CFD在涡轮钻具机械性能预测分析中的应用_图文

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C D在涡轮钻具机械性能预测分析中的应用 F  
刘 孝光 , 高 莉 , 潘 培 道  ( 州 师范 专 科 学 校 机 电工 程 系 , 徽 池 州 2 7 0 ) 池 安 4 0 0 



要 : 中采用 实体 建模 、 F 文 C D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 

C D 计 算流体动 力学 ) F( 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, 明了应用 C D技术对 涡轮 钻具叶栅  证 F
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 ; F C D模拟 ; 机械性能预测  中图分 类号 - E 2  T91 文献标 识码 :   A 文章 编 号 : 0 2 2 3 ( 0 6)2 0 8 — 3 1 0 — 3 3 2 0 1 — 0 9 0 

Pr di to   a y i  fM e h n c l r o man e o   r i e Dr l Ba e   n CFD  e c i n An l s s0   c a i a   Pe f r c   fTu b n   il s d o    
LI X i o uang, G A O  , PAN  i U  a -g   Li  Pe-dao   ( p.o  De t fM" h nc la   e tia  gn e ig, ih u T a h r  o lg , i o   47 0 Chia) a ia  ndElc rc lEn ie rn Chz o   e c e sC le e ChZh u2 0 0, n  

Ab t a t h   D mo e  t  n   i ge p ro i  o p t  ft r i e d i   S s tu   c u a e y b   d lt o s Th   s r c :T e CF   d l wih o e s n l  e i d c f w— a h o  u b n   rl i  e   p a c r t l  y mo e  o l . e l l i t r a  o fed i  t d e  )  D e h o o y u d rd f r n   o a i n l p e . e p e s r  n r tr b a e s ra e i  n e n lf w i l  S su id 1 CF t c n l g   n e   i e e tr t to a  e d Th   r s u e o   o o   l d   u c  S l v s f

m jr   n l e c odn oteSmuainrs l . n  o ae h i uainrsl   i  h x ei na aa I aol a av da cr igt h i lt  eut a dc mp rdtesm lt  eut w t teep r y z   o s o s h me tl t. t d  
h s p o e   h t h   D t c n lg   s v ld f r t e smu a i n o  u b n   rl S  ts o l  fe     to g t c n lg c l a   r v n t a  e CF   e h o o y i  a i  o   h   i l to   ft r i e d i1 o i h u d o ra sr n  e h o o i a  t .   me n  o   r d e i g me h n c lp ro ma e   ft r i e d i . a s f rp e i t   e a i a  e f r n e o  u b H   rl  n 1 Ke   r s u b n   ll ;i t r a  o  i l y wo d :t   i e d ’ l n e n lf w f d;CF   i l to r i l e D s mu a i n;p e i t n f rme h n c lp ro ma c   r d c i  o   c a i a  e r n e o f

l 前

言 

中一个 包 含定 、 子 叶 片的流 道进 行 内流 场计算 分 析 。   转 因 此, 进行 C D分 析前 , F 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 , 短 建 井周 期 , 缩 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 : 究 涡轮 叶栅 的水 力性能 , 研 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( 图 1, 如 )为了保  证 流场 模 拟 的 准确 性 , 须真 实 、 必 准确 地生 成 三维 的涡轮  定 、 子 叶片实 体模 型 , 将涡 轮 叶片 在 A t A 转 首先 u C D下 的 o   平 面 图导 入 实体 造 型软 件 , 建 三维 定 、 子 平 面叶 片实  创 转 体 模型 ( 2 。 内缘 半径 生成 实心 圆柱 体 , 图 )用 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 , 成空  生

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 , 般称 为 外特性 : 特性 与跨 叶片流 道  一 外

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 , 涡 轮钻 具 的性 能 预 测 分 析 、 对 改进 叶型 设 计 、 高  提 叶型 的水 力性 能具 有 重要 的指 导 意义 :  

心 圆柱 体 , 叶 片实体进 行除料 布尔 运算 。 对 通过 上述 工作 ,   得 到真实 、 确的 涡轮定 、 子叶 片实体模 型 ( 3 : 准 转 图 )  

2 计 算模 型 的建 立 
涡轮 钻 具 所 用 涡轮 为 

轴 流 式 涡轮 , 用涡 轮 定 、 常   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 
22 建 立跨 叶片 的 C D模 型  . F

设流 体 在各 叶栅 之 问 的流动 为周 期相 似 。 C D 计 算 流  在 F( 体 动 力学 ) 数值 计 算 过 程 中 , 用 周期 性 边 界 条 件 , 其  应 对

C D的建模 软 件 , 般包 含 全 面 的几何 建 模能 力 , F 一 既 
可 以直接 建 立点 、 、 、 等 几何模 型 , 线 面 体 也可 以从 P o   r/ E、

