摘要:爲了解決(jué)數量(liàng)逐年增多的低産井(jǐng)流量測量(liàng)問題,設計了一種精(jīng)度(dù)高渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計 。通過理(lǐ)論分析(xī)與(yǔ)數值(zhí)仿真(zhēn)對 渦(wō)輪流(liú)量計(jì) 的三維流(liú)場進行(háng)了分(fèn)析(xī),并優化出其最合理結構(gòu)。利用(yòng)實驗(yàn)裝置将精(jīng)度高渦輪流量計與(yǔ)傳統渦輪流量計的(de)響應(yīng)特性進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果(guǒ)表明,精(jīng)度高(gāo)渦輪(lún)流量(liàng)計在單相(xiàng)水(shuǐ)介(jiè)質中，啓動(dòng)排量(liàng)0.3m³/d,低于傳統渦輪流量(liàng)計的1.0m³/d,分辨(biàn)率也有1.7倍的提(tí)高,可見精(jīng)度高(gāo)渦輪流量計在低流(liú)量(liàng)測(cè)量中(zhōng)具有良好的應(yīng)用前景(jǐng)。
　　渦輪流(liú)量計(jì)以其結構(gòu)簡單(dān)、測量精度(dù)高、重複性好而廣泛(fàn)應用于油(yóu)田流量(liàng)測量領域。在我國,随着大部分油田進入開(kāi)發(fā)中後期(qī),低産(chǎn)井數量逐年(nián)增多。爲(wèi)了準(zhǔn)确掌(zhǎng)握(wò)這些低(dī)産井的産量情況，評估其可開(kāi)采價(jià)值(zhí),需(xū)要準(zhǔn)确測量其流量(liàng)信息(xī)。衆(zhōng)所周知，隻有(yǒu)流(liú)量大于啓動(dòng)排(pái)量,渦輪流量計(jì)才(cái)會給出響應,所以研(yán)發設計出(chū)一種(zhǒng)啓動(dòng)排(pái)量(liàng)低的(de)精度高渦輪流(liú)量計(jì),無疑對于油田(tián)流量測量(liàng)具有(yǒu)重(zhòng)要的意義。自20世紀(jì)30年代渦輪流量計發(fā)明後(hòu),經(jīng)過(guò)國内外無數科研工(gōng)作者(zhě)的研究和(hé)探索,其(qí)基(jī)本理論和(hé)相(xiàng)應的模(mó)型都(dōu)已非常成(chéng)熟。但是目前對(duì)于渦(wō)輪流量計的研究主(zhǔ)要集中在(zài)大流量條(tiáo)件下(xià)的使(shǐ)用,低(dī)流量條件(jiàn)下的(de)啓動和響應特(tè)性研(yán)究較少,難(nán)以滿足實際生産中(zhōng)對(duì)于(yú)低流(liú)量條件下渦輪(lún)流量計(jì)的使用(yòng)需求(qiú)。
　　利用(yòng)目前(qián)流行的有限元(yuán)計算(suàn)軟(ruǎn)件an-sys對渦輪流(liú)量(liàng)計流場(chǎng)進行(háng)仿真(zhēn)計算(suàn),設計出(chū)一種精(jīng)度高渦輪(lún)流量計,通(tōng)過室(shì)内實(shí)驗(yàn)表明其(qí)啓動(dòng)排量(liàng)和(hé)分辨(biàn)率與傳(chuán)統渦輪流量計相比都有(yǒu)了大幅度(dù)的提(tí)高。
1理(lǐ)論分析①
　　渦(wō)輪流量計作爲速度(dù)式儀(yí)表,以(yǐ)動量矩守(shǒu)恒爲(wèi)基礎(chǔ),渦輪流量(liàng)計基本力矩平(píng)衡方程(chéng)爲[1]:
 
式中(zhōng)
tb一軸(zhóu)與軸承的(de)粘性摩(mó)擦阻力(lì)矩(流(liú)動(dòng)産生的力矩(jǔ));
td一渦(wō)輪流(liú)量計(jì)轉動的驅(qū)動力(lì)矩(jǔ);
th一(yī)輪毂(gū)表面的(de)粘性阻力矩(jǔ);
tm一磁電阻(zǔ)力矩和軸與軸承的機械摩(mó)擦阻力(lì)矩之和;
t1一葉片(piàn)頂端(duān)與傳(chuán)感器外殼(ké)的粘性摩(mó)擦阻力矩(jǔ);
tw一輪毂(gū)端(duān)面粘(zhān)性摩擦阻力矩(jǔ);
j一渦輪(lún)的(de)轉動(dòng)慣量(liàng);
ɷ-渦輪轉動的(de)角速度。
　　當流(liú)速較低時,渦輪(lún)流量計(jì)處于靜止狀(zhuàng)态,此時角(jiǎo)速度ɷ非常(cháng)低,接(jiē)近于0,tb和tw也可以(yǐ)忽略不計(jì)。在這(zhè)種情況下，式(1)可(kě)以簡(jiǎn)化爲(wèi):
 
