可鉆式渦輪定轉子葉片高度優選

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(中國石油大學 (北京) 石油工程學院，北京 102249)

近年來，石油勘探開發領域不斷擴展，各種針對復雜結構井和復雜地層的鉆井技術的進步對安全、快速、高效下套管提出了重大挑戰。2007年，加拿大公司DEEP CASEING TOOLS以其獨創的可鉆式渦輪技術，發明了新型套管下入工具—TurbocaserTMExpress[1]，實現了深層井段鉆、擴、固一體化套管下放作業，為渦輪鉆具開拓了更廣泛的應用領域。同常規渦輪鉆具相比，新型套管下入工具的長度有嚴格限制。可鉆式渦輪水力性能受多種因素影響，其中葉片高度的影響較為突出，而且渦輪葉片的高度影響工具串的最終長度。為了在保證一定輸出性能的條件下盡量縮短其長度，有必要在設計過程中對可鉆式渦輪定轉子高度進行優化選擇，為新型套管下入工具渦輪動力旋轉引鞋研制提供依據。

1 方案設計和計算方法

本文所研究的某尺寸可鉆式渦輪的定轉子葉片采用線投影設計[2]，初始方案的定子高度為10 mm，轉子高度為12 mm。在模擬過程中保持定轉子軸向間隙均為4 mm[7]。為了確定該尺寸渦輪定子葉片的最優高度，在保證渦輪定子相同通過能力前提下，另外設計定子高度11、12、13、14 mm的新方案。根據5種方案輸出結果對比，選擇定子的最優高度。基于最優定子高度，設計不同轉子高度方案，根據水力性能和流場分布選擇轉子的最優高度。

采用CFD軟件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，選擇Spalart-Allmaras湍流模型[3-6]。S-A模型對邊界層計算效果好，可用于存在流動分離區的計算，且S-A模型方程數較少，計算速度更快[3-6]。計算網格使用NUMECA軟件包中的AUTO-GRID模塊，自動生成的H-O-H型網格[7]。計算流體介質為清水，排量為25 L/s，轉速為0～1 000 r/min[9]。進口邊界條件為給定流體速度大小和方向，出口給定靜壓[7]。為了提高數值模擬的精度，本文采用模擬3級定轉子并讀取中間一級定轉子數據的方法[7]。

2 定子高度的優選

2.1 不同定子高度下渦輪輸出性能對比

渦輪定轉子葉片高度影響渦輪的最終水力性能，同時也影響著工具串最終長度。針對以上5種不同高度的定轉子葉片組合，在轉速200～800 r/min下進行數值模擬，適當延長計算域入口和出口[9]，分析其輸出性能和流場細節。

從圖1～4可以看出，單級渦輪轉子的轉矩隨著轉速增加而降低，軸向力和壓降隨著轉速增加而增大，水力效率先增加后減小；該型號渦輪的水力效率最高點在700 r/min附近。

不同高度定轉子組合單級轉子的轉矩和軸向力隨轉速變化曲線如圖1～2所示。分析圖1～2可知：定子高度從10 mm增加至13 mm，可鉆式渦輪轉子單級轉矩隨著定子高度的增加逐漸增大，定子高度14 mm時單級轉矩不再增加；單級渦輪轉子軸向力隨著定子高度增加而增大。

圖1 一級渦輪轉子轉矩隨轉速變化曲線

圖2 一級渦輪轉子軸向力隨轉速變化曲線

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曲線

不同高度定轉子組合單級壓降和水力效率隨轉速變化曲線如圖3～4所示。從圖3～4可知：定子高度從10 mm增加至13 mm，單級可鉆式渦輪的壓降隨著定子高度的增加而增大，定子高度13 mm和14 mm時壓降很接近；水力效率受定子高度影響較小，定子高度12 mm時，水力效率較高。

2.2 不同高度定子對工作液的加速效果

渦輪鉆具是一種葉片式液動馬達，工作時定子將工作流體的壓能轉化為動能[10]。為了衡量5種不同高度的定子對流體的加速效果，取轉速600 r/min時定子出口軸向截面分析流體質點的加權平均速度；由于密度不變，單位體積流體質量相同，自定義參數加權平均速度的平方v2/2衡量質點動能大小。如圖5～6所示，高度為12 mm的定子對工作流體的加速效果更好，結合上述水力性能對比，定子高度選擇12 mm。

