基于ANSYS的涡轮钻具密封支承节温度场分析

2012-07-20张晓东龚彦苟如意李俊华吴建萍

轴承 2012年3期

张晓东，龚彦，苟如意，李俊华，吴建萍

(1.西南石油大学机电工程学院，成都 610500；2.沙市钢管厂，湖北荆州 434001；3.西北油田分公司油气运销部，新疆巴州 841600)

涡轮钻具作为一种重要的井下动力钻具，广泛使用于油气田开发工程中。目前，我国自行研发的涡轮钻具均采用开式支承节，支承节中轴承组由多套四点接触球轴承或推力轴承构成[1]，轴承所有零件均由金属材料制造。轴承组浸泡在钻井液中冷却和润滑，工作环境恶劣，轴承磨损快，涡轮钻具一次下井的时间较短。在密封支承节中，把轴承组安装在密封的储油腔内，使轴承浸泡在润滑油中工作，极大地改善了轴承组的工作环境，降低了磨损速率。但由于涡轮钻具支承节中轴承所受的载荷大，工作转速高，因而发热量大，特别是当涡轮钻具在深井和超深井中工作时，井底温度高，若密封支承节散热不良，将引起温度升高，产生不利影响,如：

(1)使润滑油黏度下降，油膜厚度减小，润滑效果降低，特别是当温度超过润滑油许用温度时，润滑油将会变质甚至失效；

(2)改变轴承组的游隙，进而对轴承的磨损、噪声及寿命等产生较大影响；

(3)过高的温度会使密封腔内产生气体，形成高压，加速润滑油的泄漏。

因此，需要分析密封支承节在工作时达到稳态热平衡的温度分布，以确定其能否正常工作。本例基于热力学的基本理论建立密封支承节热力学模型，并运用ANSYS进行分析。

1 密封支承节的结构特点

目前，涡轮钻具的整体结构形式有多种，涡轮节和支承节的结构也各不相同，现针对某独立式涡轮节所配用的上部密封支承节(图1)进行分析。上支承节用于悬挂涡轮节，并承受涡轮节产生的水力载荷，轴承组浸润在密封的润滑油腔中。润滑油腔一端装有润滑油补偿活塞，其作用在于使润滑油具有一定的压力，以保证轴承组中的每一副轴承都得到充分的润滑，当润滑油泄漏时，腔内压力会降低，此时活塞将自动补上，以保持腔内压力；另一端装有机械密封，将润滑油腔与钻井液流道隔开，对轴承组进行密封。在密封腔外是连续流动的钻井液，密封支承节产生的热量通过对流换热和热传导等方式由钻井液带走。此外，在支承节轴的两端装有由内、外圈构成的径向轴承，用于扶正支承节轴。

1—支承节轴；2—机械密封；3,6—径向轴承；4—外壳；5—四点接触球轴承；7—润滑油腔；8—活塞；9—壳体

2 热系统建模

2.1 支承节的生热分析

该密封支承节中热量的产生来源主要包括以下三部分：一是轴承组摩擦生热；二是机械密封动静环摩擦生热；三是径向轴承的摩擦生热。其中，轴承组在重载下高速旋转，各轴承的摩擦生热是该热系统的主要产热源。机械密封只有一组动静环发生摩擦，且处在密封腔的端部，靠近钻井液，其摩擦生热相对轴承组较小，易被钻井液冷却。现有的加工制造工艺可以保证轴承组安装在壳体以后，支承节偏离中心的距离很小，故径向轴承的载荷很小，甚至内、外圈不发生接触，其摩擦生热相对轴承组而言就更小，因此，机械密封和径向轴承的摩擦生热均可以忽略不计。在四点接触球轴承工作中，钢球与内、外圈表面相对运动而生热，主要包括球与沟道的差动滑动生热、球的陀螺转动生热、球的自旋生热和球的润滑拖动生热4部分，且均可以计算[2]，在此不赘述。轴承生热由传递的功率损失转化而来，将轴承整体作为研究对象，计算滚动轴承的生热公式为[3]

H=1.047×10-4Mn，

(1)

式中：H为摩擦损失的功率，kW；n为轴的转速，r/min；M为轴承摩擦力矩，N·mm。

根据试验研究提出了摩擦扭矩的经验计算式为[3]

M=M0+M1，

(2)

式中：M0为与润滑剂黏度、轴承转速有关的黏性摩擦力矩，N·m；M1为与轴承载荷大小、接触弹性变形分量及滑动摩擦有关的载荷摩擦力矩，N·m。

M0=f1FβDpw，

(3)

