莫麗， 劉蕓宏， 馬箏

(1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 401120)

隨著油氣開(kāi)采技術(shù)的提高，氮?dú)庾鳂I(yè)因具有安全性高、密度小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于鉆井、洗井、沖砂、天然氣輸送等環(huán)節(jié)[1-2].液氮泵車作為油田氮?dú)庾鳂I(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，朝著大排量方向發(fā)展的趨勢(shì)明顯.余熱回收式液氮泵車上的液氮通過(guò)吸收柴油機(jī)尾氣、散熱器的部分余熱轉(zhuǎn)化為氮?dú)廨敵鲎鳂I(yè)[3].熱能發(fā)生器是控制液氮泵車余熱回收熱量穩(wěn)定的關(guān)鍵設(shè)備，產(chǎn)生的力矩作為負(fù)載對(duì)柴油機(jī)加載，避免柴油機(jī)實(shí)際工作中輸出的熱量隨工作機(jī)負(fù)載變化，導(dǎo)致氮?dú)馀帕坎环€(wěn)定.針對(duì)現(xiàn)有余熱回收式液氮泵車氮?dú)馀帕枯^小的問(wèn)題，對(duì)熱能發(fā)生器的葉片進(jìn)行葉型優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律研究.通過(guò)改善熱能發(fā)生器的水力性能，增大力矩，一方面增大柴油機(jī)負(fù)載，另一方面產(chǎn)生更多的內(nèi)能.

改造葉型是提高葉輪機(jī)械水力性能的重要方法.閆清東等[4]將雙循環(huán)圓液力緩速器的直葉片改為相切圓弧葉型彎葉片，并用數(shù)值模擬方法證明了基于相切圓弧葉型設(shè)計(jì)法建立的彎葉片產(chǎn)生的制動(dòng)力矩比直葉片范圍更廣.程煬等[5]研究了葉片角度對(duì)采用肘形流道的軸流泵裝置特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同的葉型對(duì)軸流泵裝置能量分布有重要影響.童軍杰等[6]分析了雙通道海流能發(fā)電裝置葉輪的直葉片、前向彎型葉片和后向彎型葉片在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度下對(duì)通過(guò)設(shè)備通道的海水流量和設(shè)備的葉輪旋轉(zhuǎn)速度等的影響，指出彎葉片的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和通道流量均大于直葉片的.因此，為了提高余熱回收系統(tǒng)的效率，對(duì)其葉型進(jìn)行改造具有重要意義.

NACA翼型是美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)提出的用于機(jī)翼形狀的設(shè)計(jì)[7-8]，后被應(yīng)用于葉輪機(jī)械和螺旋槳葉片的設(shè)計(jì)中[9-10].王安麟等[11]將NACA翼型用于液力變矩器的葉片厚度設(shè)計(jì)，改變?nèi)~型后的液力變矩器效率及能容均提高.SOMOANO等[12]對(duì)直葉橫流式渦輪機(jī)(CFT)轉(zhuǎn)子進(jìn)行研究，使用的CFT模型基于對(duì)稱的NACA0015輪廓，并確定翼弦與轉(zhuǎn)子的最佳直徑比為0.16.

文中將NACA翼型引入熱能發(fā)生器的葉型設(shè)計(jì)工作中，NACA翼型分為對(duì)稱翼型和有彎度翼型.將NACA0012，NACA2412，NACA4412，NACA6412等4種相對(duì)彎度不同的翼型作為熱能發(fā)生器的葉型，并與等厚直葉片的水力性能進(jìn)行對(duì)比，然后研究其在不同的轉(zhuǎn)速、葉片傾角及葉片數(shù)匹配下性能變化規(guī)律.

1 熱能發(fā)生器工作原理

熱能發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.熱能發(fā)生器的轉(zhuǎn)子與柴油機(jī)的輸出軸相聯(lián)，填充在轉(zhuǎn)子工作腔內(nèi)的液體被轉(zhuǎn)子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn).轉(zhuǎn)子工作腔中的液體受到離心力的作用沿著葉片流向左、右定子，對(duì)定子葉片產(chǎn)生沖擊力，定子又對(duì)液體產(chǎn)生阻力，反作用轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生阻力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的加載，促使柴油機(jī)排出熱氣，吸收的機(jī)械功最終轉(zhuǎn)化為熱能.

