可调液力变矩器流场数值模拟及钻机应用探讨

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第3l卷，总第 181期2013年9月，第 5期《节 能 技 术 》ENERGY C0NSERVATION TECHNOLOGYVo1．31，Sum．No．181September．201 3，No．5可调液力变矩器流场数值模拟及钻机应用探讨赵浩天 ，唐林群 ，赵文泉(1．中国农业大学 工学院 北京 100083；2．深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，广东 深圳 518057；3．哈尔滨鑫天利科技有限公司，黑龙江 哈 尔滨 150080)摘 要：石油钻机的传动系统是将原动机的动力传递并分配给工作机的关键 系统，合理地选择钻机系统的传动形式，可以提高石油钻机的动力性能，使工作机满足钻井工艺要求，并取得 良好的经济性和综合效益。本文对比分析了非可调式液力变矩器、调速型液力偶合器、导叶可调式液力变矩器三种液力传动装置用于石油钻机传动系统的优缺点，重点探讨 了导叶可调式液力变矩器用于石油钻机的传动方案，通过数值分析的方法，以现有的某种型号非可调式离心涡轮液力变矩器为参考基型，改进和优化了导叶可调式液力变矩器叶栅系统，为进一步开发导叶可调式液力变矩器用于石油钻机的传动奠定基础。

关键词：石油钻机；传动形式；可调式液力变矩器；数值分析中图分类号：TH137．332 文献标识码：A 文章编号：1002—6339(2013)05—0442—05Numerical Analysis of Adjustable Hydrodynamic TorqueConverter and its Application for Driling RigZHAO Hao—tian ，TANG Lin—qun ，ZHAO Wen—quan(1．Colege of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2．Shenzhen Mindray Bio
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medical Electronic Co．，Ltd，Shenzhen 5 18057，China；3．Harbin Xintianli Technology Co．Ltd，Harbin 150080，China)Abstract：The transmission system of driling rig is the critical system of power transmission and powerdistribution from prime mover to the working machine．A reasonable choice of transmission form of thetransmission system can improve the dynamic perform ance of driling rig，make the working machine tomeet the drilling process requirements，and achieve good economic and comprehensive benefits．The re-spective advantages and disadvantages of non—adjustable hydrodynamic torque converter，variable speedhydraulic coupling and adjustable guide vane hydrodynamic torque converter for the transmission systemof driling rig are compared and analyzed in this paper．Driling rig transmission scheme using adjustableguide vane hydrodynamic torque converter is majorly discussed．Through the method of numerical analysisbased on a certain now available non—adjustable hydrodynamic torque converter with centrifugal turbine，the adjustable guide vane hydrodynamic torque converter cascade system is improved and optimized．Re—search on the new type adjustable guide vane hydrodynamic torque converter layed a foundation for furtherdeveloping drilling rig transmission system.

Key words：driling rig；hydrodynamic forms；adjustable hydrodynamic torque converter；numerical analysis收稿 日期 2013—06—08 修订稿日期 2013—08—13作者简介：赵浩天(1991～)，男，本科生。

· 442·0 引言近些年来，石油钻机传动形式在不断改进和完善，主要有机械传动、液压传动、电传动和机电混合传动等几种方式?。液力传动用于石油钻机传动系统具有能容大、柔性连接、过载保护、无级变速、平稳启动等优点，因此柴油机配置液力传动装置成为机械传动石油钻机的优选传动方案，采用的液力传动装置主要有非可调式液力变矩器、导叶可调式液力变矩器、调速型液力偶合器等。对比分析这几种液力传动形式用于石油钻机传动系统的优缺点，并通过数值分析的方法，提出能够获得 良好的经济性和综合效益的石油钻机传动方案，对于石油钻机系统的节能降耗、推动我国石油装备制造业的发展有着重要的意义。

1 石油钻机液力传动形式的对比1．1 非可调液力变矩器与调速型液力偶合器石油钻机传动系统采用非可调式液力变矩器和调速型液力偶合器，绞车和钻井泵两类工作机械的工作特性如图 1、图2所示。

Z 蔷斗 ．
m ·B-I图2 钻井泵工作特性示意图(1)非可调式液力变矩器由图 1可知，非可调式液力变矩器的特性适合绞车的工作特性，可以提高绞车功率利用率，图中阴影部分是非可调式液力变矩器比调速型液力偶合器多利用的动力机功率，同时亦可节省起钻时间。

