维普资讯 http://www.cqvip.com
制造业信息化 ＣＦＤ在涡轮钻具机械性能预测分析中的应用 刘孝光，高莉，潘培道 （池州师范专科学校机电工程系，安徽池州２４７０００） 摘要：文中采用实体建模、ＣＦＤ前置处理器等工具真实、；隹确地建立涡轮定、转子单周期跨叶片流道计算模型，应用 ＣＦＤ（计算流体动力学）技术研究分析了其在不同转速下的内流场。对模拟出的涡轮叶栅内流场，重点分析了转子叶片 表面压力场的分布情况，并将模拟结果与十级涡轮台架的实验数据进行了对比，证明了应用ＣＦＤ技术对涡轮钻具叶栅 内流场模拟分析的有效性，为涡轮钻具机械性能预测分析提供了一种有力的技术手段。 关键词：涡轮钻具；内流场；ＣＦＤ模拟；机械性能预测 中图分类号－ＴＥ９２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—２３３３（２００６）１２—００８９—０３ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｄｒｉｌｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＦＤ ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ｇｕａｎｇ， ＧＡＯ Ｌｉ， ＰＡＮ Ｐｅｉ－ｄａｏ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｍ＂ｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｚｈｏｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＣｈｉＺｈｏｕ ２４７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＣＦＤ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｆｌｏｗ—ｐａｔｈ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｄｒｉｌｌ ｉＳ ｓｅｔ ｕｐ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｂｙ ｍｏｄｅｌ ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉＳ ｓｔｕｄｉｅｄ １）ｖ ＣＦＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉＳ ｍａｊｏｒｌｙ ａｎａｌｖｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ．Ｉｔ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＣＦＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｖａｌｉｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｄｒｉｌ１．Ｓｏ ｉｔ ｓｈｏｕｌｄ ｏｆｆｅｒ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅａｎｓ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｅｔｉｎｇ ｍｅｅｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｅｅ ｏｆ ｔｕｒｂｉＨｅ ｄｒｉｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕ ｒｂｉｎｅ ｄｌ’ｉｌｌ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌ前言 中一个包含定、转子叶片的流道进行内流场计算分析。因 此，进行ＣＦＤ分析前，首先需建立跨叶片的计算模型：准 确建立计算模型是保证流场模拟准确性的前提，本文结 合几种建模软件的优点，很好地解决了计算模型必须真 实反映涡轮叶栅流道的问题： ２．