渦輪鉆具定轉子軸向間隙對性能影響

譚春飛，王雨軒，姚　洋，李博文，李　陽

(中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249)①

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渦輪鉆具定轉子軸向間隙對性能影響

譚春飛，王雨軒，姚洋，李博文，李陽

(中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249)①

摘要：為研究定轉子葉片軸向間隙對渦輪鉆具性能的影響，設計了4組不同軸向間隙的渦輪鉆具定轉子葉片，利用數值模擬方法獲取其性能和流場細微結構。結果表明：軸向間隙從2.5 mm增加到14.5 mm的過程中渦輪鉆具的轉矩、軸向力、壓降和水力效率均有不同程度的下降；在最高效率點，轉矩下降21.4%，軸向力下降18.2%，壓降下降9.8%，水力效率下降12.8%；定子下游渦流逐漸發展，能量損失增加；隨著流動路徑的增加，流體流動更加均勻。

關鍵詞：渦輪鉆具；性能；軸向間隙；數值模擬

渦輪鉆具是一種重要的井下動力鉆具，適用于深井、超深井和高溫、高壓作業環境。目前，對于渦輪鉆具的研究主要集中在定子和轉子的葉片造型上，而對定子和轉子的軸向間隙的研究比較少。楊濤等人[1]討論了裝配過程中上緊力矩與軸向力的關系，在此基礎上提出了在裝配過程中調節渦輪鉆具軸向間隙的方法；許福東等人[2]提出了一種預測軸向間隙分布的仿真算法。然而，對于軸向間隙如何影響渦輪鉆具性能的研究還不夠，有必要針對不同軸向間隙下渦輪鉆具的性能和流場結構進行研究，為提高渦輪鉆具的性能提供依據。

1研究對象及計算方法

本文所研究的渦輪鉆具設計參數如下：定轉子葉片分別采用五次多項式設計[3]，定子葉片高度11 mm，入口結構角136°，出口結構角23.5°，轉子葉片高度13 mm，入口結構角145°，出口結構角28°。為研究不同軸向間隙對渦輪鉆具性能的影響，設計了2.5、6.5、10.5、14.5 mm[4-5]4組定轉子軸向間隙。應用數值模擬方法，研究流量為50 L/s時，轉子轉速從0 增加到600 r/min時一級定轉子的輸出特性。

數值計算采用NUMECA軟件包，應用有限體積法求解圓柱坐標系下三維定常Navier-Stokes(N-S)方程組[6-7]。

假設邊界條件為進口給定流體速度大小及方向，出口給定靜壓；在進行不同轉速的模擬時，保持進出口邊界條件不變。為增加模擬的準確性以使之更符合實際工況，采用模擬三級定轉子并讀取中間一級定轉子數據的方法。計算網格使用NUMECA軟件包中的AUTO-GRID模塊，自動生成H-O-H型網格[8]。

2計算結果分析

2.1軸向間隙對渦輪性能的影響

針對4種不同定轉子軸向間隙的渦輪鉆具進行不同轉速下的數值模擬，獲取其性能以及流場細節。

不同軸向間隙時一級渦輪鉆具中轉子的轉矩、軸向力隨轉速變化曲線如圖1～2所示。從圖中可以看出：不同間隙時，轉子提供的轉矩隨轉速的增加而降低；所受軸向力隨轉速的增加而增加。

不同軸向間隙時一級渦輪的壓降和水力效率隨轉速變化曲線如圖3～4所示。從圖中可以看出：不同間隙時，一級渦輪的壓降隨轉速的增加而增加，水力效率隨轉速的增加呈拋物線形，在400 r/min時水力效率達到最大值，說明此型渦輪鉆具的最佳工作狀態為400 r/min左右。

圖1　轉子轉矩隨轉速變化曲線

圖2　轉子軸向力隨轉速變化曲線

軸向間隙的變化并不會改變渦輪鉆具各性能參數隨轉速的變化規律，且隨著軸向間隙的增加，渦輪鉆具各參數均有降低。

圖3　一級渦輪壓降隨轉速變化曲線

圖4　一級渦輪水力效率隨轉速變化

最高效率點(400 r/min)時，不同軸向間隙對一級渦輪轉子的轉矩和軸向力以及一級渦輪的壓降和水力效率的影響如圖5～8所示。從圖中可以看出：在最佳工況時，轉矩、軸向力、壓降、水力效率均隨軸向間隙的增加而降低。在軸向間隙從2.5 mm增加到14.5 mm過程中，轉矩降低了6.7%、14.6%和21.4%，軸向力降低了10.1%、14.8%和18.2%，壓降降低了2%、7%和9.8%，水力效率降低了4.8%、8.1%和12.8%。隨著軸向間隙的增加，渦輪鉆具各參數基本呈現線性下降，且下降幅度較大。

