摘要:爲了解(jie)決數量逐年(nián)增多的低産(chǎn)井流量測量(liàng)問題,設計了(le)一種精度高(gao)渦輪流量計(jì) 。通過理論分(fèn)析與數值仿(pang)真對 渦輪流(liú)量計 的三維(wei)流場進行了(le)分析,并優化(huà)出其最合理(lǐ)結構。利用👅實(shí)📞驗裝❓置将精(jing)度高渦輪流(liu)量計與傳統(tǒng)渦輪流量計(ji)的響應特性(xìng)進行了對比(bi),結果表明,精(jīng)度高渦輪流(liú)量計在單相(xiàng)水介質中，啓(qi)動排量0.3m³/d,低于(yú)傳統渦輪流(liú)量計的1.0m³/d,分辨(bian)率也有1.7倍💃🏻的(de)提高,可見精(jīng)度高渦輪流(liu)量計在低流(liú)量測量中具(jù)有良好的應(yīng)用前景。
　　渦輪(lún)流量計以其(qí)結構簡單、測(ce)量精度高、重(zhong)複性好♊而廣(guang)泛應用于油(you)田流量測量(liàng)領域。在我國(guo),随着大部分(fen)油田進入㊙️開(kai)發中後期,低(di)産井數量逐(zhú)年增多。爲了(le)準确掌握這(zhe)些低産井的(de)産量情況，評(píng)估其可開采(cai)價值,需要準(zhǔn)确⛷️測量其流(liú)量信息。衆所(suo)周知，隻🌈有流(liú)量大于啓動(dong)排量,渦輪流(liú)量計才👌會給(gěi)出響應🔴,所以(yi)研發設計出(chu)一種啓動排(pai)量低的精度(dù)高👨‍❤️‍👨渦輪流量(liàng)計,無疑對于(yú)🔅油田流量測(ce)量具有重要(yao)的意義。自20世(shì)紀30年代渦輪(lún)流㊙️量計發明(ming)後,經過國内(nei)外無數科研(yan)工作者的研(yán)究和探索,其(qí)基本理論和(hé)相應的模型(xing)都已非常成(chéng)熟。但是♋目前(qián)對于渦輪流(liú)量計的研究(jiū)主要集中在(zài)大流量條件(jiàn)下的使用,低(dī)流量條✂️件下(xia)的啓動和響(xiang)應特性研究(jiu)較🌏少,難以滿(mǎn)足實際生産(chan)中對于低流(liú)量條件下渦(wo)輪流量計的(de)使用需求。
　　利(lì)用目前流行(hang)的有限元計(ji)算軟件AN-SYS對渦(wō)輪流量計流(liú)場進行♌仿真(zhen)計算,設計出(chū)一種精度高(gao)渦輪流量計(jì),通過室内實(shí)👌驗表明其啓(qǐ)動排量和分(fèn)辨率與傳📧統(tǒng)渦輪☀️流量計(jì)❓相比都有了(le)大幅度的🛀🏻提(tí)高。
1理論分析(xī)①
　　渦輪流量計(jì)作爲速度式(shì)儀表,以動量(liang)矩守恒爲基(ji)礎🐅,渦輪流量(liang)計基本力矩(ju)平衡方程爲(wèi)[1]:
 
式中
Tb一軸與(yǔ)軸承的粘性(xìng)摩擦阻力矩(jǔ)(流動産生的(de)力矩);
Td一渦輪(lún)流量計轉動(dong)的驅動力矩(jǔ);
Th一輪毂表面(mian)的粘性阻力(li)矩;
Tm一磁電阻(zu)力矩和軸與(yu)軸承的機械(xiè)摩擦阻力矩(ju)之和;
T1一葉片(piàn)頂端與傳感(gan)器外殼的粘(zhan)性摩擦阻力(li)矩;
Tw一輪毂端(duan)面粘性摩擦(ca)阻力矩;
J一渦(wō)輪的轉動慣(guàn)量;
ɷ-渦輪轉動(dòng)的角速度。
　　當(dāng)流速較低時(shí),渦輪流量計(jì)處于靜止狀(zhuang)态,此時角速(sù)度ɷ非常低,接(jie)近于0,Tb和Tw也可(ke)以忽略不計(ji)。在這種情況(kuang)下，式(1)可👨‍❤️‍👨以簡(jian)化爲:
 