圖5 定子出口流體質點平均速度

圖6 定子出口流體質點平均動能

3 轉子高度的優選

3.1 不同高度轉子渦輪的輸出性能

定子葉片高度保持12 mm，在保證相同通過能力的前提下，渦輪轉子葉片設計高度分別為10、11、12、13、14 mm。模擬計算結果如圖7～15。從圖7～10可以看出：轉子高度從10 mm增加至14 mm，單個轉子葉片的轉矩逐漸增大，且增幅隨著轉速增加而逐漸減小；單個轉子葉片的軸向力逐漸增加，且增幅隨著轉速增加而逐漸增大。

圖7 單個轉子葉片轉矩隨轉速變化曲線

圖8 單級渦輪轉子轉矩隨轉速變化曲線

圖9 單個轉子葉片軸向力隨轉速變化曲線

圖10 單級轉子葉片軸向力隨轉速變化曲線

從圖11～12可知，轉子高度增加，單級渦輪的壓降逐漸增加，且增加的幅度隨著轉速的增加而增大；單級渦輪的水力效率較為接近。

圖11 單級渦輪壓降隨轉速變化曲線

圖12 單級渦輪水力效率隨轉速變化曲線

產生上述現象原因是：轉子葉片高度增加，轉子的體積和受力面積增大，摩擦能量損失也會增大，且高度影響轉子流場二次流的產生和發展。綜合以上4種不同高度轉子渦輪的水力性能可知：定子高度為12 mm時，轉子高度為14mm時單級渦輪輸出轉矩最大，壓降升高幅度相對較小，水力效率較高。

3.2 不同高度轉子下渦輪流場分析

圖13給出了600 r/min時不同高度轉子流道徑向壓力場分布云圖。從圖13可以看出，隨著轉子葉片高度的增加，流道內低壓區域逐漸減小，二次流[10-11]發生的幾率逐漸降低；且隨著轉子高度的增加，轉子流道出口主流方向由與轉子尾緣呈一定角度而逐漸變為和轉子尾緣相切，說明隨著轉子高度增加，轉子葉片流道內壓力場更加合理，轉子對其尾跡發展的控制和影響增大[7]。

圖14為600 r/min時轉子葉片最大凸度位置質點軸向速度分布云圖。由圖14可知，隨著轉子葉片高度的增加，轉子吸力面和壓力面附面層的影響寬度在逐漸減小[4]，表明轉子流場內質點流速分布更加均勻，對二次流發展具有一定的抑制作用。

圖13 轉子流道徑向壓力場分布

圖14 轉子葉片流體質點軸向速度分布

圖15是600 r/min時轉子出口位置流體質點的軸向速度分布云圖。由圖15看出，隨著轉子葉片高度的增加，轉子出口軸向速度為負值的流體質點分布區域逐漸減小，說明二次流逐漸消失。當轉子高度為14 mm時，轉子出口軸向速度分布均勻，二次流的產生得到了有效抑制。

圖15 轉子葉片出口流體質點軸向速度分布

綜合對轉子葉片流場的分析可知：轉子高度從10 mm增加至14 mm過程中，轉子葉片流場的壓力分布和速度分布更加合理，二次流的產生與發展逐步得到抑制。因此，在定子高度12 mm時，相對應轉子葉片最優高度為14 mm。該結果與水力性能分析結果一致。

4 結論

1) 某型可鉆式渦輪定轉子通過能力不變，定子高度從10 mm增加至14 mm，整體上渦輪的單級輸出轉矩、壓降和軸向力逐漸增大，水力效率變化較小。定子高度為14 mm時輸出性能較差。隨著定子高度增加，定子對工作流體的加速能力先增大后減小，結合輸出性能，該型號可鉆式渦輪定子最優高度為12 mm。

2) 定子高度為12 mm，轉子高度從10 mm增加至14 mm：單級渦輪的轉矩逐漸增加，且增加的幅度隨轉速增加而減小；軸向力和壓降也逐漸增加，且增加的幅度隨轉速增加而增大；水力效率變化較小；渦輪轉子葉片流場的壓力分布和速度分布逐漸更加均勻合理。轉子葉片高度14 mm時，渦輪的輸出性能最佳，且流場分布合理，二次流的產生發展都得到了有效抑制。由此，該型號可鉆式渦輪轉子最優高度為14 mm。

3) 不同高度的定子葉片對工作流體的加速能力不同，不同高度的轉子葉片也影響著可鉆式渦輪的水力性能和流場分布。可鉆式渦輪定轉子高度的優選可以在滿足水力性能的同時，有效降低工具串的長度。

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