圖1 熱能發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能發(fā)生器液體動(dòng)能，導(dǎo)致液體動(dòng)量矩增大.動(dòng)量矩方程是葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù).液流在轉(zhuǎn)子出入口的動(dòng)量矩如圖2所示，根據(jù)單元流動(dòng)理論，忽略葉輪出口處液流偏離的影響，即葉片出口處的液流角等于葉片的出口結(jié)構(gòu)角.

圖2 液流在轉(zhuǎn)子葉片出入口的動(dòng)量矩

根據(jù)動(dòng)力矩定理，力矩計(jì)算公式為

M=ρQ(vuroRro-vuriRri)，

式中：M為轉(zhuǎn)子對(duì)腔體內(nèi)液流作用的力矩；ρ為液體密度；Q為轉(zhuǎn)子液體循環(huán)流量；vuri，vuro分別為液體在轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口和出口的絕對(duì)速度在軸面垂直方向上的圓周分速度；Rri，Rro分別為轉(zhuǎn)子、定子半徑.

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

熱能發(fā)生器的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)分別為定子外徑375 mm，定子內(nèi)徑115 mm，轉(zhuǎn)子外徑306 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑85 mm，轉(zhuǎn)子和定子葉片厚度12 mm，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)14，定子葉片數(shù)12，葉片傾角α=45°，凹坑深度31 mm，轉(zhuǎn)子寬度75 mm，定子寬度38 mm，輸入口直徑12 mm，輸入口數(shù)12. 根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行熱能發(fā)生器的幾何模型創(chuàng)建，不同葉型的定子和轉(zhuǎn)子幾何模型如圖3所示.

圖3 幾何模型

由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立計(jì)算域模型時(shí)簡(jiǎn)化一些倒角、小溝槽等細(xì)小結(jié)構(gòu).熱能發(fā)生器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，僅選擇模型的一半進(jìn)行分析，采用四面體網(wǎng)格劃分模型，如圖4所示.

圖4 網(wǎng)格劃分模型

整體網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm，采用局部加密，最終結(jié)果y+值在70內(nèi)，滿足SST模型的邊界網(wǎng)格要求[13].

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)口和靜壓出口，進(jìn)口流量設(shè)為2.8 kg/s, 出口壓力設(shè)為0.05 MPa，額定轉(zhuǎn)速設(shè)為3 000 r/min.選擇SST切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，該模型能有效捕捉到流場(chǎng)中的細(xì)微渦，適應(yīng)壓力梯度變化，得到的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確.

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了縮短計(jì)算時(shí)間并保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算前對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證.對(duì)等厚直葉片的熱能發(fā)生器進(jìn)行不同網(wǎng)格大小劃分，全局網(wǎng)格設(shè)定為2 mm，并進(jìn)行局部加密，得到4種不同網(wǎng)格數(shù)量的轉(zhuǎn)子力矩.當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)大于757 641時(shí)，轉(zhuǎn)子力矩變化微小，可認(rèn)為選取的網(wǎng)格劃分具有合理性，滿足對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的綜合要求.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同葉型在不同轉(zhuǎn)速下的性能分析

熱能發(fā)生器吸收柴油機(jī)機(jī)械功后最終轉(zhuǎn)化成熱能輸出.湍動(dòng)能耗散率ε表示在分子黏性作用下液體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的能力，湍動(dòng)能耗散率越大，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)越劇烈，液體機(jī)械能更為快速地轉(zhuǎn)化為熱能.

圖5為不同葉型的定子葉片壓力面在額定工況下的湍動(dòng)能耗散率分布，可以看出：不同葉型葉片的湍動(dòng)能耗散率均在進(jìn)口附近具有最大值，向后擴(kuò)散逐漸減?。坏群裰比~片轉(zhuǎn)變?yōu)镹ACA翼型葉片時(shí)，湍動(dòng)能耗散率更大，差值較小，分布更為均勻.

