馮 進(jìn),張慢來,張先勇

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023) *

井下水動力軸流渦輪設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馮 進(jìn),張慢來,張先勇

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)*

通過井下水動力渦輪的設(shè)計(jì)和試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)流道中線決定渦輪設(shè)計(jì)工況的液流平均流動,而不是沿葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向。指出傳統(tǒng)平面葉柵軸流渦輪設(shè)計(jì)方法存在的局限性,并提出了最高效率點(diǎn)的平均液流進(jìn)口方向沿流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向的觀點(diǎn),從而較好地解釋了理論設(shè)計(jì)的機(jī)械性能與實(shí)際機(jī)械性能存在差異的原因。根據(jù)該觀點(diǎn),建議在渦輪葉柵葉型造型設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)檢查流道中線在前、后緣額線處的切線,保證與設(shè)計(jì)液流方向基本相同,以提高渦輪設(shè)計(jì)的正確性和質(zhì)量。對其他同類型的渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

水動力軸流渦輪;結(jié)構(gòu)角;平面葉柵;機(jī)械性能;設(shè)計(jì);試驗(yàn)

在石油工業(yè)中,井下水動力渦輪是典型的平面葉柵軸流渦輪,除常用的渦輪鉆具外,近年來推廣應(yīng)用到井下水力增壓、井下渦輪發(fā)電等方面[1-6]。井下水動力渦輪受鉆井井眼直徑限制和單位軸向長度比能適當(dāng)高的要求,渦輪葉片的徑向長度比較短,葉片的軸向高度也比較小,具有其結(jié)構(gòu)的特殊性。井下水動力渦輪通過葉柵葉片與鉆井液的相互作用,實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。渦輪內(nèi)流體流動是非常復(fù)雜的三維粘性流體湍流流動[7-8],轉(zhuǎn)子葉柵對定子葉柵的相對轉(zhuǎn)動使流體流動具有不穩(wěn)定性,其葉柵內(nèi)流體運(yùn)動規(guī)律還沒有被全面認(rèn)識清楚。因此,井下水動力渦輪的研制必須經(jīng)過理論設(shè)計(jì)→試驗(yàn)→分析→改進(jìn)的重復(fù)循環(huán)過程,才能獲得比較好的渦輪機(jī)械性能。本文通過對一種井下水動力渦輪的設(shè)計(jì)和試驗(yàn),分析理論設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果的差別,說明傳統(tǒng)平面葉柵軸流渦輪設(shè)計(jì)方法存在的局限性,提出最高效率點(diǎn)的平均液流進(jìn)口方向沿流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向的觀點(diǎn)。根據(jù)這一觀點(diǎn),較好地解釋了理論設(shè)計(jì)的機(jī)械性能與實(shí)際機(jī)械性能存在差異的原因,并進(jìn)行修正計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果更接近于試驗(yàn)結(jié)論。

1 井下軸流渦輪設(shè)計(jì)

某井下水力增壓渦輪流道平均過流直徑為?92.5 mm,葉片徑向長度12.5 mm,葉片軸向長度12 mm。在流量30 L/s時(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2 750 r/min,計(jì)算設(shè)計(jì)液流角α1d=29.21°,α2d=90°,β1d=90°,β1d= 29.21°。葉片安裝角αs=βs=48°,葉片數(shù) Z=21,渦輪定轉(zhuǎn)子葉片鏡像對稱。

渦輪葉柵幾何參數(shù)如圖1所示。在渦輪葉柵葉片造型設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)葉片沖角為零,渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口結(jié)構(gòu)角β1k=β1d,出口結(jié)構(gòu)角β2k=β2d-1.5°;渦輪定子葉片進(jìn)口結(jié)構(gòu)角α2k=α2d,出口結(jié)構(gòu)角α2k= α1d-1.5°。葉柵沖前緣半徑r1=1 mm,后緣半徑r2=0.5 mm。壓力面和吸力面型線具有三階連續(xù)導(dǎo)數(shù),曲率相同,喉部后的曲率單調(diào)下降,壓力面曲率的導(dǎo)數(shù)符號不變,壓力面曲率的導(dǎo)數(shù)變化僅一次。流道檢驗(yàn)滿足:

a) 過流通道從進(jìn)口到出口必須連續(xù)地收縮性[9-10]。

b) 喉部直徑:轉(zhuǎn)子α=tsin(β2k-φ2/2),定子α=tsin(α1k-φ2/2)。

c) 折轉(zhuǎn)角σ=5°～15°。

圖1 渦輪轉(zhuǎn)子葉柵幾何參數(shù)

2 井下軸流渦輪試驗(yàn)

2.1 CFD模擬試驗(yàn)

傳統(tǒng)的平面葉柵渦輪設(shè)計(jì)理論用流道中徑圓柱面作為平均流面,用平均流面上葉片骨線作為流線,將復(fù)雜的三維流動簡化為沿葉片骨線的一元流,以葉片骨線為對象建立流體與葉柵葉片的作用關(guān)系[10]。為了考察葉柵通道內(nèi)流體三維流動對葉柵葉片水動力的影響,在一元流設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,用流體動力學(xué)(CFD)分析軟件模擬渦輪的機(jī)械性能[11-12]。CFD模型是全三維的,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖1∶1實(shí)體造型和渦輪定轉(zhuǎn)子裝配關(guān)系虛擬裝配,在實(shí)體造型軟件U G下實(shí)現(xiàn)。然后建模導(dǎo)入FLUENT的前處理軟件GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界定義,最后由FLUENT完成相關(guān)邊界設(shè)置和流體動力學(xué)分析[13]?？紤]實(shí)際工作介質(zhì)為泥漿,模擬流體動力黏度μ=0.1 Pa·s。不考慮機(jī)械效率的影響,CFD模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 渦輪機(jī)械性能的CFD模擬曲線