　　由式(2)可(kě)以看出提高(gao)驅動力矩是(shì)降低渦輪流(liú)量計啓動排(pai)量的🌂一-條捷(jie)徑。如圖1所示(shi)，傳統渦輪流(liu)量計入口端(duan)是直管段和(hé)軸向導流片(pian),流體流經渦(wō)輪葉片之前(qian)隻有軸向速(su)度,對渦輪的(de)驅動力矩隻(zhi)是對渦輪葉(ye)片作用力的(de)徑向分力産(chǎn)生的力矩。因(yīn)爲渦輪葉片(pian)螺旋♌角爲45°,如(rú)果将導流片(pian)改爲螺旋角(jiao)爲-45°的螺旋導(dao)流片(圖2),當流(liu)體進入導流(liu)片時會産生(sheng)旋轉,方向與(yǔ)渦輪葉片正(zheng)交,使得流體(tǐ)在軸向流動(dong)速度不變的(de)基礎上增加(jiā)了徑向的旋(xuán)轉運動,流體(tǐ)的旋🛀🏻轉方向(xiang)與🙇🏻渦輪葉片(pian)的轉動方向(xiàng)一緻,在相同(tong)🈲流量🔆條件下(xià),增加了流體(ti)對渦輪葉片(piàn)的驅動力,實(shi)現降💋低啓動(dòng)排量和提高(gāo)分辨率的目(mu)的,整體結構(gou)如圖3所示。
 
2仿(páng)真研究
　　Workbench是ANSYS公(gong)司開發的協(xié)同仿真環境(jing),是将仿真過(guò)程結合在🔆--起(qi)的平台🌈，可以(yi)大大簡化仿(páng)真過程中各(gè)模塊間⭐的交(jiao)互操👉作。通過(guo)幾🍓何建模(圖(tú)4)、網格劃分、計(jì)算求解🔞及後(hòu)處理等過程(chéng),可以🌏比較準(zhun)确地仿真複(fu)雜機械模型(xíng)的各物理參(cān)數🛀🏻場分布[2-4]。
 
　　利用Turbogid對計(ji)算域進行網(wǎng)格劃分,将其(qí)劃分爲約10萬(wan)個六面體網(wǎng)格。人口、出口(kǒu)部分爲.靜止(zhi)網格，,采用絕(jue)對參考系,葉(ye)片部♍分爲動(dòng)網格,繞圓心(xīn)轉動,采用相(xiang)對參考系♋,參(cān)考系轉動速(su)度與網格轉(zhuǎn)速相同。網格(gé)劃分情況如(rú)圖5所示。
 
　　如圖6~8所示,流(liu)體流經渦輪(lún)流量計之前(qián),壓力較高,速(sù)度較低，經過(guo)💋導流片時産(chan)生旋轉,速度(du)得到提升,壓(yā)力降低。當通(tong)過導流片後(hou),壓力、速度基(ji)本不變,依然(rán)保持旋轉狀(zhuàng)态,遇到渦輪(lún)葉片阻擋後(hòu),流速降低,壓(ya)力進一-步減(jian)小，流體所攜(xié)帶的能量傳(chuan)遞給渦輪葉(yè)片,對渦輪葉(ye)片産生較大(da)的驅動力矩(ju),推動其轉動(dong)。
 