，创建涡轮定、转子叶片实体模型 涡轮钻具是一种Ｊ 泛使用的井下动力钻具之一，它 呵以大幅度提高钻蚌质量和速度，缩短建井周期，降低钻 井成本，这也是近年来同内外涡轮钻井技术蓬勃发展的 主要原囚一 涡轮钻具的机械性能主要取决于涡轮叶栅的水力性 能：研究涡轮叶栅的水力性能，主要是考察跨叶片流道内 的速度场和压力场的分布对涡轮钻具机械性能的影响： 涡轮定转子内缘和外缘都是圆柱面（如图１），为了保 证流场模拟的准确性，必须真实、准确地生成三维的涡轮 定、转子叶片实体模型，首先将涡轮叶片在ＡｕｔｏＣＡＤ下的 平面图导入实体造型软件，创建三维定、转子平面叶片实 体模型（图２）。用内缘半径生成实心圆柱体，对叶片实体进 行除料布尔运算；以外缘半径为内圆柱面的半径，生成空 涡轮钻具机械性能是涡轮叶栅水力性能的总体体现，通 过实验测量得到，一般称为外特性：外特性与跨叶片流道 内的速度场和压力场分布密切相关，通常将跨叶片流道 的速度场和压力场分布称为内特性，内特性决定外特性： 因此，研究涡轮跨叶片流道的内流场以及叶型对流场的 影响，对涡轮钻具的性能预测分析、改进叶型设计、提高 叶型的水力性能具有重要的指导意义： 心圆柱体，对叶片实体进行除料布尔运算。通过上述工作， 得到真实、准确的涡轮定、转子叶片实体模型（图３）： ２计算模型的建立 涡轮钻具所用涡轮为 轴流式涡轮，常用涡轮定、 转子叶片的截面形状沿径 向方向不变，单副涡轮结 构如图１所示： 南于涡轮叶栅之问的 流道都是相同的，通常假 ２．２建立跨叶片的ＣＦＤ模型 设流体在各叶栅之问的流动为周期相似。在ＣＦＤ（计算流 体动力学）数值计算过程中，应用周期性边界条件，对其 ＣＦＤ的建模软件，一般包含全面的几何建模能力，既 可以直接建立点、线、面、体等几何模型，也可以从Ｐｒｏ／Ｅ、 机械工程师２００６年第１２期 ８９ 维普资讯 http://www.cqvip.com
制造业信息化 ＵＧＩＩ、ＩＤＥＡＳ、ＣＡＴＩＡ、ＳＯＬＩＤＷ０ＲＫＳ、ＡＮＳＹＳ、ＰＡＴＲＡＮ 项；ｖ和Ａ分别为水的运动粘度系数和西的分子扩散系数。 本文计算中，研究对象为优化设计后的西ｌ１５轴流式叶 质为２５℃的清水。考虑到容积损失的影响，近似取容积效率 为０．８ ，故ＣＦＤ模拟所使用流量Ｑ＝０．８ｘｌ８＝１４．４ Ｕｓ。对 等主流的ＣＡＤ／ＣＡＥ系统导入几何和网格。且其网格生成 口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了 极大的方便。 过程具有很强的自动化能力，与ＣＡＤ软件之间的直接接 栅涡轮。在十级涡轮台架测试中，工作流量为１８ＩＪｓ，工作介 ５轴流式平面叶栅涡轮进行ＣＦＤ分析计算时，计算转速 将生成的真实叶片模型如图３所示，导入到某ＣＦＤ 西ｌ１软件前置处理器中，创建单周期涡轮定、转子跨叶片流道 ｎ为某一定值时的收敛解。通过改变转速，得到不同转速下 计算模型。为了使流场计算能够得到稳定解，需要把定子 的收敛解，直到输出扭矩接近于零为止。几种不同转速下的 定子进 口边界 的入口处和转子出口 转子叶片表面压强计算结果如图５～图７所示。 处分别向上游和下游 定子周 延伸一定距离，本文延 期边界 定子周 伸距离取为３倍叶片 期边界 长度 ：。然后对生成的 定转子 定子叶 结合面 片边界 单周期涡轮定、转子跨 转子周 叶片流道计算模型进 期边界 行网格划分。在网格划 筋 分时，对叶片附近区域 转子周 翳 的网格进行了合理的 细划、加密，以提高求 解准确性。ＣＦＤ模拟 图４跨叶片流道的ＣＦＤ模型 计算模型如图４所示。 ３边界条件 在ＣＦＤ求解过程中，转子旋转方向为，，轴负方向， 涉及到的边界条件有：无滑移壁面边界、周期边界、进出 口边界等（见图４）。根据实验情况，定子进口边界条件取 为速度进口，速度为轴向平均流速；转子出口边界条件取 为压力出口，结合实验情况，取转子出口为一个标准大气 压；定、转子的周期边界定义为ｐｅｒｉｏｄｉｃ类型；对于定子 出口与转子进口结合处，由于转子绕轴旋转，涡轮内流场 计算涉及到定子和转子的相互作用，定、转子结合面定义 为ｆｒｏｚｅｎ ｒｏｔｏｒ；计算过程中定、转子叶片表面及定、转子 的内缘和外缘均定义为无滑移壁面边界。湍流模型采用 工程中广泛应用的ｋ－ｅ模型，湍流强度定义为ｍｅｄｉｕｍ。 ４ ＣＦＤ计算结果及分析 用ＣＦＤ方法进行流场计算时，均采用时均流方程来 精确描述时均流中的各物理量对空间的分布和随时间的 演化，构成场方法（即欧拉法）的基础。时均流方程本源于 质量、动量、热能和物质浓度的守恒定律。对于不可压缩 流体，这些守恒定律的张量表达式如式（１）～式（３）。 