三元流动计算在涡轮钻具叶栅设计中的应用

简要介绍了一种三元流动计算的方法，即流面迭代法，并推导出涡轮钻具叶栅内部流体运动的速度梯度方程和连续性方程，以及问题求解的边界条件。计算结果为涡轮叶栅的设计和修改提供了可靠的依据。     

随钻测井用涡轮发电机叶轮组水力性能分析

采用CFD方法对某型随钻井下涡轮发电机叶轮组进行数值分析,计算叶片的水力特性,预测叶轮的输出性能。首先,提取叶轮模型的几何特征参数,采用CFD分析软件FINE/Turbo建立仿真模型,并对叶轮组进行全三维数值仿真模拟,得出静子叶片出口流动角和转子叶片进口流动角沿径向分布规律,以及转子叶片压力系数沿径向分布等水力特性参数。然后通过计算得到叶轮的输出功率、输出扭矩和效率等宏观特性参数,并解释了叶轮输出特性与叶片水力特性之间的关系。最后通过试验验证数值仿真叶轮的转速误差在6%以内。研究结果可为叶片改型和叶轮输出性能的改进提供参考。     

油田注水泵三元叶轮的设计及试验验证

采用叶片机械三元流动理论,对6D100型多级油田注水泵的叶轮进行改型设计,得到的三元叶轮,与原来用一元流动理论设计的叶轮,在同一导叶,同一试验装置的对比试验结果是:单级泵在转速降低50%的条件下,泵效率由64.57%提高到67.17%,相对提高4%.最佳效率点级扬程由33米提高到35.25米,相对提高6.8%.可以肯定,泵在全速工作时,性能改进的幅度会更大.     

基于CFD分析的轴流式螺旋叶轮设计

针对一种井下马达的轴流式螺旋叶轮进行了理论计算，并利用CFD方法对其进行了紊流数值模拟。根据CFD分析结果对理论计算的结果进行了修正，并通过比较同一工况下不同螺旋角叶片的水力效率，得出了在满足设计要求条件下的最优螺旋角。通过试验，验证了CFD分析在计算和优化设计此种轴流式螺旋叶轮的有效性，并具有指导意义。     

涡轮外特性理论计算方法探究及验证

涡轮作为一种动力转化元件,其外特性的研究对于叶片型线的设计及叶轮内液流流动状态的研究具有重要意义。通过对叶轮内液流微元圆柱层的分析,提出了一种涡轮外特性的积分计算方法,采用该方法得到的涡轮外特性计算公式与传统公式具有相同的形式,但在理论上更符合液流的实际流动情况。为检验积分计算方法的优越性,基于四阶Bezier方程构造了240 mm涡轮钻具涡轮定、转子叶片型线,采用CFD方法模拟了该涡轮的外特性,并以此作为基础,综合对比了2种计算方法在3种特殊工况下的外特性情况。对比结果表明:积分计算方法得到的涡轮外特性更接近于CFD仿真结果,具有更小的计算误差。研究结果对涡轮的理论设计及液流流动理论的研究具有一定的工程意义。     

钻头保径对底部稳定器流场影响的数值模拟

为了对涡轮钻具近钻头减压稳定器棱叶片进行合理设计,深入研究稳定器数值模拟的真实性和内部流体流动特性,运用计算流体力学软件NUMECA,基于S-A湍流模型及SIMPLE算法对设计的钻头保径段、近钻头减压稳定器和涡轮钻具稳定器导叶结构组合段内部的流场进行了三维数值模拟。主要研究钻头保径结构对流体流动的干扰,及对稳定器内流场流动的影响。模拟结果表明钻头保径结构对流体流动方向干扰很大,对稳定器入口段流场流动影响较大。为了降低不必要的水力损失,设计稳定器叶片需要考虑保径结构的影响。     

应用CFD软件模拟Φ115 mm涡轮钻具机械特性

应用CFD软件对涡轮钻具组的内流场进行了分析研究，重点讨论了模拟压降和扭矩。考虑容积损失和摩擦损失的影响，采用三元流动设计理论，用粘性流体代替理想流体，用湍流代替层流，研究跨叶片的流场及其流体与叶片的相互作用，计算压降的理论预测值与实测值非常接近，修正后的模拟扭矩基本等于对应转速下的实测值，模拟总效率曲线也与实测曲线基本吻合。通过模拟，获得了较详细的内流场数据，揭示了内流场与外特性之间的关系，进一步说明CFD的有效性，对改进涡轮机械性能指明了途径。     