圖5 額定工況下湍動(dòng)能耗散率分布

等厚直葉片轉(zhuǎn)變?yōu)镹ACA翼型葉片，一方面使液體活動(dòng)更劇烈，有更多的液體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，熱能發(fā)生器吸收柴油機(jī)機(jī)械功的能力更強(qiáng)；另一方面，NACA翼型定子葉片受到的沖擊和摩擦更強(qiáng)，液流對(duì)轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生阻力矩將增大，柴油機(jī)負(fù)載增大，釋放更多的熱量.

圖6為不同葉型的熱能發(fā)生器在不同轉(zhuǎn)速下的力矩變化曲線.

圖6 不同轉(zhuǎn)速的熱能發(fā)生器力矩變化曲線

由圖6可以看出：隨著轉(zhuǎn)速增大，熱能發(fā)生器產(chǎn)生的力矩呈拋物線增長(zhǎng)，與理論函數(shù)關(guān)系一致；當(dāng)熱能發(fā)生器由直葉片變?yōu)镹ACA翼型葉片時(shí)，由于出口流道面積增大，液體流動(dòng)性能增強(qiáng)，流速加快，熱能發(fā)生器的力矩也隨之增大，但4種NACA翼型分別作為轉(zhuǎn)子和定子的葉片葉型時(shí)，力矩增加值并不相同；當(dāng)熱能發(fā)生器的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，NACA0012翼型的熱能發(fā)生器的力矩比等厚直葉片的熱能發(fā)生器的力矩增大22.6%，NACA6412翼型的熱能發(fā)生器的力矩比等厚直葉片的熱能發(fā)生器的力矩增大39.6%；當(dāng)熱能發(fā)生器的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，NACA0012翼型的熱能發(fā)生器的力矩比等厚直葉片的熱能發(fā)生器的力矩增大27.8%，NACA6412翼型的熱能發(fā)生器的力矩比等厚直葉片的熱能發(fā)生器的力矩增大39.2%.

在實(shí)際流動(dòng)中，工作輪的葉片具有一定的厚度，葉片數(shù)量有限，導(dǎo)致液體在軸面內(nèi)產(chǎn)生的速度不能均勻分布，加之受到入口處流動(dòng)狀態(tài)的影響，葉片結(jié)構(gòu)角與液流角可能不相同，液流的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)偏離葉片骨線的切線方向.數(shù)值模擬結(jié)果表明NACA翼型有彎度葉片能有效抑制液流角的偏離，加快液體的循環(huán)流動(dòng)速度，使得有彎度NACA翼型葉片的熱能發(fā)生器產(chǎn)生的力矩比對(duì)稱的NACA翼型葉片更大.

3.2 不同葉型在不同傾角下的性能分析

圖7為不同葉型的定子葉片壓力面在傾角α= 35°時(shí)的湍動(dòng)能耗散率分布，可以看出，當(dāng)傾角α=35°時(shí)，液體與葉片的接觸面積更大，NACA0012翼型定子葉片湍動(dòng)能耗散率分布最均勻，內(nèi)部液體流速最快，湍動(dòng)能耗散量最大，產(chǎn)生更大的力矩.這表明在傾角較小時(shí)，選擇對(duì)稱翼型可使熱能發(fā)生器葉片的液流角偏離更小，液體流動(dòng)速度加快.

圖7 葉片傾角為35°時(shí)湍動(dòng)能耗散率分布

圖8為不同葉片傾角α?xí)r熱能發(fā)生器力矩變化曲線,可以看出：隨著傾角增大，等厚直葉片、對(duì)稱翼型NACA0012和彎度較小的NACA2412等3種葉片產(chǎn)生的力矩逐漸減小，力矩最大值在傾角α=35°處獲得；彎度較大的NACA4412翼型和NACA6412翼型2種葉片產(chǎn)生的力矩呈先增大后減小趨勢(shì)，力矩最大值在傾角α=45°處取得.

圖8 不同傾角時(shí)熱能發(fā)生器力矩曲線

綜上所述，當(dāng)葉片傾角較小時(shí)，對(duì)稱翼型更有利于抑制液流角的偏離，液體流動(dòng)速度更快，產(chǎn)生的力矩更大.

3.3 不同葉型在不同葉片數(shù)下的性能分析

圖9為不同葉型的定子葉片壓力面在定子葉片數(shù)Z=11時(shí)的湍動(dòng)能耗散率分布.由圖可以看出，當(dāng)定子葉片數(shù)為11時(shí)，NACA6412翼型的湍動(dòng)能耗散量最大，直葉片的湍動(dòng)能耗散值比圖5定子葉片數(shù)為12時(shí)分布更均勻，差值較小，耗散量更大，表明內(nèi)部液體流動(dòng)速度更快，能產(chǎn)生更大的力矩.

