摘(zhai)要:爲了(le)解決數(shù)量逐年(nian)增多的(de)低産井(jing)流量測(cè)量問題(ti),設計了(le)一種精(jīng)度高渦(wō)輪流量(liàng)計 。通過(guò)理論分(fen)析與數(shù)值仿真(zhēn)對 渦輪(lun)流量計(jì) 的三維(wéi)流場進(jìn)行了分(fen)析,并優(you)化出其(qi)最合理(lǐ)結構。利(li)用實💁驗(yàn)裝置将(jiāng)精度高(gāo)渦輪流(liu)量計與(yǔ)傳統渦(wo)輪流量(liang)計的👨‍❤️‍👨響(xiǎng)應特性(xing)進行❗了(le)對比,結(jie)果表明(ming),精度高(gāo)渦輪流(liu)量計在(zai)單相水(shuǐ)♌介質中(zhōng)，啓動排(pai)量0.3m³/d,低于(yu)傳統渦(wō)輪流量(liàng)計的1.0m³/d,分(fèn)辨率也(ye)有1.7倍😍的(de)提高,可(ke)見精度(du)高📱渦輪(lún)流量計(jì)在低流(liu)量測量(liàng)中具有(yǒu)良好的(de)應用前(qián)景。
　　渦輪(lún)流量計(ji)以其結(jie)構簡單(dan)、測量精(jīng)度高、重(zhòng)複性好(hǎo)而廣泛(fàn)🛀🏻應用于(yú)油田流(liu)量測量(liàng)領域。在(zài)我國,随(sui)着大部(bu)分油田(tian)進入開(kāi)發中後(hou)期,低産(chan)井數量(liàng)逐年增(zeng)多。爲了(le)準确掌(zhang)握這些(xie)低産井(jǐng)的産量(liàng)情況，評(ping)估其可(ke)開采價(jià)值,需要(yao)準确測(ce)量其流(liu)♌量信息(xi)。衆所周(zhōu)知，隻有(you)流量大(da)于啓動(dòng)排量,渦(wō)輪流量(liang)計才🏃‍♂️會(huì)給出響(xiǎng)應,所以(yǐ)研發設(she)計出一(yi)種啓動(dong)排量低(di)的精度(du)高渦輪(lún)流量計(ji),無疑對(duì)于油田(tian)流量測(ce)量具有(yǒu)重要的(de)意義。自(zi)20世紀30年(nian)代渦輪(lun)流🌏量計(jì)發明後(hòu),經過國(guo)内外無(wu)數科研(yan)工作🌏者(zhě)的研究(jiū)和探索(suo),其基本(ben)理論和(hé)相應的(de)☔模型都(dōu)已非常(cháng)成熟。但(dan)是🐕目前(qián)對于渦(wō)輪🔞流量(liang)計的研(yán)究主要(yao)集中在(zai)大流量(liàng)條件下(xia)的使用(yòng),低流量(liang)條😍件下(xia)的啓動(dong)和響應(yīng)特性研(yán)究☀️較少(shao),難以滿(mǎn)足實際(jì)生産中(zhōng)對于低(di)流量條(tiáo)件下渦(wo)輪流量(liàng)🙇🏻計的使(shi)用需求(qiú)。
　　利用目(mu)前流行(hang)的有限(xian)元計算(suan)軟件AN-SYS對(duì)渦輪流(liu)量計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流(liu)場🈲進行(hang)🤞仿真計(jì)算,設計(ji)出一種(zhǒng)精度高(gao)渦輪流(liu)量計,通(tong)過室内(nèi)實驗表(biǎo)明其啓(qi)動排量(liàng)和分辨(biàn)率與傳(chuan)統渦輪(lún)流量計(jì)相比都(dōu)有了大(da)幅度的(de)提高。
1理(li)論分析(xi)①
　　渦輪流(liu)量計作(zuo)爲速度(du)式儀表(biao),以動量(liàng)矩守恒(héng)爲基礎(chǔ),渦輪流(liú)量計基(ji)本力矩(jǔ)平衡方(fāng)程爲[1]:
 
式(shi)中
Tb一軸(zhou)與軸承(chéng)的粘性(xing)摩擦阻(zǔ)力矩(流(liú)動産生(sheng)的力矩(jǔ));
Td一渦輪(lun)流量計(ji)轉動的(de)驅動力(lì)矩;
Th一輪(lun)毂表面(miàn)的粘性(xìng)阻力矩(jǔ);
Tm一磁電(dian)阻力矩(jǔ)和軸與(yu)軸承的(de)機械摩(mo)擦阻力(li)矩之和(hé);
T1一葉片(piàn)頂端與(yu)傳感器(qì)外殼的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩;
Tw一輪(lún)毂端面(mian)粘性摩(mó)擦阻力(lì)矩;
J一渦(wo)輪的轉(zhuan)動慣量(liang);
ɷ-渦輪轉(zhuǎn)動的角(jiao)速度。
　　當(dang)流速較(jiao)低時,渦(wo)輪流量(liang)計處于(yú)靜止狀(zhuang)态,此時(shi)角速度(du)ɷ非常低(di),接近于(yú)0,Tb和Tw也可(ke)以忽略(luè)不計。在(zài)這種情(qing)況下，式(shi)(1)可以簡(jiǎn)化爲:
 
