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WLB2500井下水力涡轮力学特性台架试验和CFD模拟.doc
WLB2500井下水力涡轮力学特性台架试验及CFD模拟
冯进 张慢来 张先勇
摘要:通过对WLB2500井下水力涡轮的室内试验,得到了涡轮的力学特性曲线,并以此为依据,研究了涡轮的CFD模拟方法,探讨了CFD计算在涡轮设计中的有效性。结果表明,所采用的CFD全流道模型可以解决以往单跨流道模型忽略了容积损失的问题,所预测的涡轮力学性能基本与实际吻合。说明本文采用的计算方法基本合理,可用于井下水力涡轮的设计当中。
主题词:涡轮 力学特性 CFD模拟 容积损失 辅助设计
WLB2500 Turbine Drill
Feng Jin Zhang Manlai Zhang Xianyong
(College of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023)
Abstract With the experimence of turbine, the mechanical performance of WLB2500 turbine is obtained, and the method of CFD simulating the turbien is verified by comparing the related data. The result shows that the existing volumetric loss can been taken into account when the single flow passage model is replaced by the total flow passages model, by which theoretical prediction for the turbine is well in accord with the actual measurement. This proves that the CFD method adopted in the hydrodynamic simulation of turbine is reasonable to been used in the aided design of turbine of..
Keywords Turbine Drill Mechanical Performance CFD Simulation Volumetric Loss Aided Design
水力涡轮的力学特性取决于涡轮的水力性能,提高水力涡轮的水力性能一直是涡轮研究的主要内容。随着钻井技术的发展,涡轮钻井技术应用范围不断扩大,同时对涡轮钻具的机械性能和运行的可靠性提出了更高的要求。但是,井下水力涡轮通过叶栅叶片与钻井液的相互作用来实现能量的转换,流道内液体流动是非常复杂的三维粘性流体的湍流流动,转子叶栅对定子叶栅的相对转动使流体流动具有不稳定性,叶栅内流体运动规律还没有被全面认识清楚。因此,传统设计过程中大多基于叶片无限多无限薄的假设,按照一元流理论进行叶栅叶片设计,这势必造成涡轮设计很大程度上取决于设计者的经验,并重复若干次理论设计→试验→分析→改进的循环过程,才能获得水力学性能比较好的涡轮。为了克服井下涡轮传统设计上的局限性,提高设计的质量和效率,本文在涡轮水力试验的基础上,以CFD软件和输入功率,输出参数有力矩T、转速n和输出功率,其中Q、、T、n为原始测量参数。为了测试所设计的涡轮的性能,采用图1所示的多级涡轮试验台架[1,2],台架本体结构如图2所示。试验过程中,通过磁粉制动器给主轴施加阻力矩,改变主轴转速,测量Q、、T、 n参数,其它相关参数包含输入功率、输出功率和效率由式(1)、(2)和(3)分别计算,其中反映了涡轮将压力能转化为机械能的能力。
(1)
(2)
(3)
1. 磁粉制动器;2. 联轴器;3. 扭矩转速传感器;4. 压力表;5. 台架本体;6. 压力变送器;7. 高压软管;8. 电动调节阀;9. 涡轮流量变送器;10. 手动操作器;11.伺服放大器;12. 流量积算仪;13. 电动指示调节器;14. 阻抗转换器;15. 多级离心泵;16. 水箱;17. 打印机;18. 数据采集板;19. 微机;20. 微机型扭矩仪;21 稳流电源(可调)
图1 涡轮试验台架示意图
1. 左接头;2. 压力表接口;3. 向心短圆柱滚子轴承;4. 外壳;5. 涡轮转子;6. 涡轮定子
7. 衬套;
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