非可调式液力变矩器的自适应调速范围较大，可以减少绞车和转盘的档数，以及钻井泵换缸套次数，而且其变矩能力强，可以提高石油钻机解决事故能力。

由图2可知，非可调式液力变矩器不能充分利用钻井泵功率，需要选择大一级的钻井泵，且对于较小的井深 (如 图中 L )，会使钻井泵冲数过高(|s点)，降低钻井泵的吸人性能，缩短钻井泵的寿命。

另外，非可调式液力变矩器基本不可透，在启动和过载时都可以保护动力机，但是在轻、空负载时，将导致效率较低，油温过高。非可调式液力变矩器还存在总体传动效率偏低，柴油机油耗较高的缺点。

(2)调速型液力偶合器根据图2钻井泵工作特性，调速型液力偶合器可以通过调节充液量，保证恒转矩或恒转速输出，适用于钻井泵的工作特性，且可以避免井深小时钻井泵冲数过高。调速型液力偶合器在额定工况具有较高的传动效率，石油钻机可以获得较好的经济性。

在负载工况变化较大的范围内，调速型液力偶合器无法满足工作机械的调速要求，需要增加绞车和转盘的档数，以及钻井泵换缸套次数，且无变矩能力，不能很好地解决事故和保护原动机。

1．2 可调式液力变矩器Z图3 导叶可调式液力变矩器特性如图3所示，导叶可调式液力变矩器可以保持导叶开度不变，相当于非可调式液力变矩器；也可以调节导叶开度，改变涡轮输出特性满足负载变工况调速性能。所以，采用导叶可调式液力变矩器作为石油钻机的传动装置，通过良好的匹配，可以兼顾非可调式液力变矩器和调速型液力偶合器两者的优· 443-势。同时还可探讨利用反转工况特性，替代辅助刹车，通过调节导叶开度实现下钻制动功能 。

图 4 导叶 司调式液力变 矩器 F钻制动不意 图由图4可知，下钻制动的工作过程为 a—b—C— d，在 a点时，钻柱和游动系统产生的静力矩刚好与液力变矩器的制动力矩一致，钻柱停在空中；随后将导叶开度减少到 b点，此时静力矩比制动力矩要大很多，钻柱加速下放，带动液力变矩器的涡轮反转，制动力矩沿 b—C线不断增加，钻柱下放的加速度不断减小；到达 C点时，液力变矩器能提供的制动力矩与静力矩相等，钻柱以预期速度 匀速下放；等钻柱下放差不多，需要刹车时，将导叶开度增加到d点，此时制动力矩比静力矩大得多，钻柱下放速度不断减慢，涡轮反转速度不断减小，制动力矩沿 d—a线不断减小，直到重新回到 a点，钻柱刹停，又停在空中。

综上所述，虽然导叶可调式液力变矩器依然存在最高效率偏低的不足，但综合其固有的自适应能力、良好的启动性能、实现变转速工况调节、能够实现下钻制动等多方面的功能，可以作为匹配柴油机作为石油钻机传递动力的优选方案。

2 导叶可调式液力变矩器的数值分析考虑到石油钻机系统的工作机(钻井泵、绞车、转盘等)大都属于低速从动机械，选取曾经用于内燃机车传动的 JQB2型液力变矩器作为参考基型 J，计算工况转速比i =0．46，效率 叼 =0．86，循环圆参数如图5所示。

本文对液力变矩器的三维流场数值模拟采用的是目前叶轮机械应用较多的 CFX软件。湍流模型选择可以准确预测流动分离的SST模型 ，便于叶栅系统的优化。动静交接面模型选择计算资源和计算精度、经济性较好的 Constant Total Pressure模型。

通过数值模拟得到JQB2液力变矩器计算工况50％叶高处速度场如图6所示，液力变矩器整体流动状况较好，在 50％叶高处没有流动分离现象存在，各叶轮叶片的入口也基本无攻角，能量损失较． 444 .