2.2 臺架試驗(yàn)

在渦輪設(shè)計(jì)圖完成后,需要經(jīng)過開模、精密鑄造和機(jī)械加工,才能得到渦輪產(chǎn)品。在加工過程中,模具精度、材料鑄造性能和精鑄工藝對葉片形狀、尺寸及表面粗糙度的影響是非常大的。因此,CFD模擬結(jié)果與實(shí)際渦輪機(jī)械性能存在程度不同的差異,最終渦輪的機(jī)械性能要經(jīng)過臺架試驗(yàn)測量確定。在清水介質(zhì)下,渦輪的機(jī)械性試驗(yàn)測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 渦輪機(jī)械性能的臺架試驗(yàn)測量曲線

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)工況下進(jìn)出口速度三角形的變化

通過三維CFD模擬和臺架試驗(yàn),由圖2～3均可看出,壓降隨轉(zhuǎn)速增加而下降,最高效率點(diǎn)的轉(zhuǎn)速大于空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的1/2倍,呈現(xiàn)環(huán)流系數(shù)<1的特點(diǎn)[9]。理論設(shè)計(jì)的環(huán)流系數(shù)=1時(shí)渦輪進(jìn)出口速度三角如圖4a,但實(shí)際呈現(xiàn)如圖4b所示的渦輪進(jìn)出口速度三角形,說明液流進(jìn)口方向不是沿葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向。

圖4 設(shè)計(jì)工況下進(jìn)出口速度三角形的差異

3.2 設(shè)計(jì)工況平均液流進(jìn)口方向

流體通過葉列流道時(shí),其能量損失主要包括摩擦能量損失和沖擊能量損失。渦輪機(jī)械試驗(yàn)表明:在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)摩擦能量損失變化不大,而沖擊能量損失變化非常大;在某一渦輪轉(zhuǎn)速下沖擊能量損失最小,偏離這一轉(zhuǎn)速越大沖擊能量損失越大,通常沖擊能量損失最小對應(yīng)于渦輪的最高效率點(diǎn),也是渦輪設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。因此,最高效率點(diǎn)的液流進(jìn)口方向是沿葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向還是沿流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向,傳統(tǒng)渦輪工作理論認(rèn)為流體的平均流動沿葉片骨方向通過葉列流道時(shí)沖擊損失小,與試驗(yàn)結(jié)果相矛盾。通過深入分析葉柵葉片造型設(shè)計(jì)過程,發(fā)現(xiàn)過流通道的流道中線與葉柵進(jìn)口額線不垂直,β1mk=83.707°,如圖5所示。

圖5 葉片骨線和流通道中線

假設(shè)設(shè)計(jì)工況的實(shí)際相對液流角β′1d=β1mk,此時(shí)最高效率點(diǎn)計(jì)算扭矩與CFD模擬值基本相同。因此,最高效率點(diǎn)的實(shí)際液流平均進(jìn)口方向與流道中線在葉柵進(jìn)口額線處的切線一致,流道中線決定實(shí)際設(shè)計(jì)的液流平均流動方向。由于理論設(shè)計(jì)的液流角與實(shí)際設(shè)計(jì)液流角不一致,這是造成機(jī)械性能偏差的原因。由此也說明,在渦輪葉柵葉型造型設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)檢查流道中線在前、后緣額線處的切線,保證與設(shè)計(jì)液流方向基本相同。

4 結(jié)語

通過渦輪設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和分析,發(fā)現(xiàn)流道中線決定渦輪設(shè)計(jì)工況的液流平均流動,而不是沿葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向,指出了傳統(tǒng)渦輪設(shè)計(jì)理論存在的不足。建議在渦輪葉柵葉型造型設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)檢查流道中線在前、后緣額線處的切線,保證與設(shè)計(jì)液流方向基本相同,以提高渦輪設(shè)計(jì)的正確性和質(zhì)量。本文結(jié)論對其他同類型的渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。

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Design and Experimental Study for the Axial Hydrodynamic Turbine of Down Hole

FENGJin,ZHANG Man-lai,ZHANG Xian-yong
(College of Mechanical Engineering,Yangtze University,J ingzhou434023,China)

Through the design and experiment of a water driven axial turbine of down hole,mean flow that in turbine at the design working condition is not directed by the blade inlet structure angle of mean camber line,but by the middle line of flow passage,is found,and the existing problems on the design of axial plane cascade is pointed out.With the opinion,inlet structure angle of mean flow passage deciding the inlet flow with the peak efficiency is put forward,the difference of mechanical performance between the theory and practice is well understood.Furthermore,the tangential directions of flow middle line at both top tips is advised to been checked up to make sure of the right flow direction for design.With the practice data,above conclusion is also shown to be worthwhile for the same kind of turbine design.

axial hydrodynamic turbine;structure angle;plane cascade;mechanical performance; design;experiment

1001-3482(2010)12-0051-03

TE927

A

2010-06-30

馮 進(jìn)(1958-),男,四川崇州人,教授,博士,主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械設(shè)計(jì),E-mail:feng_jincad@126.com。