設(shè)計(jì)計(jì)算[3]

渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)出口液流角是指無(wú)沖擊工況的液流角。渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)出口液流角不同，則在渦輪內(nèi)液體流速變化的規(guī)律也不同，從而會(huì)引起渦輪輸出扭矩、轉(zhuǎn)速及功率等性能參數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)要求，確定渦輪定、轉(zhuǎn)子葉型是否對(duì)稱(chēng)，計(jì)算定、轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)出口液流角。

在計(jì)算定、轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)出口液流角前，我們首先要確定的是渦輪的三個(gè)無(wú)因次系數(shù)：軸向速度系數(shù)、沖擊度系數(shù)ma和環(huán)流系數(shù)這三個(gè)系數(shù)的大小，以下就是三個(gè)系數(shù)的具體計(jì)算步驟[4]。

軸向分速度：

圓周速度：

將式（2）、式（3）帶入式（1）得：

2）沖擊度系數(shù)ma

當(dāng)ma=0.5時(shí)，速度多邊形為等腰對(duì)稱(chēng)的，定子和轉(zhuǎn)子的葉片形狀相同，且互成鏡像，有α1=β2，α2=β1。從易于加工制造的方面考慮，我們選取ma=0.5。

其中：

式中的Mi表示每副渦輪副產(chǎn)生的扭矩，有：

1.3 渦輪葉片造型設(shè)計(jì)

在葉柵的液流角確定之后，需要很好地進(jìn)行葉片斷面形狀的造型設(shè)計(jì)。葉片造型設(shè)計(jì)包括各項(xiàng)基本參數(shù)的設(shè)計(jì)選擇，葉型型線和流道的設(shè)計(jì)繪制等內(nèi)容，下面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1）葉片基本參數(shù)的選擇[5]

葉片的基本參數(shù)包括：前緣半徑r1和后緣半徑r2、沖角i、葉片轉(zhuǎn)折角σ、進(jìn)出口邊楔角Φ1和Φ2、出口結(jié)構(gòu)角β2k、中線最大彎度m、最大彎度位置p、葉片最大厚度d、最大厚度位置a、葉型弦長(zhǎng)b1，當(dāng)若干葉片組成葉柵時(shí)，還要考慮安裝角βm，相對(duì)節(jié)距t。根據(jù)已知的設(shè)計(jì)要求和葉片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們確定了以下葉片基本參數(shù)：前緣半徑r1=0.6mm～1mm，設(shè)計(jì)取r1=0.6mm；后緣半徑r2=0.4mm～0.6mm，設(shè)計(jì)取r2=0.4mm；沖角i取0°；葉片轉(zhuǎn)折角σ一般取 5°～16°，設(shè)計(jì)取σ=10°；進(jìn)口楔角Φ1=10°～30°，設(shè)計(jì)取為Φ1=20°；出口楔角Φ2=7°～15°，設(shè)計(jì)取Φ2=10°。

對(duì)于出口結(jié)構(gòu)角β2k=β2-δ，取δ=1.5°，α1=β2。

對(duì)于入口結(jié)構(gòu)角β1k，由于沖角i=0°，所以β1k=α2。

安裝角βm由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定：

對(duì)于葉型弦長(zhǎng)b1，有：

式中，s表示為葉片軸向垂直尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則，取s=8mm。

對(duì)于葉片節(jié)距t，有t=0.9b1。

最后計(jì)算葉柵中葉片的數(shù)目z，有：

2）葉型的繪制

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)信息，我們利用CAD軟件，用包絡(luò)線法繪制出葉片壓力面、吸力面的弧線。

2 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)上述渦輪副的設(shè)計(jì)步驟，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的參數(shù)較多、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，所以利用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

將式(1)～式(12)編寫(xiě)為M語(yǔ)句，如圖3所示。

圖3 M語(yǔ)句

M語(yǔ)句中代碼的含義如下：

x：渦輪副數(shù)nw

y：排量Qi；

C：軸向分速度CZ；

C0：渦輪轉(zhuǎn)子出口與進(jìn)口絕對(duì)速度在圓周方向投影之差C1u-C2u；

C3：進(jìn)口絕對(duì)速度C1；

C4：出口絕對(duì)速度C2；

A2：α2=>β1，當(dāng)沖角i=0時(shí)，β1=β1k（進(jìn)口結(jié)構(gòu)角）；

A3：安裝角βm；

B2：β2k=β2-δ(出口結(jié)構(gòu)角)；

B：葉型弦長(zhǎng)長(zhǎng)；

t：葉片間節(jié)距；

z：葉片數(shù)。

為了得到多組設(shè)計(jì)參數(shù)，編寫(xiě)了如下運(yùn)算指令：

運(yùn)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 運(yùn)算結(jié)果

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)和實(shí)際工況綜合分析得到最終的設(shè)計(jì)結(jié)果：選取渦輪副數(shù)量為30副、動(dòng)力液的工作排量為0.02m3/s、主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)有葉片進(jìn)口結(jié)構(gòu)角β1k=115°、葉片出口結(jié)構(gòu)角β2k=64°、葉片安裝角βm=71°、葉片數(shù)z=14。

3 三維模型的建立

在進(jìn)行三維建模前，根據(jù)以上渦輪副的結(jié)構(gòu)參數(shù)，借助CAD[6]繪圖軟件，用包洛線法繪制出葉片的截面形狀，如圖5所示。

圖5 葉片截面

將葉片截面形狀導(dǎo)入Pro/ENGINEER中，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模[6]，模型如圖6～圖8所示。

圖6 渦輪副轉(zhuǎn)子三維模型

圖7 渦輪副定子三維模型

圖8 渦輪副三維裝配模型

4 結(jié)論

1）根據(jù)現(xiàn)有渦輪副的設(shè)計(jì)方法，制定小型渦輪副的設(shè)計(jì)步驟，利用MALTAB、CAD、Pro/ENGINEER完成了這種小型渦輪副的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算及三維建模。可見(jiàn)這種小型渦輪的設(shè)計(jì)過(guò)程是正確的，可行的。

2）本設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程具有一定正確性和可行性，同時(shí)有較強(qiáng)的理論性，完全可以將其作為小型渦輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算模型。

3）本設(shè)計(jì)計(jì)算模型的建立，有助于將渦輪驅(qū)動(dòng)這種思想廣泛地運(yùn)用到井下工具的設(shè)計(jì)當(dāng)中，開(kāi)闊設(shè)計(jì)人員的思路。

[1]王廷魁.油水井結(jié)構(gòu)機(jī)理及除垢技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013,3:92.

[2]張先勇,馮進(jìn).井下水力渦輪的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].機(jī)械工程師,2012,10:27-29.

[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,2000,11:10-12.

[4]符彥惟.渦輪鉆井技術(shù)與新型渦輪鉆具的產(chǎn)業(yè)化[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2001,2:1-5.

[5]A.J.格拉茲曼.渦輪設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,1991.

[6]林元華,曾德智,李潤(rùn)方,等.渦輪鉆具新型葉片型線研究及其計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2004,2:24-27.