　　由式(shì)(2)可以看出(chū)提高(gāo)驅動力矩是降(jiàng)低渦輪流量計(jì)啓動(dòng)排量的一(yī)-條捷(jié)徑(jìng)。如(rú)圖1所示，傳統渦(wō)輪流量(liàng)計入口端是(shì)直管段和(hé)軸向(xiàng)導流(liú)片,流(liú)體流(liú)經渦輪葉(yè)片之前隻有軸向速(sù)度,對渦輪的驅動力矩(jǔ)隻是(shì)對渦輪葉片(piàn)作用(yòng)力的(de)徑向(xiàng)分力産生(shēng)的力矩。因(yīn)爲渦(wō)輪(lún)葉片螺(luó)旋角(jiǎo)爲45°,如果将導流(liú)片改(gǎi)爲螺(luó)旋角爲(wèi)-45°的螺旋導流片(圖2),當流體進入導流片時會産生旋轉(zhuǎn),方向與渦(wō)輪葉(yè)片正交(jiāo),使得流(liú)體在軸(zhóu)向流動(dòng)速度不變的基(jī)礎上增加(jiā)了徑向的旋(xuán)轉(zhuǎn)運動(dòng),流體的(de)旋轉方(fāng)向與渦輪葉片(piàn)的(de)轉動(dòng)方(fāng)向一(yī)緻,在相(xiàng)同流量(liàng)條件下,增(zēng)加了(le)流體對渦(wō)輪葉(yè)片的(de)驅動(dòng)力,實(shí)現降(jiàng)低啓動排(pái)量和提高(gāo)分(fèn)辨率的目的(de),整體(tǐ)結構如(rú)圖3所示(shì)。
 
2仿真(zhēn)研究
　　workbench是ansys公(gōng)司開發(fā)的(de)協同(tóng)仿真環境,是(shì)将(jiāng)仿真過(guò)程結合在--起(qǐ)的平台，可(kě)以大大簡化仿真過程中各模(mó)塊間的交(jiāo)互(hù)操作。通過幾(jǐ)何建(jiàn)模(圖4)、網格劃分、計算求(qiú)解及後(hòu)處理(lǐ)等過(guò)程,可(kě)以比較準确地(dì)仿真(zhēn)複(fú)雜機械(xiè)模型的(de)各物理(lǐ)參數(shù)場(chǎng)分布[2-4]。
 
　　利(lì)用turbogid對計算域進(jìn)行網格劃分,将其劃分爲約10萬(wàn)個(gè)六(liù)面體網格(gé)。人口、出(chū)口(kǒu)部分爲.靜止(zhǐ)網(wǎng)格，,采(cǎi)用絕(jué)對(duì)參考系(xì),葉片部分爲動(dòng)網格,繞圓心轉(zhuǎn)動,采(cǎi)用相對參(cān)考系(xì),參考(kǎo)系轉(zhuǎn)動速度與(yǔ)網格轉速相同。網格(gé)劃分情(qíng)況(kuàng)如圖(tú)5所示。
 
　　如圖(tú)6~8所示(shì),流體流經渦輪流量計之前,壓(yā)力較高(gāo),速度(dù)較(jiào)低，經(jīng)過導流片(piàn)時産生旋轉,速(sù)度得(dé)到提升,壓力降(jiàng)低。當(dāng)通過(guò)導流(liú)片後,壓力(lì)、速度基(jī)本(běn)不變(biàn),依然保(bǎo)持旋轉(zhuǎn)狀态(tài),遇(yù)到(dào)渦輪(lún)葉(yè)片(piàn)阻擋(dǎng)後,流(liú)速降低,壓(yā)力進一-步(bù)減(jiǎn)小，流體所攜帶的能量(liàng)傳遞給(gěi)渦輪葉(yè)片,對(duì)渦輪葉片(piàn)産生較大(dà)的(de)驅動力矩,推動其(qí)轉動(dòng)。
 