圖9 定子葉片數(shù)量為11時(shí)湍動(dòng)能耗散率分布

圖10為不同葉片數(shù)組合的熱能發(fā)生器力矩變化曲線.

圖10 不同葉片數(shù)組合的熱能發(fā)生器力矩變化曲線

由圖10可以看出，熱能發(fā)生器在轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片不同數(shù)量的組合時(shí)，力矩將發(fā)生改變(轉(zhuǎn)子葉片數(shù)均為14)；當(dāng)熱能發(fā)生器的葉片葉型為等厚直葉片時(shí)，隨著定子葉片數(shù)量的增大，產(chǎn)生的力矩先增大后減小，定子葉片數(shù)為11片時(shí)力矩達(dá)到最大值；對(duì)于NACA翼型葉片，NACA6412翼型葉片的力矩隨著定子葉片數(shù)量的增大而增大，當(dāng)定子葉片數(shù)為12片時(shí)，力矩達(dá)到最大值11 674.3 N·m；NACA0012，NACA2412和NACA4412這3種翼型葉片產(chǎn)生的力矩則先增大后減小，當(dāng)定子葉片數(shù)為11時(shí)，NACA2412和NACA4412這2種翼型葉片產(chǎn)生的力矩達(dá)到最大值；當(dāng)定子葉片數(shù)為10時(shí)，NACA0012翼型葉片產(chǎn)生的力矩達(dá)到最大值.這是因?yàn)槿~片具有一定的厚度，會(huì)占據(jù)一定的工作腔空間，限制了液體的流動(dòng)范圍.不同NACA翼型葉片占據(jù)的工作腔空間不同，出口處的液流偏離角不同，而出口處的偏離既會(huì)影響一個(gè)工作輪的能量傳遞，也會(huì)影響液流進(jìn)入下一個(gè)工作輪入口處的液流狀態(tài)，故不同葉型的熱能發(fā)生器達(dá)到力矩最大值時(shí)，所需轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片數(shù)量組合不同.

4 結(jié) 論

1) NACA翼型葉片的液流偏離比等厚直葉片更小，流動(dòng)速度更大，產(chǎn)生的力矩更大，熱能發(fā)生器的效率提高.不同NACA翼型葉片的彎曲程度不同，液流偏離程度不同，流速不同，湍動(dòng)能耗散率不同，產(chǎn)生的力矩不同，在葉片傾角45°時(shí)，有彎度的NACA6412翼型力矩比對(duì)稱型的NACA0012翼型力矩大.

2) 葉片傾角變化造成液體與葉片接觸面積變化，流動(dòng)狀態(tài)改變，液流偏離程度也相應(yīng)變化，引起力矩值改變.當(dāng)葉片傾角從35°逐漸增大到65°時(shí)，NACA0012翼型和NACA2412翼型的葉片力矩逐漸減小，NACA4412翼型和NACA6412翼型的葉片力矩值先增大后減小.選擇對(duì)稱翼型作為熱能發(fā)生器翼型時(shí)，葉片應(yīng)選擇比常規(guī)使用的45°更小的傾角，能獲得更多的能量.選擇有彎度翼型葉片或等厚直葉片時(shí)，45°為最佳葉片傾角.

3) 葉片數(shù)變化會(huì)造成工作腔容積發(fā)生變化，流動(dòng)狀態(tài)改變，液流偏離程度也相應(yīng)變化，引起力矩值改變.當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)不變，定子葉片數(shù)逐漸增大時(shí)，不同葉型的力矩最大值對(duì)應(yīng)的組合不同.對(duì)稱型翼型的NACA0012在定子葉片比轉(zhuǎn)子葉片少4片的情況下力矩最大.對(duì)于NACA2412和NACA4412翼型和等厚直葉片，定子葉片比轉(zhuǎn)子葉片少3片的情況下力矩最大.對(duì)于NACA6412，定子葉片比轉(zhuǎn)子葉片少2片的情況下力矩最大.