小直径井下发电机涡轮叶片仿真研究

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Research on Turbine Blade of Downhole Generator Used in Smal-diameter W ell Based on SimulationYI Zhao-qiut Petro China Liaohe Oil Fteld No.1 Construction Engineering Company Panfin Liaoning 124120.China、Abstract：Using the computational fluid dynamics analysis software to do the hydrodynamic analysis for the turbine blade ofthe downhole turbine generator and flow field distribution is got.By comparing with the design pressure drop of the theoreticalcalculation，the feasibility of the two-dimensional leaf shape simulation for the turbine blade is confirmed.Analysis Resultshowed that oversize of the degree of crook of the suction face would cause flow separation.Increasing the exit angle would de-crease the possibility of voex a10ng the trailing edge of the rotator and increasing the hydraulic eficiency of the turbine blade。

The blade shape Iased on the conclusion of the simulation is optimized。

Key words：turbine；simulation；hydrodynamics；downhole generator1 涡轮发电机研究的必要性普遍使用高性能的锂电池为井下测量仪器，如LWD、MWD、地质导向、旋转导向工具等供电，而锂电池的工作温度通常为 150℃左右。随着石油钻探井深的日益增加，井筒温度随之升高，常规的锂电池难以承受高温考验，寿命大大缩减，甚至无法正常工作。

且频繁更换电池也带来了钻井成本的升高和钻时的增加，依赖电池为井下测量仪器供电的手段已无法满足超深井钻井的需求。

利用钻井液来驱动井下涡轮，带动发电机发电，为井下测量仪器提供电力是-种理想的供电方案。

涡轮发电机的性能撒于涡轮叶片的水力性能。笔者利用 FLUENT软件对 1 15 nlil涡轮发电机的叶型进行仿真并对其进行优化 J。

FLUENT是-种目前应用最为广泛的 CFD软件之-。它是基于完全非结构化网格的有限体积法离散，具有计算灵活，高效，精确等优点。FLUENT提供了众多的物理模型，包括定常和非定常流动、层流、湍流、不可压缩和可压缩流动、传热和化学反应等，同时用户可根据需要 自己设计计算模型。根据每-种物理问题，软件还提供了多种适合的数值解法，用户可进行选择满足精度及速度的要求。在后处理方面，FLUENT本身带有强大的后处理功能，用户能够方便的得到分析后的各种数据曲线或者云图 J。

2 涡轮叶片的CFD模拟过程由于涡轮发电机中的涡轮叶片在径向各截面形状完全-样。在涡轮叶片设计过程中，定子、转子叶片几何参数都是在其水平展开的特征面内规定的，以额定工况下，平均直径特征面上叶片达到最小叶型损失的形状为标准 。因此，将涡轮中钻井液的三元流动简化为特征面的二元流动是可行的。且如果将特征面展开，转子的转动等价为转子叶栅平移运动，其速度为 'ndn/60。

2.1 CFD模拟理论依据CFD的计算控制方程是流体流动必须遵守的基本方程，包括质量守恒的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，流体包含不同成分的组分守恒方程及湍流状态下的湍流输运方程。下面介绍涡轮叶栅流场分析中需要的质量守恒和动量守恒方程，而能量守恒方程和组分守恒方程在分析中不需要，不做详述，具体见