一种井下发电机涡轮设计与其测试

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2011年5月第33卷第5期JournalofOilandGasTechnology(J．JpI)May．201lVo1．33No．5一种井下发电机的涡轮设计及其测试吕官云，到1峰(中石化胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017)冯进，张先勇(长江大学机械工程学院，湖北荆州434023)[摘要]根据涡轮机械一元流理论设计井下发电机涡轮的叶栅参数，叶片造型设计实现计算辅助设计，对所设计涡轮进行了三维建模和涡轮机械性能的CFD预测，其预测结果与

2、试验基本一致，表明预测结果可作为设计决策的重要依据。在CFD流道建模中，流道模型包含了径向间隙，克服了跨叶片流道模型需要引进容积效率经验系数的局限性，提高了预测涡轮机械特性的准确性。[关键词]轴流涡轮；叶栅设计；叶片造型；CFD模拟；性能试验[中图分类号]TE927[文献标识码]A[文章编号]10o0—9752(2011)05—0152—04我国深层油气钻探面临的主要难题是高陡构造地层的防斜打快，国外实践证明现代井下智能工具能在复杂地质条件下辅助实现快速、高质量钻井_】]。随着相关技术进步，井下智能工具逐步从单纯参数测

3、量和信号传输工具发展成为集测量、传输和控制于一体的井下智能工具，耗电量不断增大，常规电池组供电方式已不能满足长时间井下工作的需要，而电池组和井下涡轮发电机联合供电方式已成为首选方案。在钻井过程中，只要泥浆正常循环，井下涡轮发电机就能持续提供需要的电能，而电池组处于备用或充电状态。井下涡轮发电机供电，一般要求一副涡轮在工作流量范围内必须提供发电机所需轴功率，这对井下涡轮设计提出了更高的要求。为了缩短涡轮研制周期，降低研制费用，笔者在涡轮机械一元流理论基础上进行叶栅叶型设计，借助计算机辅助叶片造型，运用CFD软件对井下涡轮

4、进行了全三维模型数值模拟和机械性能预测，通过不断改进设计，获得满足要求的井下涡轮机械特性。井下涡轮机械性能台架试验表明，试验结果与仿真预测结果基本一致，满足设计要求。1．井下发电机涡轮设计油气井井眼直径较小，井下发电机的涡轮为典型的平面叶栅轴流涡轮。某自动垂直钻井工具要求发电机的涡轮在工作流量30L／s时输出转速1500r／min，对应输出功率大于800W，空转转速不大于2400r／min。显然，该涡轮处于非设计工况工作，也就是设计工况与工作工况不噘一致。1．1液流角设计轮转子进出口速度三角形如图1所示，a和岛、a。和

5、是进、出口液流角，C和C分别是进、出口绝对速度，W和叫分别是进、出口相对速图1涡轮转子进出口速度三角形度，c和“分别是轴向流速和转子流道中径处圆[收稿臼期]2011—02—20[基金项目]国家“863”计划项目(2oo9AAo93501)；中国石油化工集团公司重大攻关项目(JP05011)。[作者简介]吕官云(1955一)，男，1976年大学毕业，高级工程师，现主要从事钻井工程井下工具及仪器的科研工作。学兔兔www.xuetutu.com第33卷第5期吕官云等：一种井下发电机的涡轮设计及其测试周速度。涡轮进、出VI液流

6、角与轴向速度系数、冲击度系数和环流系数存在确定的关系Ⅲ，在涡轮主要几何尺寸确定之后，根据设计参数可计算轴向速度系数为0．779。取冲击度系数等于0．5，环流系数等于1．35，则进出I：1角为t一一33．5570，z一一102．655。。考虑容积效率和机械效率的影响，当工作转速1500r／min时输出功率大于800W，且空转转速为2150r／min，满足设计参数要求。1．2叶栅参数设计由进、出口处的速度三角形可知，液体以绝对速度通过定子，相对速度通过转子，定、转子中液流÷1÷——1—一的平均流速分别为c=i(c-t-c：

7、)和W一÷(+叫)。平均流速度与圆周方向的夹角近似地与叶片厶厶的安装角相符[1]，经计算取整得定子叶片安装角12：==87。，转子叶片安装角pm一57。。叶片弦长b与叶片轴向高度s和叶片安装角有关，叶栅距t与叶片弦长b之比表示叶片的相对叶栅距t。对冲击式涡轮，相对叶栅距t推荐取值范围0．55～0．70；对反作用式涡轮，相对叶栅距t推荐取值范围0．65～1．0_2]。因此，合理选择相对叶栅距后，根据叶片数和叶栅距t与相对叶栅距、叶片安装角、叶片轴向高度和平均流道直径之间的关系，计算得z===31和t一12．313mm。1

8、．3叶片造型设计涡轮转子叶栅主要几何尺寸如图2所示。在涡轮叶栅叶片造型设计中，根据文献E33，涡轮转子叶片进El结构角—，出口结构角一一(1～1．5。)；涡轮定子叶片进口结构角12一p2a，出口结构角a一a一(1～1．5。)；叶片前缘半径r一0．6～lmm，后缘半径r2—0．3～0．6mm；前缘楔角l===10～3O。，后缘楔角≤