质量守恒（连续性方程）： 盟：０ （１） 动量守恒（Ｎａｖｉｅ—Ｓｔｏｋｅｓ方程）： 等 鲁： ＋ｖ岳＋ｇｉ （２） 热能和物质浓度守恒： ：ａｔ ｉ ａｘ Ａ ａｘａｘｌ （３） 式（１）一（３）中， 是 方向的瞬时速度分量；ＪＰ是瞬时静水压 力；西是某种标量，可表示温度７１或物质浓度Ｃ；ｓ 是体积源 ９０ 机械工程师２００６年第１２期 三 旋转轴Ｙ／ｍｍ ●压力面 ▲吸力面 （ａ）叶片表面等压线图 （ｂ）中截面上叶片表面压强沿 轴向变化曲线 图５转速为８００ｒ／ｍｉｎ时转子叶片表面压强分布 （×ｌ ０５） 《 Ｉ＝＝： ． ． ． ．． ． ／ ． ． …一 三 旋转轴Ｙ／ｍｍ ●压力面▲吸力面 （ａ）叶片表面等压线图 （ｂ）中截面上叶片表面压强沿 轴向变化曲线 图６转速为２４００ｒ／ａｒｉｎ时转子叶片表面压强分布 旋转轴Ｙ／ｍｍ ●压力面 ▲吸力面 （ａ）叶片表面等压线图 （ｂ）中截面上叶片表面压强沿 轴向变化曲线 图７转速为４０００ｒ／ｍｉｎ时转子叶片表面压强分布 由图５（ａ）可知，叶片表面压力沿径向基本无变化。从 图５（ｂ）可以看出，从前缘到尾缘，压力面上的压力逐渐降 低，而吸力面上压力下降缓慢，吸力面的前缘及尾缘处压 力较低。当转速增加时，由图６（ａ）发现，叶片表面压力沿 径向变化不大，压力面上的压力有所降低，吸力面上靠近 喉部处出现一个低压区。从图６（ｂ）可以看出，吸力面上压 力变化较大，从喉部到尾缘压力逐渐增加，压力面与吸力 维普资讯 http://www.cqvip.com
制造业信息化 面的压力曲线包围面积减小，即对应输出扭矩降低。当转 速进一步增加时，由图７（ａ）发现，叶片表面压力沿径向变 化较大，吸力面上压力增大，喉部附近低压区的面积明显 减小，靠近前缘区域出现高压区；而压力面上的压力明显 降低，靠近前缘区域出现低压区。从图７（ｂ）看出，靠近前 缘区域，吸力面上的压力高于压力面的压力，压力曲线包 围面积大大减小，即对应输出扭矩明显降低。 ５预测扭矩、压降与实验对比 在十级涡轮台架测试中，涡轮的特性参数是在工作 流量ｐ一定的条件下，测量不同转速ｎ下的扭矩 、压降 △ｐ、输出功率Ｊ７ｖ、输入功率Ⅳ＾和效率叼，其中ｎ、Ｔ、△ｐ是 基本特性参数 ２ 。在ＣＦＤ模拟计算中，未考虑机械效率的 问题，实际上轴和轴承之间、轴和机械密封之间、磁粉制 动器等实验测试仪器均不可避免地存在摩擦损失，取机 械效率为０．９ ，依次对预测结果进行修正。考虑容积损 失和机械效率后，修正的预测扭矩、压降和效率与实验对 比如图８、图９、图１０所示。 对比图８、图９和图１０可以看出： 计算结果与实验数据的曲线形状基本一致、曲线走 势基本相似，这一点很好地证明了模拟计算的准确性。 计算结果和实验数据之间也存在差异，主要是实验所得 的压差和扭矩数值偏小，而模拟计算所得的数值较大， 这些差异可能主要由以下原因造成：（１）在模拟中仅计 算了单副涡轮，由单副涡轮的计算结果简单地乘１０，得 到１０级涡轮的压差和扭矩。而在实验时，流体是经上一 级涡轮转子的出口流进入下一级涡轮的定子进口，其定 子进口流速并不像模拟计算中假设的那样垂直于定子 的进口面；（２）文中所用容积效率和机械效率为近似值， 有待实验验证。 ６结论 通过近似考虑机械效率、容积效率的影响，对西ｌ１５ 型涡轮钻具涡轮内流场进行了ＣＦＤ分析，并将模拟结果 与实验数据进行了对比，可以得出以下结论： （１）当涡轮转速增大时，叶片表面压力沿径向由基本 无变化到有明显的变化。压力面的压力变小，吸力面上从 喉部到尾缘压力逐渐增加，压力面与吸力面的压力曲线 包围面积减小，输出扭矩降低； （２）吸力面上靠近喉部处出现一个低压区，随涡轮转 速增大时，低压区域首先由小变大，然后由大变小； （３）模拟特性曲线变化趋势与实验结果基本一致。证 明了应用ｋ－ｓ模型（湍流强度ｍｅｄｉｕｍ）对涡轮流场模拟 是可行的，这对于涡轮动力设备选型具有重要意义。 ［参考文献］ ［１］万邦烈，李继志．石油矿场水力机械［Ｍ］．北京：石油工业出版社， ｌ９９３：ｌ５Ｏ—ｌ５９． ［２ 符达良，许福东，冯进．涡轮钻具四种涡轮叶型的台架试验 Ｊｊ＿ 石油机械，１９９４．２０（１）：１６—２２． ［３ Ｊ江耕华，胡来珞，陈启松．机械传动设计手册（上）［Ｍ］．北京：煤 炭工业出版社，１９９２：５—７． ［４］李增亮，延廷俊，谷玉洪，等．涡轮钻具涡轮中的能量损失分析 ［Ｊ］．石油机械，１９９７（８）：４９—５３， ［５］王建平．计算流体动力学（ＣＦＤ）及其在工程中的应用 Ｊ］．机电 设备，１９９４（５）：３９—４８． ６］金忠青．Ｎ—Ｓ方程的数值解和紊流模型［Ｍ］，南京：河海大学出版 社．１９８７：２３—６６． （编辑黄获） 作者简介：刘孝光（１９７５一），男，讲师，硕士，从事流体机械设计及理论 的教学与科研工作： 收稿日期：２００６—０５—２２ 机械工程９币２００６年第１２期；９１