　　由(you)式(2)可以(yi)看出提(ti)高驅動(dòng)力矩是(shi)降低渦(wō)輪流量(liang)計啓動(dong)排量的(de)一-條捷(jié)徑。如圖(tú)1所示，傳(chuán)統渦輪(lun)流量計(ji)🥰入口🌈端(duān)是直管(guan)♻️段和軸(zhóu)向導流(liú)片,流體(ti)流經渦(wō)輪葉📞片(piàn)之前隻(zhī)有軸向(xiang)速度,對(dui)渦輪的(de)驅動力(li)矩隻是(shi)對渦輪(lún)葉片作(zuo)用力的(de)徑向分(fèn)力産生(shēng)的力矩(ju)。因爲渦(wō)輪葉片(pian)螺旋✍️角(jiǎo)爲45°,如果(guo)将導流(liu)片改爲(wei)螺旋角(jiao)爲-45°的螺(luó)旋導流(liú)片(圖2),當(dang)流體進(jin)入導流(liú)片時會(huì)産生😄旋(xuan)轉,方向(xiang)與渦輪(lun)葉片正(zheng)交,使得(dé)流體在(zai)軸向流(liu)動速度(dù)👨‍❤️‍👨不變的(de)基礎上(shàng)增加了(le)徑向的(de)旋轉運(yun)動,流體(tǐ)的旋轉(zhuan)方向與(yǔ)渦輪葉(ye)片的轉(zhuan)動方向(xiàng)一緻,在(zai)相同流(liu)量條件(jian)下,增加(jiā)了流體(tǐ)對渦輪(lún)葉片的(de)驅動力(li),實現降(jiàng)低啓動(dong)排量和(hé)提高分(fèn)辨率的(de)目的,整(zheng)體結構(gòu)如圖😘3所(suǒ)示。
 
2仿真(zhēn)研究
　　Workbench是(shì)ANSYS公司開(kai)發的協(xie)同仿真(zhen)環境,是(shi)将仿真(zhēn)過程結(jie)合在--起(qǐ)的平台(tai)，可以大(dà)大簡化(hua)仿真過(guo)程中各(ge)模塊間(jiān)的交📐互(hu)操作。通(tōng)✍️過幾何(he)建模(圖(tu)4)、網格劃(huà)分、計算(suàn)求解及(jí)後處理(lǐ)等過程(cheng),可以比(bǐ)較準确(que)地仿真(zhen)複雜機(ji)械模型(xing)的各物(wù)理參數(shù)場分布(bù)[2-4]。
 
　　利用Turbogid對(dui)計算域(yù)進行網(wǎng)格劃分(fen),将其劃(hua)分爲約(yuē)10萬個六(liù)面體網(wǎng)格。人口(kou)、出口部(bù)分爲.靜(jìng)止網格(ge)，,采用絕(jue)對參考(kao)系,葉片(piàn)部分爲(wèi)動網🤩格(gé),繞圓心(xin)轉動,采(cǎi)用相對(duì)參考系(xi)🈲,參考系(xi)轉動速(su)度與網(wǎng)格轉速(sù)相同。網(wǎng)格劃分(fen)情況如(rú)圖5所示(shì)。
 
　　如圖6~8所(suo)示,流體(tǐ)流經渦(wō)輪流量(liàng)計之前(qian),壓力較(jiao)高,速度(du)較低，經(jing)過導流(liu)片時産(chǎn)生旋轉(zhuan),速度得(dé)到提升(sheng),壓力降(jiàng)低。當通(tong)過導流(liú)片後,壓(yā)力、速度(du)基本不(bu)變,依然(ran)保持旋(xuán)轉狀态(tai)㊙️,遇到渦(wō)輪葉片(pian)阻擋後(hou),流速降(jiang)低,壓力(lì)進一-步(bu)減小，流(liu)體所攜(xie)帶的能(néng)量傳遞(dì)給渦輪(lún)葉片,對(duì)渦輪葉(ye)片産生(shēng)較大的(de)驅動力(li)矩,推動(dong)其轉動(dong)⚽。
 