多相增压泵气液两相流计算分析及试验研究

借助CFD软件,采用标准k-ε模型对N-S方程进行封闭计算,分析多相增压泵输送清水的水力性能,并进行样机试验测试对比。采用Eulerian模型求解,并分析输送含气率为30%的气液两相流时,增压泵流道、过流部件的速度、压力、气体体积分数及密度等分布规律。计算分析及试验结果表明:针对增压泵内部复杂三维流动的水力性能进行预测的数值模拟分析可靠; 气体对增压泵性能影响不利。气液两相流数值计算模拟表明:增压泵进、出口及均化器内部流速分布均匀; 均化器上侧气体体积分数较下侧多; 增压泵底部气液混合密度较上部大; 均化器及叶轮过渡处压力最低; 增压泵首级叶轮叶片旋转中心的工作表面的气体体积分数最大,次级叶轮工作表面的气体体积分数降低; 增压泵各级导叶叶片工作表面的气体体积分数相对均匀,首级导叶叶片靠近进水边的工作面附近的气体体积分数较高,次级导叶叶片靠近叶片旋转中心的工作面区域气体体积分数较高。     

管壳式换热器模拟中壁面函数选择分析

为了比较不同壁面处理方法对管壳式换热器壳侧流体流动和传热的影响,建立了折流板换热器壳侧数值模型,应用大型CFD软件Fluent对其在湍流流动下的流动与传热特性进行数值计算,并将数值计算结果与试验数据进行对比。结果表明,在相同边界条件下,选择不同壁面处理方法,所得计算结果有一定的差别,并且主要差别发生在进口段及折流板附近流体流动发生剧烈变化的区域,但3种壁面处理方法均满足工程计算需要,其中采用增强壁面函数法模拟结果与试验结果最为接近,能更为准确地计算折流板换热器壳侧复杂流动。     

多相混输泵叶轮叶片强度有限元分析

提出了一种基于计算流体动力学(CFD)和ANSYS有限元分析软件对多相混输泵叶片进行强度分析的方法.在三维时均N-S方程的基础上,应用标准k-ε方程对多相泵内部三维湍流流动进行了数值模拟,计算叶轮内的稳态流体压力,得到叶片表面真实压力分布;将此压力分布加载至强度分析的叶片模型表面进行叶片的强度分析,这种方法能够真实反应叶片表面的受力状态,因而具有工程实用价值.     

涡轮钻具叶片电解加工阴极工具设计

由于涡轮钻具叶片型线的设计愈加复杂,叶片的传统加工方法面临越来越多的加工难题。因此拟将电解加工技术应用于涡轮钻具叶片的制造领域,对涡轮钻具叶片电解加工阴极工具的设计进行了研究。以127 mm涡轮钻具叶片的设计为例:首先基于多项式曲线拟合的方法,在MATLAB中编程计算绘制出最初的叶片曲线;然后将得到的曲线导入AutoCAD,根据理论计算得到的叶片几何参数修补得到叶片型线的几何图纸;最后将叶片型线导入GAMBIT有限元前处理软件进行网格划分,并在ANSYS Fluent软件中进行流场仿真分析,同时在Tecplot360软件中进行后处理得到流场中流体的流向图、速度云图及压力云图。结果表明利用这种方法设计的叶片可以满足实际工作状况的要求。研究内容和结果为涡轮钻具叶片的电解加工研究奠定了良好基础。     

涡轮钻井技术与新型涡轮钻具的产业化

根据油田提高深部地层钻井速度的需要,从试验研究出发,详细介绍了我国新型涡轮钻具现场试验成果。新型涡轮钻具与国外同类产品相比,在性能基本相同的情况下,具有降压小、寿命长、无橡胶元件,便于深井和复杂地质条件下作业等优点。结合现场应用,提出新型涡轮钻具有产业化开发的内容与目标,分析了产业化带来的经济效益和社会效益。     

涡轮钻具面向对象系统分析及建模

基于面向对象的建模方法采用全新的建模理念,是一种对应于真实世界概念的抽象思维方式,通过对象之间的消息通信,驱动对象执行一系列的操作从而完成某一任务的设计方法。将面向对象方法引入到涡轮钻具的设计中,通过对涡轮钻具系统的对象化分析,最终建立完整的涡轮钻具系统模型。该模型对应于真实产品概念的抽象思维方式,能够更好地帮助设计人员对设计进程和产品结构进行综合优化,推动涡轮钻具的发展。     