圖5　最高效率點轉矩隨軸向間隙變化

圖6　最高效率點軸向力隨軸向間隙變化

圖7　最高效率點壓降隨軸向間隙變化

圖8　最高效率點水力效率隨軸向間隙變化

2.2軸向間隙對渦輪流場結構的影響

定子流道壓力變化如圖9所示。隨著軸向間隙的增加，定子吸力面下部低壓區域增大，這可能是由于軸向間隙增加使轉子運動對定子尾跡發展的影響減弱，從而給了定子吸力面下部渦流充分發展的機會，而渦流的發展會導致能量損失增加。

a　間隙2.5 mm

b　間隙6.5 mm

c　間隙10.5 mm

d　間隙14.5 mm

不同軸向間隙的轉子承壓面壓力分布如圖10所示。隨著軸向間隙的增加，上游尾跡與主流摻混過程加長，流動參數的均勻性增強。主要表現為隨著軸向間隙的增加，轉子葉面的壓力梯度減小，壓力分布更加均勻。來流品質的提高有助于減少二次流損失，從而減少能量的消耗。

a　間隙2.5 mm

b　間隙6.5 mm

c　間隙10.5 mm

d　間隙14.5 mm

特別指出的是通過提高轉子來流品質從而提高渦輪鉆具輸出性能的方式并不見得有效，關鍵在于由軸向間隙的增加導致的渦流損失的加劇與二次流損失的改善何種因素占主導地位[9]。如果渦流損失的加劇占主導地位，則增加軸向間隙會增加能量的消耗。如果二次流損失改善占主導地位，則會降低能量的消耗。從對渦輪鉆具壓降的模擬結果來看，隨著軸向間隙的增加，消耗的壓能在降低，說明二次流損失改善占主導地位。

3結論

1)在軸向間隙增加的過程中，渦輪鉆具的轉矩、軸向力、壓降和水力效率均有不同程度的下降。在最高效率點，轉矩下降最大值為21.4%，軸向力下降最大值為18.2%，壓降下降最大值為9.8%，水力效率下降最大值為12.8%。

2)隨著軸向間隙的增加，轉子運動對定子尾跡發展的影響減弱，定子下游渦流逐漸發展，能量消耗增加。同時，定子尾跡與主流摻混過程加長，流動參數的均勻性增強，二次流損失減少，能量損失減少。

3)隨著軸向間隙的增加，渦輪鉆具壓降降低。說明渦流發展導致的能量消耗增加和流動均勻性增強導致的能量消耗減小這兩個因素中，二次流損失占主導地位。通過增加軸向間隙來提高渦輪鉆具性能是可行的方法。

參考文獻：

[1]楊濤，符達良，許福東，等.渦輪鉆具軸向間隙的正確調節[J].石油機械，1998(8)：24-26.

[2]許福東，符達良，馬德坤.計算渦輪節軸向間隙分布的仿真算法[J].石油礦場機械，1998，27(6)：34-37.

[3]馮進，符達良.渦輪鉆具渦輪葉片造型設計新方法[J].石油機械，2000(11)：9-12.

[4]楊善國.葉片式氣動馬達軸向間隙的優化設計[J].現代機械，2003(5)：10-25.

[5]譚春飛，李玉梅，夏柏如，等.積木式組合渦輪鉆具試驗研究[J].石油機械，2009(8)：11-14.

[6]張慢來，馮進，龍東平，等.多級渦輪內流場的CFD模擬[J].石油礦場機械，2005，34(3)：17-19.

[7]張皓光，楚武利，吳艷輝，等.軸向間隙引氣對雙級軸流式壓氣機性能及流場影響的數值研究[J].流體機械，2006(7)：24-27.

[8]王掩剛，牛楠，劉波，等.雙級對轉壓氣機軸向間隙對性能的影響[J].航空動力學報，2010(3)：531-536.

[9]李增亮，顏廷俊，谷玉洪，等.渦輪鉆具渦輪中的能量損失分析[J].石油機械，1997(8)：49-52.

Investigation into Effects of Axial Spacing between Stators and Rotors on Performance of a Turbodrill

TAN Chunfei，WANG Yuxuan，YAO Yang，LI Bowen，LI Yang

(CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Abstract：Four modules with different axial spacing between stators and rotors of a turbodrill were designed，and then the detailed flow structure and performance of them in different rotating speeds was obtained by numerical simulations.When the axial spacing between stators and rotors was changed from 2.5 mm to 14.5 mm，the following observations were obtained：The torque，axial force，pressure drop and hydraulic efficiency have different degrees of decline.At the maximum efficiency point，the torque decreased 21.4%，the axial force decreased 18.2%，pressure drop decreased 9.8% and the hydraulic efficiency decreased 12.8%.With the development of vortex in the downstream of the stators，the energy loss increased.With the increase of flow path，the fluid is more uniform.

Keywords：turbodrill；performance；axial spacing；numerical simulation

中圖分類號：TE921.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.002

作者簡介：譚春飛(1968-)，男，四川巴中人，副研究員，碩士，主要從事油氣井工程的教學及井下動力鉆具、深井超深井鉆井提速技術的研究。

收稿日期：①2015-09-26 國家科技重大專項“復雜結構井優化設計與控制關鍵技術”(2011ZX05009-005)

文章編號：1001-3482(2016)03-0007-04