机械工 程师 20 年 1 期 8   06 第 2   9

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UGI 、DEAS、 II CAT A 、 OL DW 0RKS、 I S I ANSY PATRAN S、  

项 ; 和 A分别为水 的运动粘度系数和 西的分子 扩散系数 。 v   本 文计算 中 , 对象 为优 化设 计后 的 西l5 流式叶  研究 1轴 质 为 2℃的清水 。 5 考虑 到容积 损失的影响 , 近似取 容积效率 
为 08 故 C D模 拟 所使 用流 量 Q 08 l = 44 Us .  , F = .x 8 1 . 。对   

等 主 流 的 C DC E系 统导 入 几何 和 网格 。 其 网格生 成  A /A 且 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 , C D软件 之 间 的直 接 接  栅 涡轮。在十级涡轮 台架测试 中 , 流量为 1I , 与 A 工作 8J 工作介  s

1 轴流式平 面叶栅涡轮进行 C D分析计算 时 , 转速  F 计算 将生 成 的真 实 叶 片模 型如 图 3 示 ,导 入到 某 C D 所 F   西l5

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 , 到不 同转 速下  得 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 
延 伸 一定距 离 , 文延  本 伸 距 离 取 为 3倍 叶 片 

定 子 周 

期边界 

定 子 周  期边 界  定 子 叶  片 边 界  转 子 周  期 边 界 

三  

长度 。然后 对生 成 的  :
定 转 子  结合面 

单 周 期 涡轮 定 、 子跨  转 叶 片 流 道 计 算 模 型 进  行 网格 划分 。 网格划  在 分时 , 叶片 附近 区域  对
() a 叶片表面等 压线 图 
旋 转 轴 Ymm  /
● 压 力 面  ▲ 吸 力 面 

筋 
转子周  翳 

( 中截面上 叶片表面压强沿  b) 轴 向变化 曲线 

的 网格 进 行 了合 理 的  细划 、 密 , 加 以提 高 求 
解 准 确 性 。C D模 拟  F

图 5 转速 为 8 0/ n时转子叶片表面压强分布  0r mi
(×l 5   ) 0

图 4 跨 叶 片 流 道 的 CF 模 型  D

计 算模 型 如图 4 所示 。  

《  

3 边界 条 件 

I=   =:
.  . 

在 C D求 解 过 程 中 ,转子 旋 转方 向为 ,轴 负方 向 , F ,  
  .   . .  . 

/  


.  

.  
一  

涉 及 到 的边 界 条 件 有 : 滑 移壁 面边 界 、 无 周期 边 界 、 出 进   口边 界 等 ( 图 4 。根 据 实验情 况 , 见 ) 定子进 口边 界条件 取  为速 度进 口, 速度 为轴 向平 均 流速 ; 子 出 口边 界 条件 取  转

为压力 出口, 结合实验情况 , 取转子 出口为一个标准大气 
压 ; 、 子 的周 期 边 界 定 义 为 p r dc 型 ; 于 定 子  定 转 ei i 类 o 对 出 口与 转子 进 口结 合 处 , 由于 转子 绕 轴旋 转 , 轮 内流 场  涡 计 算 涉及 到定 子 和转 子 的相 互 作用 , 、 子 结合 面定 义  定 转 为 f znrt ; 算 过 程 中定 、 子 叶片 表 面 及 定 、 子  r e  o 计 o or 转 转 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 , 流强 度定 义为 me im。 - 湍 du  
4 CF 计算 结 果及分 析    D

三  
() a 叶片表面等压线图 

旋转轴 Ym   /m
●压 力 面 ▲吸 力 面 

( 中截面上叶片表面压强沿  b) 轴 向变化曲线 

图 6 转速为 2 0 rri 4 0/ n时转子叶片表面压强分布  a

用 C D方 法 进 行 流场 计 算 时 , F 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 , 成 场方 法 ( 构 即欧拉 法 ) 的基础 。 时均 流方 程 本源 于  质量 、 动量 、 能和 物 质浓 度 的守 恒 定律 。对 于 不 可压 缩  热 流体 , 这些 守恒 定 律的 张量 表达 式 如式 ( )式 ( ) 1~ 3 。   质量 守恒 ( 连续 性方 程 ) :  
盟 :  0 () 1 
( ) 片 表 面 等 压线 图  a叶
旋转轴 Y m   /m
●压 力面  ▲吸 力 面 

() b 中截面上叶片表面压强沿  轴 向变化 曲线 

图 7 转 速 为 4 0 r n时 转 子 叶 片 表面 压 强 分 布  0 0/ mi

动量 守恒 ( a i— tk s 程 ) N ve So e 方 :  

由图 5a可知 , 片表 面压 力沿径 向基 本 无变 化 。 () 叶 从 

等 鲁: + +     v g 岳 i  
热能 和 物质 浓度 守恒 :  


