油井作业发电机的涡轮设计及数值模拟测试

油井作业发电机的涡轮设计及数值模拟测试

李春玲 张晓军

西安航空职业技术学院

叶栅型涡轮设计以其研制周期短、研制费用低等优点被广泛地采用。这种涡轮是建立在一元流的涡轮机械理论基础之上的新型设计，不仅方便使用计算机进行造型，也可以很好地进行三维的模型数值模拟。使用正确的软件（如CFD）对叶栅型的涡轮机械性能预测也比较准确且简便。这种设计基本可以满足目前的井下发电涡轮的机械要求，且对于实践有非常重要的指导意义。

发电机；涡轮；设计方法；测试；参数

我国油田钻探作业中，对于深层油气的采集有一个难以逾越的鸿沟——高陡构造的地层的防斜打快。随着科技的进步，这一难题逐渐被攻克，事实证明如今的一些智能工具，如果操作得当的话，可以快速的、高质量的完成复杂地质条件下的开采、钻探工作。如今，这些新型工具已经不再是传统的单纯信号传输或者建议的参数测量，而是将测量数值—有效传输—集成控制合为一体，成为巨型集成系统组件。这样的智能工具虽然工作方便，但是有一个显而易见的缺点，就是电损耗高。这种损耗已经超出了普通电池的供电能力，也就是说在普通电池的供电下，工作时间得不到保证，工作效率也比较低。在这种背景下，出现了使用井下涡轮发电机配合电池组的供电输出方式。这种组合的优势在于，只要井下的泥浆处于安全、常规的循环，那么通过机械能和电能的转化，井下的涡轮发电机就可以源源不断地提供电能，持久地进行工作，此时就可以保持电池组的被叫，进行充电或者是待命。

一般情况下，要使井下涡轮发电机供电高效化，必须让发电机的轴功率能够满足实际的工作流量，这就要求涡轮的设计能够随着科技进步不断进行技术革新，满足更高的实际应用要求。在众多学者进行科研后，叶栅型的涡轮设计以其研制周期短、研制费用低等优点被广泛地采用。这种涡轮是建立在一元流的涡轮机械理论基础之上的新型设计，不仅方便使用计算机进行造型，也可以很好地进行三维的模型数值模拟。使用正确的软件（如CFD）对于叶栅型的涡轮机械性能预测也比较准确且简便。这种设计基本可以满足目前的井下发电涡轮的机械要求，且对于实践有非常重要的指导意义。

1 常见的涡轮型式

井下发电机要通过涡轮的作用进行机械能和电能的转换及能量传递。一般情况下，涡轮有定子型和转子型之分，主要就是看涡轮本身是不是具有转动的能力，定子可以改变泥浆或者石油的流动方向，转子可以将能量进行转化。常见涡轮型式见图1。

图1 常见涡轮型式

由于油田井下相对来说空间限制较多，对涡轮的直径来说是越小越好，为了能够在小涡轮的情况下获得最大的动力，可以选择多级式涡轮。轴流式涡轮、叶栅式涡轮及螺旋式涡轮，都是非常好的选择。在实际的工作中，可以根据不同的具体工作选择不同类型的涡轮，以达到最优效果。

2 设计方法

假设发电机可以达到800 W的理论输出值，令涡轮达到一个较稳定的1280r/min的稳定转速，如果电磁的转化效率可以达到0.79以上，机械效率大于1的话，按照公式可以推算出：涡轮的扭矩在理论情况下可以达到5.96 N·m；实际上涡轮可以保证1 000 W的功率的输出；涡轮的输出扭矩在7.45～7.47 N·m之间。

根据伯努利方程和有关数学方程的计算，对于厚度相等、螺距相等及螺旋角相等的叶片参数计算，证明中弧线法设计的叶片相对轮廓更为清晰，且运转的功效性最强。这种叶片的直线段部分流体对于叶片壁的冲击覆盖面更大，圆弧的部分又有利于泥浆或者液体在缓冲之后释放流体动能。为了进一步地减轻涡轮叶片的重量，达到轻巧简便的要求，根据叶片的相关数据计算情况，进口处的叶片数量要增三分之一，出口仍旧保持不变；大量圆弧设计的采用使得流体的能量可以被充分吸收，叶片的缓冲作用也可以充分实现。

假设Y轴方向和进口之间的夹角为a，X轴和水平方向的夹角为b，整个圆的弧半径是R，设立一个模型的主体，详细参数见表1。

表1 涡轮模型设计参数

根据表1的数据就可以完成简要的涡轮设计，建立队形的挡轮和简要的模型，在建立模型的过程中，其他问题也可参考上述的计算方法，并配合模型进行解决。

3 数值模拟测试

测试的方法主要有试验法和数值模拟法两种。试验法较为直观，就是构建试验条件，通过测量涡轮在试验条件下的各项指标（如压降、转速、流量等），检验理论计算的各项输出值。由于试验法所存在的种种缺陷，使得涡轮试验多为一种验证性质的试验，主要用于检验理论设计或者测试理论结构所带来的参数准确值。

另一种方法是数值模拟法，即CFD（计算流体动力学，是目前主力的一门边缘学科），它有几个组合部分：计算机科学技术、数值数学技术及近代流体力学技术。这种技术主要依托的是现代计算机强大的模拟能力和计算能力，只要设计出正确的运算模式，符合基本的物理、数学定理，即使没有实际的实验构架台也可以进行快速高效的运算，节省了大量的人力物力。目前的工程技术中也大量采用了这一方法，市场上也有很多这类的商业软件，如ANSYS CFX等。

对于发电机的具体工作，根据前期理论测算的各项数值，进行了实体的模拟测试。通过改变不同的流量数值，就可以试验出后续的转速、输出功率、相电压等。为了减少误差，采取了多次测量、反复试验的方法。

（栏目主持 张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.031