基于ANSYS的高精度涡轮流量计设计

2014-08-02关松

化工自动化及仪表 2014年9期

关松

(大庆油田工程有限公司，黑龙江大庆 163712)

涡轮流量计以其结构简单、测量精度高、重复性好而广泛应用于油田流量测量领域。在我国，随着大部分油田进入开发中后期，低产井数量逐年增多。为了准确掌握这些低产井的产量情况，评估其可开采价值，需要准确测量其流量信息。众所周知，只有流量大于启动排量，涡轮流量计才会给出响应，所以研发设计出一种启动排量低的高精度涡轮流量计，无疑对于油田流量测量具有重要的意义。自20世纪30年代涡轮流量计发明后，经过国内外无数科研工作者的研究和探索，其基本理论和相应的模型都已非常成熟。但是目前对于涡轮流量计的研究主要集中在大流量条件下的使用，低流量条件下的启动和响应特性研究较少，难以满足实际生产中对于低流量条件下涡轮流量计的使用需求。

笔者利用目前流行的有限元计算软件ANSYS对涡轮流量计流场进行仿真计算，设计出一种高精度涡轮流量计，通过室内实验表明其启动排量和分辨率与传统涡轮流量计相比都有了大幅度的提高。

1 理论分析①

涡轮流量计作为速度式仪表，以动量矩守恒为基础，涡轮流量计基本力矩平衡方程为[1]：

(1)

式中Tb——轴与轴承的粘性摩擦阻力矩(流动产生的力矩)；

Td——涡轮流量计转动的驱动力矩；

Th——轮毂表面的粘性阻力矩；

Tm——磁电阻力矩和轴与轴承的机械摩擦阻力矩之和；

Tt——叶片顶端与传感器外壳的粘性摩擦阻力矩；

Tw——轮毂端面粘性摩擦阻力矩；

J——涡轮的转动惯量；

ω——涡轮转动的角速度。

当流速较低时，涡轮流量计处于静止状态，此时角速度ω非常低，接近于0，Tb和Tw也可以忽略不计。在这种情况下，式(1)可以简化为：

(2)

由式(2)可以看出提高驱动力矩是降低涡轮流量计启动排量的一条捷径。如图1所示，传统涡轮流量计入口端是直管段和轴向导流片，流体流经涡轮叶片之前只有轴向速度，对涡轮的驱动力矩只是对涡轮叶片作用力的径向分力产生的力矩。因为涡轮叶片螺旋角为45°，如果将导流片改为螺旋角为-45°的螺旋导流片(图2) ，当流体进入导流片时会产生旋转，方向与涡轮叶片正交，使得流体在轴向流动速度不变的基础上增加了径向的旋转运动，流体的旋转方向与涡轮叶片的转动方向一致，在相同流量条件下，增加了流体对涡轮叶片的驱动力，实现降低启动排量和提高分辨率的目的，整体结构如图3所示。

图1 普通涡轮导流片

图2 改进后的涡轮导流片

图3 改进后的涡轮流量计

2 仿真研究

Workbench是ANSYS公司开发的协同仿真环境，是将仿真过程结合在一起的平台，可以大大简化仿真过程中各模块间的交互操作。通过几何建模(图4)、网格划分、计算求解及后处理等过程，可以比较准确地仿真复杂机械模型的各物理参数场分布[2～4]。

图4 涡轮流量计几何模型

利用Turbogrid对计算域进行网格划分，将其划分为约10万个六面体网格。入口、出口部分为静止网格，采用绝对参考系，叶片部分为动网格，绕圆心转动，采用相对参考系，参考系转动速度与网格转速相同。网格划分情况如图5所示。

图5 涡轮流量计网格划分

如图6～8所示，流体流经涡轮流量计之前，压力较高，速度较低，经过导流片时产生旋转，速度得到提升，压力降低。当通过导流片后，压力、速度基本不变，依然保持旋转状态，遇到涡轮叶片阻挡后，流速降低，压力进一步减小，流体所携带的能量传递给涡轮叶片，对涡轮叶片产生较大的驱动力矩，推动其转动。

图6 速度场云图

图7 压力场云图

图8 速度场矢量图

为了得到导流片螺旋角与涡轮叶片螺旋角的最佳匹配，利用ANSYS软件对不同角度导流片的驱动力矩进行计算，其中管道直径为14mm，涡轮叶片直径为13.5mm，重叠度为1.64，叶片螺旋角为45°，导流片螺旋角分别设为-35°、-45°和-55°，来流条件分别设为0.1、0.2、0.3、0.4m3/d。由于速度较低，采用层流模型，各不同工况条件下涡轮叶片受到的驱动力矩情况如图9所示。导流片螺旋角为-45°时涡轮叶片受力更大，更容易启动。此时涡轮叶片螺旋角与导流片螺旋角恰好成90°，可充分利用流体动量使涡轮叶片更易启动，模拟结果与上述理论分析相符。