( 低 , 吸 力面上 压 力 下降缓 慢 , 力面 的前 缘 及尾 缘 处压  2 而 )   吸
力较 低 。当转 速增 加 时 , 图 6a 发现 , 由 () 叶片 表面 压 力沿 
() 3 

图 5 b可以看出 , () 从前缘到尾缘 , 压力面上的压力逐渐降 

a  t

ia    x

A  

aa l x x 

径 向变 化不 大 , 力 面上 的 压力 有 所降 低 , 力面 上靠 近  压 吸

从 () 吸 式 ()( ) , 是  方 向的瞬时速 度分量 ; 是瞬 时静水压  喉 部处 出现一 个低 压 区 。 图 6 b 可 以看 出 , 力面 上压  1一3中   J P 力变 化较 大 , 从喉 部 到尾 缘 压力 逐 渐增 加 , 力 面与 吸 力  压 力; 西是某种 标量 , 可表示温度 7或物质浓度 C s 1 ; 是体积 源 

9   机械工程师 20 年第 1 期 0 06 2 

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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 , 片表 面 压力 沿径 向变  () 叶

化 较 大 , 力 面上 压力 增 大 , 部 附近 低 压 区的 面积 明 显  吸 喉 减 小 , 近 前缘 区域 出现 高 压 区 ; 压力 面上 的压 力 明显  靠 而

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 , 力 面上 的压力 高 于压 力 面 的压 力 , 力 曲线 包  吸 压 围面 积大 大减 小 , 即对 应输 出扭 矩 明显 降低 。  
5 预测 扭 矩 、 降与 实验 对 比  压

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 
△ 、 出功 率 J、 入 功 率 Ⅳ^ 效 率 叼, 中 n T △ p输 7输 v 和 其 、 、p是  基本 特性 参数 。 C D模 拟计 算 中 , 虑 机械 效率 的  2在 F   未考 问题 , 际 上 轴 和 轴 承 之 间 、 和 机 械 密封 之 间 、 粉 制  实 轴 磁 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 
比如 图 8 图 9、 1 、 图 0所示 。   对 比 图 8 图 9和图 1 以看 出 : 、 0可  

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  到 1 涡轮 的压差 和 扭 矩 。 0级 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 , 定  其 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 

失和机械效率后 , 修正的预测扭矩 、 压降和效率与实验对  算 了单副涡轮 ,由单副涡轮 的计算结果简单地乘 1 , 0 得 

计算 结 果 与实 验 数 据 的 曲线 形 状 基本 一 致 、 曲线 走  子 进 口流 速 并 不 像模 拟 计 算 中假 设 的那 样 垂 直 于 定 子  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 , 要 是实 验 所 得  主

通 过 近似 考 虑 机 械 效 率 、 积 效 率 的 影 响 , 西 1 容 对 l5   型涡 轮钻 具 涡轮 内流场 进 行 了 C D分 析 , 将 模拟 结 果  F 并
与实验 数 据进 行 了对 比 , 以得 出以下 结论 : 可  

() 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 , 面 上从  吸力 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 , 出扭 矩 降低 ; 输   ( ) 力面 上靠 近喉 部 处 出现 一 个低 压 区 , 涡轮 转  2吸 随 速增 大 时 , 压 区域 首先 由小 变 大 , 低 然后 由 大变小 ;   ( ) 拟 特性 曲线 变 化趋势 与 实验结 果 基本 一致 。 3模 证 

明了应用 k s模型( - 湍流强度 m du 对涡轮流场模拟  eim)
是 可行 的 , 对 于涡 轮动 力设 备选 型具 有重 要 意义 。 这  
[ 参考文献 ]   [ ] 万邦烈 , 志. 油矿场水力机械 [ . 1 李继 石 M] 北京: 石油工业 出版社 ,  
l 9 : 5 —l 9  9 3lO 5 .

[  符 达 良, 2 许福 东, 冯进. 涡轮钻 具四种涡轮 叶型的 台架试 验  j J_  
石 油 机 械 ,9 4 2 ( ) 6 2 . 1 9 .0 1: — 2  1

[  江耕华 , 3J 胡来 珞, 陈启松. 械传动设计 手册( )M] 机 上 [ . 北京 : 煤 
炭 工 业 出 版 社 ,9 25 7 19 :— .  

[ 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 ,9 7 8 : — 3 19 ( ) 9 5 , 4  

[ ] 王建平 . 5 计算流 体动 力学 ( F ) 其在工程 中的应用  ] C D及 J. 机电 
设 备 ,9 4 5) 9 4 . 19 ( : — 8 3  

6] 金忠青. S方程的数值解 和紊流模 型[ , N— M] 南京: 河海大学 出版 
社 .9 72 — 6  18 :3 6 . ( 辑 黄 编 获)  

作者 简介: 刘孝光(9 5 ) 男, 1 7 一 , 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 : 0 6 0 — 2 20 — 5 2 

机械工程9 20 年第1 期 ;91 币 06 2  


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