　　爲了得到導(dao)流片螺旋角(jiao)與渦輪葉片(pian)螺旋角的匹(pǐ)配,利用ANSYS軟件(jiàn)對不同角度(du)導流片的驅(qū)動力矩進行(háng)計算，其中管(guǎn)道直徑爲14mm,渦(wō)輪葉片直徑(jìng)爲13.5mm,重疊度爲(wèi)1.64,葉片螺旋角(jiǎo)爲✍️45°,導流片螺(luo)旋角分别設(shè)爲-35°、-45°和-55°,來流條(tiao)件分别設爲(wèi)0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于速度較(jiao)低,采用層流(liú)模型,各不同(tóng)✍️工況條件下(xià)渦輪葉片受(shòu)💔到的驅動力(li)矩情況如圖(tu)9所示。導流片(piàn)螺旋角爲-45°時(shí)渦輪葉片受(shòu)力更大,更容(rong)易啓動。此時(shí)渦輪葉片螺(luó)旋角與導流(liu)片螺旋角恰(qià)好成90°,可充分(fèn)利用流🧡體動(dòng)量使渦輪葉(ye)片更易啓動(dong),模拟結果與(yǔ)上述理論分(fèn)析相符。
 
3實驗(yàn)研究
　　通過搭(da)建實驗平台(tai)(圖10)對計算結(jie)果進行驗證(zhèng)。實驗平台應(yīng)具備以下兩(liang)個功能:在低(di)流量下能夠(gòu)非常平穩的(de)運行;具備精(jing)确測量流量(liang)的功能。
　　該平(ping)台以單相水(shuǐ)流爲介質,循(xún)環流動通過(guo)水泵實現;流(liu)量的精确控(kong)制主要通過(guo)固定上遊水(shui)位和調節閥(fá)🍓來實現,流量(liang)的測量⛷️采用(yong)簡便可靠的(de)容積時間法(fǎ)。
 
　　實驗平台中(zhōng)上方爲穩壓(ya)水箱,提供-一(yi)個穩定的壓(ya)力⭕源,在管道(dào)🔞内阻力不變(bian)的情況下,保(bǎo)證管道内流(liú)速不會發生(shēng)變化,經❤️過2m長(zhǎng)的下降段,流(liu)人渦輪流量(liang)計,随後流出(chū)實驗管道⚽,通(tōng)過量👣筒計量(liang)可以精确得(dé)到管路内的(de)流速。通過高(gāo)速攝影可以(yi)清⭐晰的觀察(chá)低速條件下(xià)渦輪流量計(jì)☁️的響應情況(kuang)❄️。
　　爲了驗證精(jing)度高渦輪流(liú)量計的響應(ying)情況,實驗将(jiāng)❗精度高渦輪(lun)流量計與傳(chuán)統渦輪流量(liàng)計在相同條(tiáo)🌏件下進行對(duì)比。
　　實驗介，質(zhì)爲單相水,流(liu)量範圍0~20m³/d,通過(guo)調節不同的(de)流量點來✉️記(jì)錄輸出頻率(lü),流量點誤差(cha)優于1%,每次測(ce)量時間爲60s,采(cai)樣間隔爲5ms,每(mei)點測量3次取(qu)平均值,測量(liang)數據見表1。
 
4結(jie)論
4.1理論研究(jiu)與數值仿真(zhen)确定了精度(du)高渦輪流量(liang)計的🌈合理✂️結(jie)構,即導流片(piàn)螺旋角爲-45°與(yu)渦輪葉片正(zheng)交時,同樣來(lai)流條件下驅(qū)動力矩大。
4.2.在(zai)單相水條件(jiàn)下,高靈敏渦(wo)輪流量計啓(qǐ)動排量0.3m³/d,遠低(di)于傳統渦💯輪(lun)流量計的1.0m³/d,分(fèn)辨率也有1.7倍(bèi)的提高,可以(yǐ)解決部分單(dān)💜井産量低于(yú)1.0m³/d的低産井的(de)流量測量問(wèn)題。
4.3該流量計(ji)結構簡單、調(diào)試方便、不改(gai)變現有儀器(qi)結構,易于規(guī)🆚模推廣應用(yong)。

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