　　爲了得(dé)到導流(liú)片螺旋(xuán)角與渦(wō)輪葉片(piàn)螺旋角(jiao)的匹🏃🏻‍♂️配(pei),利用ANSYS軟(ruan)件💋對不(bu)同角度(du)導流片(piàn)的驅動(dong)力矩進(jìn)行計算(suan)，其中管(guǎn)道直徑(jìng)爲14mm,渦輪(lún)葉片直(zhí)徑爲13.5mm,重(zhong)疊度爲(wèi)1.64,葉片螺(luó)旋角爲(wei)45°,導流片(piàn)螺旋角(jiǎo)分别設(shè)爲-35°、-45°和-55°,來(lai)流條件(jian)分别設(shè)❤️爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于(yu)速度較(jiào)低,采用(yong)層流模(mó)型,各不(bu)同工況(kuang)條件下(xià)渦輪葉(yè)片受📐到(dào)的驅動(dong)力矩情(qíng)況如圖(tu)🔞9所示。導(dao)流片🔞螺(luó)旋角爲(wèi)-45°時渦輪(lún)葉片受(shou)力更大(dà)🌈,更容易(yi)啓動。此(ci)時渦輪(lun)葉片螺(luo)旋角與(yǔ)導流片(pian)螺旋角(jiao)恰好成(chéng)90°,可充分(fen)利用流(liú)體動量(liàng)使渦輪(lun)葉片📱更(gèng)易啓動(dòng),模拟結(jié)果與上(shàng)述理論(lùn)分析相(xiàng)符。
 
3實驗(yan)研究
　　通(tong)過搭建(jian)實驗平(píng)台(圖10)對(duì)計算結(jié)果進行(hang)驗證。實(shí)驗平✌️台(tai)應具備(bèi)☀️以下兩(liǎng)個功能(neng):在低流(liu)量下能(neng)夠非常(cháng)平穩的(de)運💚行;具(ju)備精确(que)測量流(liú)量的功(gōng)能。
　　該平(píng)台以單(dan)相水流(liu)爲介質(zhi),循環流(liú)動通過(guò)水泵實(shi)現㊙️;流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量(liang)的精确(què)控制主(zhu)要通過(guo)固定上(shang)遊水位(wèi)和調節(jie)閥來實(shí)現,流量(liàng)的測量(liang)采用簡(jiǎn)便可靠(kào)的容積(jī)時間法(fǎ)。
 
　　實驗平(ping)台中上(shàng)方爲穩(wen)壓水箱(xiāng),提供-一(yī)個穩定(dìng)的壓力(li)源,在管(guǎn)道内阻(zǔ)力不變(bian)的情況(kuàng)下,保證(zhèng)管道内(nèi)流速不(bú)會發生(shēng)變🍉化,經(jīng)過2m長的(de)下降段(duan),流人渦(wō)輪流量(liang)計,随後(hou)流出實(shí)驗管道(dào),通過量(liang)筒計量(liàng)💁可以精(jīng)确得到(dao)管路内(nèi)✌️的流速(sù)。通過高(gao)速攝影(ying)可以清(qīng)晰的觀(guan)察👉低速(su)條件下(xià)渦輪流(liu)量計的(de)響應情(qíng)況。
　　爲了(le)驗證精(jing)度高渦(wo)輪流量(liàng)計的響(xiang)應情況(kuang),實驗将(jiang)👄精度高(gāo)渦🔞輪🤟流(liu)量計與(yu)傳統渦(wo)輪流量(liang)計在相(xiang)同條件(jiàn)下進行(hang)對比。
　　實(shi)驗介，質(zhi)爲單相(xiàng)水,流量(liang)範圍0~20m³/d,通(tong)過調節(jiē)不同的(de)流量點(dian)來記🔆錄(lù)輸出頻(pin)率,流量(liàng)點誤差(chà)優于1%,每(mei)次測量(liàng)時間爲(wèi)60s,采樣間(jian)隔爲5ms,每(mei)點測量(liang)3次取平(píng)均值,測(ce)量數據(jù)見表1。
 
4結(jié)論
4.1理論(lùn)研究與(yǔ)數值仿(pang)真确定(dìng)了精度(du)高渦輪(lún)流量計(jì)的合✍️理(li)結構🔞,即(ji)導流片(pian)螺旋角(jiao)爲-45°與渦(wō)輪葉片(piàn)正交時(shí),同樣來(lái)流條件(jian)下驅動(dong)力矩大(da)。
4.2.在單相(xiang)水條件(jian)下,高靈(ling)敏渦輪(lún)流量計(jì)啓動排(pái)量0.3m³/d,遠📧低(dī)🈲于傳🔅統(tong)渦輪流(liú)量計的(de)1.0m³/d,分辨率(lü)也有1.7倍(bei)的提高(gāo),可以解(jiě)決部分(fen)單井産(chǎn)量低于(yu)1.0m³/d的低産(chan)井的流(liu)量測量(liàng)問題。
4.3該(gai)流量計(ji)結構簡(jiǎn)單、調試(shi)方便、不(bú)改變現(xiàn)有儀器(qi)結構,易(yì)于規模(mó)推廣應(ying)用。

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