一种井下发电机的涡轮设计及其测试.pdf

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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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