0 引言
涡轮钻具是一种重要的井下动力钻具,适用于高温高压环境的深井和超深井作业。现有涡轮钻具的主轴转速较高,带动钻头钻进时,其行程进尺要比转盘钻井时少得多。在深井钻井中,大部分时间花费在起、下钻操作上,钻头进尺少,这对钻井速度十分不利[1-3]。目前,涡轮钻具可以配合行星齿轮减速器来降低转速,但齿轮减速器的结构复杂[4],在高温高压环境下可靠性较低。水力减速级涡轮结构简单,能够适应复杂工况。在涡轮钻具中装入一定数量的水力减速级涡轮可以显著降低涡轮轴的空转转速及工作转速[5]。目前对水力减速级涡轮的研究较少,有必要对水力减速级涡轮的水力性能进行研究。水力减速级涡轮的性能受多种因素影响,其中叶片数的影响较大[6]。笔者通过数值模拟,研究了定转子叶片数对水力减速级涡轮水力性能的影响,所得结论对水力减速级涡轮的设计具有参考价值,为提高涡轮钻具的性能提供了依据。
1 计算模型及边界条件笔者研究的水力减速级涡轮定转子叶片为线投影设计[7]。定子叶片数保持不变,转子叶片数Z分别取21、24、27、30、33和36,建立不同叶片数的三维定转子模型。在15 L/s的流量下,对转速从0增加到2 100 r/min的定转子叶片水力性能进行数值模拟。
数值计算采用NUMECA软件包,应用有限体积法求解圆柱坐标系下三维定常Navier-Stokes方程组,采用Spalart-Allmaras湍流模型。S-A模型是随时空演化的单方程涡粘系数模型,模型的前提是Boussiness假设,认为局部雷诺应力张量通过湍流运动粘性系数与平均速度梯度成正比。S-A模型对边界层计算效果较好,可用于存在流动分离区的计算,且S-A模型方程数较少,计算速度更快[8-11]。
计算网格使用NUMECA软件包中的AUTO-GRID模块,自动生成H-O-H型网格[12]。为了减小计算过程中因计算域入口与出口的位置对涡轮内部流场的影响,笔者将计算域的入口与出口适当向外做了延长[13],进口采用均匀入流条件,给定流体速度大小及方向,出口给定静压。
2 CFD计算结果及分析 2.1 水力性能分析叶片数的改变直接影响流道的宽窄,对介质的流动起着较大影响。叶片数对水力减速级涡轮的扭矩、压降及轴向力性能曲线都有影响。合理选择叶片数能够有效提高水力减速级涡轮的水力性能。
不同叶片数时单级水力减速级涡轮的制动扭矩、压降及转子轴向力随转速变化曲线如图 1、图 2和图 3所示。从图可以看出:不同叶片数时,水力减速级涡轮的制动扭矩随转速的增加而增大,压降随转速的增加而降低,转子轴向力随转速的增加而减小。叶片数的变化不会改变水力减速级涡轮各项性能参数随转速的变化规律。
分析图 1可知:在低转速下,叶片数的变化对扭矩的影响较小;当转速超过600 r/min时,在同一转速下,制动扭矩随着叶片数的增加呈现先增大后减小的趋势。图 4为转速1 500 r/min时制动扭矩随叶片数变化曲线。从图可以看出:在叶片数从21增加到36的过程中,叶片数为30时,制动扭矩达到最大,相对于其他叶片数单级制动扭矩分别增加了26.1%、18.4%、11.0%、8.9%和24.7%。
由图 2可知:低转速时,在同一转速下,压降随着叶片数的增加而增大;当转速超过600 r/min时,在同一转速条件下,压降随着叶片数的增加呈现先降低后增加的趋势。图 5为转速1 500 r/min时压降随叶片数变化曲线。由图可知:在叶片数从21增加到36的过程中,叶片数为30时压降最低。
分析图 3可知:转速低于600 r/min时,在同一转速条件下,转子轴向力随着叶片数的增加而增大;当转速超过600 r/min时,在同一转速条件下,随着叶片数的增加,轴向力先减小后增大。图 6为转速1 500 r/min时转子轴向力随叶片数变化曲线,从图可以看出:在叶片数从21增加到36的过程中,叶片数为30时转子轴向力最小。
产生上述现象的原因在于:低转速情况下,叶片间二次流未充分发展,随着叶片数增加,转子做功面积增大,叶片摩擦损失增加,压降随叶片数增加而增加,转子轴向力随叶片数增加而增加。高转速情况下,叶片数较少时,叶片间二次流得到发展造成能量损失。叶片数的增加能够抑制二次流的发展,但叶片数过多增强了堵塞效应,有效过流面积减小,排挤作用加强,能量损失增加,压降随叶片数的增加先降低后增大,转子轴向力先减小后增大。
图 7为某型号涡轮钻具100级涡轮级定转子配合50级水力减速级定转子,叶片数为30的水力减速级扭矩随转速变化对比曲线。从图可以看出:100级涡轮级定转子的空转转速约为3 900 r/min,加上50级制动级定转子后,空转转速降低到2 700 r/min左右,其空转转速降低约30%,降速效果明显,且优于其他叶片数的水力减速级涡轮降速效果,如图 8所示。通过增加水力减速级涡轮,有效降低了涡轮的空转转速,提高了涡轮钻具的过载能力。
2.2 流场分析
不同叶片数的转子流道压力变化云图如图 9所示。在叶片数较少时,流道宽度较大,流道内低压区域大,从而给了二次流充分发展的机会,而二次流的发展会导致能量损失增加。随着叶片数的增加,流道间低压区域面积减小。当叶片数增加到一定数量时,叶片吸力面的压力分布变得不均匀,这说明叶片增多和流道变窄导致排挤作用增强,进而造成内部水力能量损失增加[14]。
图 10给出了不同叶片数的转子流道径向速度分布云图。从图可以看出:叶片数较少时,二次流充分发展,水力能量损失较大,随着叶片数的增加,二次流的发展得到有效抑制。
3 结论
(1) 在高转速下,随着叶片数的增加,水力减速级涡轮的制动扭矩呈先增大后减小的趋势,轴向力呈先减小后增大的趋势,压降呈先降低后增加趋势。当叶片数为30时,扭矩、轴向力及压降等水力性能达到最优。
(2) 某型号涡轮钻具100级涡轮级定转子配合50级水力减速级定转子,能够有效降低涡轮钻具的工作转速和空转转速。在叶片数为30时,降速效果最优,使空转转速从3 900 r/min左右降到2 700 r/min左右,大大提高了涡轮钻具的过载能力。
(3) 随着叶片数的增加,流道间低压区域面积减小,二次流的发展得到有效抑制。当叶片数增加到一定数量时,叶片吸力面的压力分布变得不均匀,这说明叶片增加和流道变窄导致排挤现象比较严重,造成了能量损失的增加。因此,在水力减速级涡轮设计时需要优选叶片数,以提高水力减速级涡轮的性能。
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