　　爲(wèi)了得到(dào)導流片螺旋角(jiǎo)與渦輪(lún)葉片螺(luó)旋角的匹配,利用ansys軟件對(duì)不同(tóng)角度導流片的(de)驅動(dòng)力矩(jǔ)進行(háng)計算，其中管道(dào)直徑爲14mm,渦(wō)輪葉(yè)片直徑(jìng)爲13.5mm,重疊(dié)度爲1.64,葉片螺旋(xuán)角爲45°,導(dǎo)流片螺(luó)旋角分别(bié)設爲(wèi)-35°、-45°和-55°,來流(liú)條件(jiàn)分(fèn)别設(shè)爲(wèi)0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由(yóu)于速(sù)度較(jiào)低,采用層(céng)流模型(xíng),各不同(tóng)工況條件(jiàn)下渦(wō)輪葉片受到的(de)驅動力矩(jǔ)情況如圖9所(suǒ)示。導流(liú)片螺旋角爲-45°時(shí)渦輪(lún)葉片受力(lì)更大,更容(róng)易(yì)啓(qǐ)動。此時渦輪葉(yè)片螺旋(xuán)角(jiǎo)與導(dǎo)流片(piàn)螺旋(xuán)角恰好成90°,可充(chōng)分利(lì)用流體動量使渦輪葉片更易(yì)啓動,模(mó)拟結果與上述理論分(fèn)析相(xiàng)符。
 
3實驗研(yán)究
　　通過搭(dā)建實驗平(píng)台(圖(tú)10)對計(jì)算結果(guǒ)進行驗(yàn)證。實(shí)驗平台應(yīng)具備以下(xià)兩個(gè)功能:在低流量(liàng)下能夠非(fēi)常平(píng)穩的運行(háng);具備(bèi)精确測量流量(liàng)的功能(néng)。
　　該平台(tái)以單相水(shuǐ)流爲介質,循環(huán)流動通過水泵實現(xiàn);流量(liàng)的精确控(kòng)制主要通(tōng)過固定上遊(yóu)水位和(hé)調節閥來實現(xiàn),流量(liàng)的測(cè)量采用簡便(biàn)可(kě)靠的(de)容積時間法。
 
　　實(shí)驗平台中上方(fāng)爲穩(wěn)壓水箱,提供-一個(gè)穩定的(de)壓力源,在管道(dào)内阻力(lì)不變的(de)情況(kuàng)下(xià),保(bǎo)證管(guǎn)道内(nèi)流(liú)速(sù)不會發生(shēng)變(biàn)化,經過2m長的下降(jiàng)段,流(liú)人渦輪流量計(jì),随後流出實(shí)驗(yàn)管道(dào),通過量筒(tǒng)計量可以精确得到管(guǎn)路内的(de)流速(sù)。通(tōng)過高速(sù)攝影可以(yǐ)清晰(xī)的觀(guān)察(chá)低(dī)速條(tiáo)件下(xià)渦(wō)輪流量(liàng)計的響應情況(kuàng)。
　　爲了(le)驗證精度(dù)高渦輪流量(liàng)計(jì)的響應情況,實(shí)驗将精度高渦(wō)輪流量計與傳(chuán)統渦輪(lún)流(liú)量計在相(xiàng)同條件(jiàn)下(xià)進行對(duì)比(bǐ)。
　　實驗介，質爲單相水(shuǐ),流量(liàng)範(fàn)圍(wéi)0~20m³/d,通過調節不(bú)同的流(liú)量點來記(jì)錄輸(shū)出頻率(lǜ),流量點誤差優于1%,每次測量(liàng)時間爲60s,采樣間隔(gé)爲5ms,每點測量3次(cì)取平均(jun1)值,測(cè)量數(shù)據見(jiàn)表1。
 
4結論
4.1理論研(yán)究與數值(zhí)仿真确定(dìng)了精度高(gāo)渦輪流量(liàng)計的合理結構(gòu),即導(dǎo)流片螺(luó)旋角爲-45°與渦(wō)輪葉片正(zhèng)交時,同樣(yàng)來流(liú)條件下驅(qū)動力(lì)矩大。
4.2.在單(dān)相水條件(jiàn)下,高靈敏(mǐn)渦輪流量(liàng)計啓動排(pái)量0.3m³/d,遠(yuǎn)低于(yú)傳統渦輪流量計的(de)1.0m³/d,分(fèn)辨(biàn)率也(yě)有1.7倍(bèi)的(de)提高,可以解(jiě)決部分單(dān)井産量低于1.0m³/d的(de)低産(chǎn)井的流量(liàng)測量問題。
4.3該流(liú)量計(jì)結(jié)構簡單(dān)、調試方(fāng)便(biàn)、不改變(biàn)現(xiàn)有儀器結(jié)構,易于規(guī)模(mó)推廣應(yīng)用(yòng)。

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