图5 JQB2型液力变矩器循环圆参数小，因此可以获得较高的传动效率。

通过计算得到计算工况下 JQB2型液力变矩器各参数：变矩系数 K=一M ／M =1．902，效率 =K·i=1．902×0．45=85．59％，泵轮力矩系数A =0．661×10～，计算结果比较符合基型液力变矩器的性能数据 。

图 6 JQB2设计工况 50％叶高处速度场在 JQB2型液力变矩器叶栅系统的基础上，通过微调循环圆、缩小可调导叶尺寸、增加一级固定导叶等措施得到新型导叶可调式液力变矩器 JQB2一X叶栅系统。并通过数值模拟分析每一步调整结构后的液力变矩器速度场，保证新型液力变矩器计算工况流动状态良好，基本 目标为 50％叶高处不出现流动分离，各工作叶轮进 口处无攻角，优化得到的JQB2一X通流结构循环圆如图7所示。

数值模拟得到最优开度工况(i =0．46)时的50％叶高处速度场如图8所示。

数值计算最优开度工况JQB2一X各特性参数如下：变矩系数 K=一MT／M8=1．909，效率 叼=K·i=1．909×0．45=85．91％，泵轮力矩系数 AMB=0．681×10～。

改变涡轮转速，可获得最优开度下不同速比工况的原始特性曲线；通过设置不同导叶开度(调整可调导叶安装角)，计算得到不同导叶开度下的原始特性曲线，如图9所示。

图7 导叶可调式变矩器 JQB2_X循环圆参数图8 JQB2X设计工况 50％叶高处速度场Z图9 JQB2X计算得到的原始特性曲线由图9可知，JQB2_X最优开度下的高效区范围达到 IIo
．
75：nT2／nT1=0．65／0．25=2．6，在导叶开度不变时，泵轮力矩系数基本不变，体现为基本不可透的特性。

3 石油钻机传动系统改进方案初步设计以下探讨导叶可调式液力变矩器应用于 ZJ40L钻机改进方案的初步设计。ZJ40L钻机为第三代链条并车液力传动钻机，传动系统采用的是 YB900非可调式液力变矩器 J。

初步设计方案如图 l0所示，将 YB900非可调式 液力变矩 器改型 为导叶可调式 液力变矩器JQB2_X，根据系统匹配要求，重新选择合适的钻井泵型号，并考虑去掉绞车的电磁涡流辅助刹车装置。

图 10 ZJ40L钻机传动系统的改进方案初步设计方案中动力机不作变动，动力机组中单台柴油机额定转速为 1 300 r／min，净功率为 770kW。采用以下方法确定新型导叶可调式液力变矩器关键结构尺寸(循环圆直径)。

Pn= = 啪Pgn (1)式中 P ——泵轮输入功率，等于动力机净功W ；∞B——泵轮转速／md·s～；D ——JQB2一X的循环圆直径／m。

由式(1)可计算JQB2一X的循环圆直径为磊 (2)工作油采用8毗蔓力传动油，密度取P=835 kg／m ，nB=1 300 r／min，PB=770 kW ，AMB=0．681×10～。，以上参数代人式(2)得到D =0．9029 m=902．9 mm，圆整参数，并考虑留有余量，取 JQB2X的循环圆直径为905 mm，参考基型JQB2液力变矩器的循环圆· 445·直径为 610 mm，按 照 905／610的 比例，可确定JQB2_X的循环圆及叶栅数据。

ZJ40L钻机原配置的F一1300系列钻井泵额定功率为956 kW，额定冲数为 120冲／rain。钻机传动系统采用导叶可调式液力变矩器，可以提高钻井泵的功率利用率，因此不需要选择大一级的钻井泵。

ZJ40L钻机传动系统的改进方案可选择 F一1300系列钻井泵的额定功率为 797 kW，额定冲数为 100冲／min。

ZJ40L钻机所用的绞车是 JC40L全摩擦离合器换挡绞车，改进方案的绞车基本不改动，可考虑采用导叶可调式液力变矩器替代电磁涡流刹车实现下钻制动功能。

4 总结(1)导叶可调式液力变矩器兼具非可调式液力变矩器和调速型液力偶合器两者的工作特性，用于石油钻机传动系统还可具有实现下钻制动的功能，可以考虑作为石油钻机传动的优选改进方案。

(2)新型导叶可调式液力变矩器的开发不必从“零”开始，数值分析与计算表明，在性能良好的固定导叶离心涡轮液力变矩器的基础上，经过结构上的改进与优化，可以得到了性能良好的导叶可调式液力变矩器水力模型，并可适用于石油钻机传动系统。

(3)本文提出了石油钻机传动系统改进的初步设计方案，在实际应用过程中还会遇到各种未考虑周全的问题，进一步的研究与实施还需做深人的探讨。

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