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一种井下发电机的涡轮设计及其测试
学兔兔
石油天然气学报 (江汉石油学院学报) 2011年5月 第33卷 第5期
Journal of Oil and Gas Technology(J.JpI) May.201 l Vo1.33 No.5
一 种井下发电机的涡轮设计及其测试
吕官云,到1 峰 (中石化胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营25701 7)
冯 进,张先勇 (长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)
[摘要]根据涡轮机械一元流理论设计井下发电机涡轮的叶栅参数,叶片造型设计实现计算辅助设计,对
所设计涡轮进行了三维建模和涡轮机械性能的CFD预测,其预测结果与试验基本一致,表明预测结果可
作为设计决策的重要依据。在CFD流道建模中,流道模型包含了径向间隙,克服了跨叶片流道模型需要
引进容积效率经验系数的局限性,提高了预测涡轮机械特性的准确性。
[关键词]轴流涡轮;叶栅设计;叶片造型;CFD模拟;性能试验
[中图分类号]TE927 [文献标识码]A [文章编号]10o0—9752(2011)05—0152—04
我国深层油气钻探面临的主要难题是高陡构造地层的防斜打快,国外实践证明现代井下智能工具能
在复杂地质条件下辅助实现快速、高质量钻井_】]。随着相关技术进步,井下智能工具逐步从单纯参数测
量和信号传输工具发展成为集测量、传输和控制于一体的井下智能工具,耗电量不断增大,常规电池组
供电方式已不能满足长时间井下工作的需要,而电池组和井下涡轮发电机联合供电方式已成为首选方
案。在钻井过程中,只要泥浆正常循环,井下涡轮发电机就能持续提供需要的电能,而电池组处于备用
或充电状态。井下涡轮发电机供电,一般要求一副涡轮在工作流量范围内必须提供发电机所需轴功率,
这对井下涡轮设计提出了更高的要求。为了缩短涡轮研制周期,降低研制费用,笔者在涡轮机械一元流
理论基础上进行叶栅叶型设计,借助计算机辅助叶片造型,运用CFD软件对井下涡轮进行了全三维模
型数值模拟和机械性能预测,通过不断改进设计,获得满足要求的井下涡轮机械特性。井下涡轮机械性
能台架试验表明,试验结果与仿真预测结果基本一致,满足设计要求。
1.井下发电机涡轮设计
油气井井眼直径较小,井下发电机的涡轮为
典型的平面叶栅轴流涡轮。某自动垂直钻井工具
要求发电机的涡轮在工作流量 30L/s时输出转
速 1500r/min,对应输出功率大于 800W,空转
转速不大于 2400r/min。显然,该涡轮处于非设
计工况工作,也就是设计工况与工作工况不 噘
一 致。
1.1 液流角设计
轮转子进出口速度三角形如图1所示,a 和
岛、a。和 是进、出口液流角,C 和C 分别是进、
出口绝对速度,W 和叫 分别是进、出口相对速 图1 涡轮转子进出口速度三角形
度,c 和“分别是轴向流速和转子流道中径处圆
[收稿臼期]2011—02—20
[基金项目]国家 “863”计划项目 (2oo9AAo93501);中国石油化工集团公司重大攻关项目 (JP05011)。
[作者简介]吕官云 (1955一),男,1976年大学毕业,高级工程师,现主要从事钻井工程井下工具及仪器的科研工作。
学兔兔
第 33卷第5期 吕官云等:一种井下发电机的涡轮设计及其测试
周速度。涡轮进、出VI液流角与轴向速度系数、冲击度系数和环流系数存在确定的关系Ⅲ,在涡轮主要几何
尺寸确定之后,根据设计参数可计算轴向速度系数为0.779。取冲击度系数等于0.5,环流系数等于 1.35,
则进出I:1角为 t一 一33.5570, z一 一102.655。。考虑容积效率和机械效率的影响,当工作转速
1500r/min时输出功率大于800W,且空转转速为2150r/min,满
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