涡轮钻具复合钻进技术

涡轮钻具复合钻进技术是大幅度提高钻井速度、防斜打快的主要手段之一,随着涡轮钻具性能、型号的完善,加上高效PDC钻头的蓬勃发展,涡轮钻具复合钻井技术将得到大规模推广应用。在对涡轮钻具和螺杆钻具结构、性能和使用优缺点进行对比的基础上,提出了涡轮钻具复合钻进最佳工况的概念,给出了明确的转速范围;从涡轮钻具的特性和PDC钻头配合要求着手,详细论述了涡轮钻具复合钻进的机理;建立了涡轮钻具系统在钻井过程中的动态和纵向振动模型,为获得最佳的涡轮钻具复合钻进效果提供了理论依据。在国内高陡构造的典型地区进行防斜打快的应用实例表明,机械钻速明显提高,钻井周期大大缩短,钻井成本大幅度下降,经济效益显著。     

定向井单弯单稳涡轮钻具造斜率预测

对于定向井单弯单稳涡轮钻具造斜率的预测,用现有的修正三点定圆法预测的是钻具几何曲率,不是井眼曲率,且对造斜能力影响因素考虑不全。利用纵横弯曲法的三弯矩方程,确定井下动力钻具上部切点,结合钻头中心点和下稳定器切点,建立了这三点所对应的井眼轴线上三点坐标,利用三点定圆原理,建立了三点定圆全坐标单弯单稳涡轮钻具造斜率预测模型。实例计算了3种结构涡轮钻具造斜率,对比分析了3种结构涡轮钻具造斜率随涡轮钻具结构角,稳定器与井壁间隙,偏心稳定器偏心距以及稳定器、偏心稳定器、结构角分别到钻头的距离等因素的变化规律,明确了稳定器对单弯涡轮钻具的造斜率影响较小,为减小深井卡钻风险,可不用稳定器或用偏心稳定器替代稳定器安装在近钻头处,能有效提高单弯涡轮钻具的造斜率。该方法综合了纵横弯曲法和三点定圆法的优点,实现了超深井单弯单稳涡轮钻具定向钻井造斜率的简便有效预测。     

3FWZ—195型带浮动定子的涡轮钻具

《石油机械》第18卷第10期,1990,第39～43页,图1,表3 简述了涡轮钻井技术国内外发展现状。介绍了国内新近研制成动的带浮动定子涡轮及独立支承节结构的涡轮钻具的结构特点、涡轮节涡轮叶栅的设计方法、浮动定子涡轮摩擦副的材料与结构研究,以及直井及定向井用支承节的情况,还阐述了此种涡轮钻具的矿场试验结果。     

涡轮能量损失及流量对叶栅内流场的影响

分析了液体流经涡轮钻具涡轮叶栅时作用于涡轮轴的力矩大小和变化因素，以及涡轮级中能量损失的组成和影响因素，认为涡轮叶型损失占涡轮级能量损失的相当部分，而影响叶型损失的主要因素有叶栅入口液流角β１、叶栅出口液流角β２和叶栅相对节距ｔ，β１和β２又与流经叶栅的流量Ｑ有关。采用粒子成像测速（ＰＩＶ）技术对同一叶栅模型进行了４种不同流量的内流场测试，获得相应的速度矢量图，对结果分析得知，流量对叶栅内速度场有较大的影响。建议选择适当的涡轮级工作流量，以降低涡轮级的能量损失。     

涡轮叶栅密度对叶栅内流场的影响

为研究涡轮钻具叶栅密度（即叶栅相对节距）对叶栅内流场的影响，应用粒子成象测速技术对环流系数、流量、叶片进出口结构角和叶片安装角均相同而叶栅密度不同情况下的涡轮叶栅进行了内流场测试，获得了不同叶栅密度下的叶栅内流体的速度场和相应的速度矢量图。对测试结果的分析表明，叶栅密度过大或过小均会使叶栅内流体的速度分布状态变差。在设计涡轮钻具时，应选取合适的叶栅密度，叶栅相对节距取０．７４２为宜。     

ø73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无ø73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的ø73 mm小尺寸涡轮钻具,使ø73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

螺旋管道内幂律流体流动数值模拟

螺旋管道可作为聚合物溶液的分层配注器.根据螺旋管道内聚合物溶液的流动特征,建立了正交螺旋坐标系下Navier-Stokes方程.通过无因次分析,得到了螺旋管道内充分发展幂律流体流动的控制方程组.采用有限容积法,研究了圆截面螺旋管道内幂律流体的流动规律;采用三角形网格进行了数值计算.讨论了曲率和挠度对二次流动、流函数等值线和轴向速度的影响,研究了不同曲率和挠度螺旋管道内流量与压力梯度之间的关系.在相同流量下,螺旋管挠度和曲率越大,压力梯度越大;挠度和曲率相同的螺旋管流量越大,压力梯度越大.