(4)

(5)

式中：f1为与轴承结构和载荷有关的系数；Fβ为与轴承载荷的大小和方向有关的参数，N；Dpw为球组节圆直径，m；f0为与轴承类型和润滑方式有关的系数；v0为润滑油运动黏度，m2/s。各参数的取值参见文献[3]。

2.2 系统传热模型的建立

根据密封支承节结构，在轴承组中，钢球与内、外圈摩擦生热，热量一方面传导给内、外圈，另一方面传递给润滑油。润滑油在内圈及钢球的搅拌作用下形成强制对流，使得热量在较短时间内能均布在钢球、内外圈靠近钢球侧及润滑油中。因此，在简化该热系统模型时，可把内圈与钢球接触斜面到外圈与钢球接触斜面的整个区域，包括钢球及润滑油在内的区域视作热源区，即图2所示的轴承中心区。

图2中示出了热传递的路径。因轴高速旋转，对腔内的润滑油产生了强烈搅动作用，所以与润滑油接触的热交换qf，qd，qb属于有限小空间内的强制对流换热，工程中通常把这种复杂的换热用相当的导热过程来计算[4]。与轴承中心区接触的轴承外圈、外壳和轴承内圈及轴间的热传递qc，qe，qa属于热传导过程，系统外是流动的钻井液，系统与外界的热交换qm，q1，qn是强制对流换热。在该热系统中热辐射很小，不是主要的传热方式，故可以忽略。在ANSYS中，将该系统模型处理为材料属性不同的4部分，即轴承中心区、轴承内圈和外圈、润滑油(工作时润滑油腔充满润滑油)、外壳与轴及活塞部分。

图2 系统传热模型图

2.3 钻井液强制对流边界

钻井液在涡轮钻具壳体和密封腔外壳之间的环中流过，高速流动对密封腔进行了冷却，密封腔壁与钻井液之间是对流传热，在分析过程中采用第3类边界条件有[4]

(6)

式中：k为流体的导热系数，W/(m·℃)；l为流体温度变化最快方向的距离，m；Tf为流体介质的温度，℃；h为表面对流换热系数，W/(m2·℃)。

钻具在钻进工作中，特别是深井或超深井钻井，钻井液从井口流向井底的过程中，钻井液被地层和上返的钻井液加热，可近似地认为钻井液的温度等于随钻地层温度。根据随钻测试或预测资料[5]，可计算钻具密封腔外钻井液介质的温度和表面对流系数。由管内紊流对流换热理论有

(7)

(8)

式中：NN为Nusselt数；D为密封腔外壳外直径，m；ρ为流体的密度，kg/m3；μ为流体的黏度，N·s/m2；V为流体的流速，m/s；C为流体的热容量，J/(kg·K)。

根据上述分析，结合某涡轮钻具的工作参数，输出扭矩1 300 N·m，转速为800 r/min，由(1)式及该型支承节所使用的四点接触球轴承的尺寸，计算得到轴承区的发热率为8.75×106W/m3，在3 900 m的地层连续工作。当用ANSYS分析时，输入以下数据：轴承内、外圈的导热系数为46 W/(m·℃)；壳体及轴的导热系数为36.2 W/(m·℃)；钻井液的对流换热系数为2 801 W/(m2·℃)，温度为140 ℃。对于润滑油，考虑轴搅动对换热的影响，通过在有限空间的当量换算得到润滑油的当量导热系数为40 W/(m·℃)。

3 仿真结果分析

按前述所简化的热系统模型，在ANSYS中建模，并计算分析，结果如图3、图4所示。

由图3和图4可知：从钢球所在的轴承中心区到轴中心的区间温度高，热流率低，当达到热平衡后，热量几乎不在该区域径向传递；在轴向上，热流率逐渐增大然后减小，说明中心高温区的热量向两端传递，由于靠近轴承中心区的温度高，温差大，传递快，逐渐远离中心区后，温差梯度减小，热传递的速度逐渐降低。在轴承中心区外侧径向方向，温度降低较快，热流率大，说明钻井液的冷却作用明显，轴承摩擦产生的热量大部分通过该区域由钻井液带走。并且热流率在该区域中间大，两端逐渐降低，说明轴承组中部的轴承发热量主要是向壳体传递，同时还向轴承组两端传递，两端轴承的冷却效果好于中心区轴承。钻具中心区的润滑油温度为299.18 ℃，平均温度为153.7 ℃，因此，选择适宜的耐高温润滑油才能确保主机长时间的正常工作。