泥漿渦輪發電機用葉輪設計及性能分析

張達，萬教育，王恒，唐思雨，秦二衛

（1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100000；2.西部鉆探定向井技術服務公司，新疆 克拉瑪依 834000）

隨著鉆采技術的發展，井下控制機構趨于精細化、復雜化，相應其耗電量也不斷加大，進而要求井下供電電源能夠長時間可靠工作，從而為系統提供持續穩定的電能。目前，井下供電電源主要有2類，即鋰電池組和泥漿渦輪發電機。鋰電池組受自身特性限制，耐溫能力差，使用壽命短，應用成本高，且存在環境污染隱患。與之對應，泥漿渦輪發電機利用泥漿發電并完成測量數據傳輸，可長時間為系統提供穩定可靠的電力，工作壽命長，從而可傳輸更多參數，代表井下鉆采技術的發展趨勢。泥漿渦輪發電機利用泥漿驅動葉輪葉片旋轉，帶動發電機工作。作為能量轉化的核心部件，葉輪的尺寸和幾何形狀對泥漿渦輪發電機的性能有決定性影響?；诖?，開展泥漿渦輪發電機用葉輪性能研究具有十分重要的現實意義。

1 葉輪理論

1.1 葉輪配置

利用軸流式葉片泵葉片的設計方法，選擇葉輪的結構配置方式如圖1所示，定輪和動輪配合使用，由定輪調整泥漿流向使之產生預旋，為動輪葉片進口提供所需的周向速度。同時通過調整動輪角度，可保證泥漿渦輪發電機滿足各種不同泥漿排量需求，從而適應多種井下地質環境。裝配定輪及動輪的泥漿渦輪發電機如圖2所示。

圖1 葉輪結構配置

圖2 泥漿渦輪發電機

1.2 葉片形式選擇

葉輪按葉片形式大致可分為直葉片和扭葉片2種。直葉片形式葉輪徑向葉高小，適合于鉆鋌空間較小的場合，強度特性好，增加葉片可以明顯提高葉輪水力效率，減小單個葉片受力，延長葉輪壽命，但精密加工復雜。扭曲葉片形式葉輪徑向葉高大，適用于鉆鋌空間較大的場合，葉片輪廓曲率較大、重合度較大，效率高。葉輪效率同樣隨葉片數目的增加而提高，但對扭曲曲面來說，成型加工也是一個復雜的過程。基于最大轉換效率考慮，定輪和動輪的葉片均選擇扭葉片形式。

1.3 材料選擇

泥漿渦輪發電機工作于井下高溫高壓場合，流場環境及其惡劣，其具體工作參數如表1所示。

表1 發電機工作參數

由表1可見，系統對泥漿渦輪材料要求較高，基于此定輪及動輪材料均選擇1Cr18Ni9Ti，即沉淀硬化不銹鋼。該材料硬度較高，具有優良的耐熱抗腐蝕能力。

2 流場仿真分析

泥漿渦輪發電機葉輪所處流場是高溫高壓環境下復雜的三維粘性湍流流場，為研究流道內流場情況，采用CFD方法對其進行分析。

2.1 模型建立

用CFD方法進行模擬計算，需將實體模型轉化為流道模型，建立三維流道模型如圖3所示。

圖3 三維流道模型

2.2 計算模型網格的劃分

模型的離散化需對幾何模型劃分網格。FLUENT作為一種求解器，在二維問題中可以使用由三角形、四邊形或混合單元組成的網格，在三維問題中可以使用四面體、六面體、金字塔形以及楔形單元，或者兩種單元的混合。網格質量的好壞對計算結果有很大的影響，本文生成的網格模型如圖4所示。

圖4 網格模型

2.3 邊界條件設置

邊界條件的設置是數值計算的重要內容。在本文中需要涉及到壁面邊界、進出口邊界以及定子和轉子交界面。根據泥漿葉輪工作特點，定子進口邊界設為速度入口邊界，速度大小由流量和閥門通徑決定；轉子出口邊界設為壓力出口邊界；定子出口與轉子進口定義為混合面，并分別為壓力出口、壓力進口邊界。定子、轉子具有相對轉動，采用相對坐標，將轉子定義為旋轉區域。固體壁面定義為靜止壁面，采用標準壁面函數。

2.4 計算設置

在計算時設置為分離的隱式求解方法，此方法占用較少的計算機資源，但求解時間稍長。對動量方程、紊動方程均采用精度較高的二階迎風差分格式進行離散，對速度與壓力耦合采用經典的SIMPLE算法。

2.5 結果分析

轉速為2500r/min時，泥漿葉輪中截面壓力云圖如圖5所示，泥漿葉輪進口處壓降相對較大，葉片壓力面壓力較高；在泥漿葉輪出口處，壓降相對較小，葉片壓力面壓力較低。

圖5 壓力云圖

在工作流量為15L/s時，取介質為清水，預估摩擦扭矩為0.262Nm，計算得到泥漿葉輪輸出功率曲線如圖6所示?？紤]摩擦扭矩，轉速為2500r/min時，輸出功率可到120W；在該流量下，最大輸出功率可到350W。

圖6 輸出功率曲線

3 試驗分析

采用大型水力循環測試臺對泥漿渦輪發電機用葉輪進行水力循環測試，試驗裝置原理如圖7所示。該裝置采用電子負載模擬真實用電設備，可測試泥漿渦輪發電機在給定排量下的工作情況，通過測試口讀取發電機轉速獲得葉輪轉速，通過流量計讀取實際流量。

圖7 試驗裝置原理圖

試驗中采用清水作為介質，調節水力循環流量為15L/s，在不同負載情況下對泥漿渦輪發電機進行測試，得到對應輸出功率下的轉速，將實測值與計算值進行對比，如表2所示。由表可見，當帶載120W時，實測轉速為2556r/min，計算轉速為2500r/min，二者比較接近。

表2 流量15L/s時轉速值對比

實測轉速-負載曲線與計算轉速-負載曲線對比如圖8所示。由圖可見，流量15L/s時，隨著負載加大，轉速降低，轉速在2450r/min到2700r/min之間波動；在該流量下，實測曲線轉速下降趨勢與計算曲線轉速下降趨勢一致，數值較為接近，同時由于摩擦扭矩無法準確預估、測試存在誤差等因素，實測轉速與計算轉速間存在誤差。

圖8 轉速-負載曲線

4 結語

受安裝尺寸及使用工況限制，葉輪的合理設計是井下泥漿渦輪發電機正常工作的重要保證，其性能直接影響泥漿渦輪發電機的工作能力。泥漿葉輪進口處壓降相對較大，葉片壓力面壓力較高；泥漿葉輪出口處，壓降相對較小，葉片壓力面壓力較低。在固定流量下，采用CFD仿真分析得出泥漿渦輪轉速-負載曲線與實測轉速-負載曲線較為接近，所用計算方法合理。

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