小尺寸中高速叶轮机械水力性能的数值模拟分析

发布时间：2020-08-04 14:02

【摘要】：叶轮机械作为一种应用极为广泛的旋转机械设备,在各行业甚至是在国民经济中也起着不可替代的重要作用,叶轮机械广泛应用于石油工业、水利工业、化学工业、动力工程、航空航天工业等领域。随着各领域不断向纵深发展,对叶轮机械产品的性能、可靠性、开发周期性以及与设备与环境匹配性不断提出了新的更高要求。依据流体等能量传递方向不同,可以将叶轮机械划分为动力机械(原动机)和输送机械(工作机)。叶片是叶轮机械的关键元件,能完全影响叶轮机械的工作性能与转化效率,叶型又是叶片的关键因素,不同的叶型方程具有完全不同的性能。因此为了研究叶轮机械的水力性能,本论文将以石油领域中最常见的井下动力钻具——涡轮钻具为切入点展开研究。涡轮钻具作为20世纪80年代以来石油工程领域三大重要技术之一,其结构相较于转盘钻井与螺杆钻具等,应用程度之广、优势之多早已受到了钻井工程领域的重要关注。但由于涡轮钻具转速过高,与之能匹配的钻头的磨损性较差,使得涡轮钻具的应用受到了一定程度的限制。近年来,随着小井眼、微小井眼等国际高端钻井技术的发展,与此同时能承受高转速、低钻压的各种新型钻头的成功研发并得到了良好的应用,涡轮钻具的优势再一次得到了体现。值得注意的是,小井眼、微小井眼的井筒径向尺寸小,这对涡轮定转子的设计与性能提出了新的挑战。本论文首先研究了涡轮的特性参数对涡轮性能与效率的影响。从常规涡轮钻具的工作特性着手,分析各特性参数对涡轮性能的影响,可以为涡轮进一步优化设计提高涡轮扭矩和转化效率提供依据。以钻井液流经涡轮定转子为研究对象,以叶轮旋转机械适用的一元欧拉方程为基础,并作出了3个基本假设。探讨了涡轮的转化扭矩特性、功率特性、有效压头等参数的变化对涡轮性能的影响;流经涡轮钻具的钻井液除了做有效功外,还有部分钻井液以能量损失的形式损耗了,因此探讨了钻井液能量损耗的形式。其次研究了涡轮叶栅叶片的几何结构参数对涡轮性能的影响。从涡轮叶栅运动的理论模型出发,研究了钻井液流经涡轮内流道时的基本运动规律,确定了钻井液定子出口速度、转子进口速度、转子出口速度、定子进口速度。进而研究了能作为标准鉴定涡轮功率、扭矩等工作特性参数的3个涡轮无因次系数。由于每一个系数搭配形成的组合均可形成一定的涡轮叶栅结构,故需对涡轮的几何结构参数进行确定。对目前常用的曲线造型方法进行了分析,选用五次多项式进行了造型设计,得到涡轮叶片的三维模型。最后采用数值模拟常用的CFD手段进行了验证。运用Fluent有限元仿真软件,建立了涡轮的流道模型及网格模型,以设计的流量等为外界条件展开模拟,进行验证所设计涡轮的水力性能。同时,研究了涡轮转子叶栅结构变化对涡轮工作性能的影响,设计了3种不同转子叶栅结构的涡轮。采用液体流经定转子时的工作状态建立速度三角形进行理论分析、并对径向间隙引起的能量损失和外圈叶冠引起的圆盘摩擦损失进行定性探讨,应用数值模拟仿真进行定量分析。研究结果表明,(1)认为当涡轮的结构尺寸与钻井液流量为定值时,涡轮的转化力矩与转速呈线性关系,且随着转速的增大,涡轮的转化力矩线性减小;涡轮的功率特性曲线与转速呈二次函数关系,当涡轮的转速达到最大,即扭矩为零时,此时的功率也为零,当涡轮的转速达到最大转速的一般时,涡轮将有最大的功率;涡轮的有效压头与涡轮的转速也呈二次函数关系;以钻井液流经涡轮定转子为研究对象,得到了钻井液的3种能量损失情况,其中水力损失中的冲击损失为能量损失的主要因素,因此在设计时应尽量确保钻井液进入涡轮叶片叶栅的方向与叶片的结构角相近;(2)应用五次多项式进行小尺寸高速涡轮设计是完全合理的,所设计的涡轮的最佳工作转速约在4200 r/min左右时,效率达45.46%左右;(3)对3种不同转子叶栅结构的涡轮计算结果显示,认为涡轮定转子间径向间隙、外圈叶冠的存在均是影响涡轮性能的因素,并认为因外圈叶冠引起的圆盘摩擦损失是导致涡轮转子输出性能及能量损失的重要因素。通过分析3种结构涡轮,认为其最佳效率点对应的工作转速、输出扭矩、转化效率均不相同,Ⅱ型涡轮与Ⅲ型涡轮比Ⅰ型涡轮的最佳工作转速小;Ⅰ型涡轮的转化力矩最大,Ⅲ型涡轮次之,Ⅱ型涡轮最小,即M_(iⅠ)M_(iⅢ)M_(iⅡ);而Ⅲ型涡轮的转化效率最大,Ⅱ型涡轮次之,Ⅰ型涡轮的转化效率最小,即η_Ⅲη_Ⅱη_Ⅰ。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE921.2
【图文】：

叶轮机械

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 课题背景及意义是一种主体为连续旋转叶片，其能量在流体等工作介互转换的动力机械[1-3]。依据能量传递方向的不同，叶轮式流体动力机械（原动机），叶轮式流体输送机涡轮、风机、风力机、叶片式泵等，常见的叶轮机械机械作为一种应用极其广泛的动力机械设备，在国要的影响作用，其广泛用于动力工程、市政工程、水业、石油工业等重要的领域。在石油工业中，同样也发挥着重要的作用，如，离心泵、涡轮钻具等[7]。为能特性，本文将以石油钻井领域涡轮钻具的动力元件研究。

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图 1-2 涡轮钻具结构图Fig. 1-2 Turbodrill structure图 1-3 涡轮定转子结构图Fig. 1-3 Turbine stator structure期以来，涡轮钻具一直受到推广应用，以前苏联为例，一要钻井工具，钻井总尺数达 80%以上[16]。钻井方式主要是但过去由于涡轮钻具转速高、牙轮钻头寿命短等导致钻井制约缺点的限制，使得涡轮钻具的进一步推广应用受到

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图 1-3 涡轮定转子结构图Fig. 1-3 Turbine stator structure，涡轮钻具一直受到推广应用，以前苏联工具，钻井总尺数达 80%以上[16]。钻井方式由于涡轮钻具转速高、牙轮钻头寿命短等点的限制，使得涡轮钻具的进一步推广应转速、低钻压的 PDC 钻头，以及能匹配高功研发并获得了良好的使用效果，以及涡轮钻具将在地质钻探、石油钻井以及地热钻出现了一种新的钻井技术方式并得到了迅模式属国际前沿高端钻井技术[17]。与常规自动化、低成本、安全环保等明显优势[18-高要求，即钻具尺寸小、转速高、效率高

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