摘要:为了使涡轮流量传感器能保证在气体、黏性介质和小流量等流体条件下有测量性能，目前科技工作者对泥浆涡轮流量计结构的优化与改进做了大量的研究工作,但主要研究集中于传感器叶轮、轴承、非磁电信号检出器等部件的改进与优化方面。由于涡轮流量计内部几何参数较多，各参数对流量计精度影响.的机理也各不相同,并且各参数之间存在一定的交互作用,所以本文从各参数的交互作用出发,对涡轮流量.计结构参数进行了优化,研究各参数对其性能的影响,并利用CFD(计算流体动力学)进行仿真,探究各参数的作用机理,得到一组组合。仿真结果表明,仪表系数线性度误差由原来的5.23%降低到4.69%,流量计测量精度显著提高。
涡轮流量计是一种广泛应用于工业生产的流量计量仪表。当被测流体流过涡轮流量计内部的叶轮时，流体冲击叶轮，叶轮发生旋转。流量不同时,流体通过同一截面的流速就不同,对叶轮的冲击力也不同,造成叶轮的转速也不同。通过标定,用测量叶轮转速的方法来测量流体介质的流量。这种流量测量方式具有精度高、重复性好、量程范围宽、输出脉冲信号抗干扰性强的优势,在航空航天燃料计量、天然气计量、油品计量和贸易结算、工业生产过程监控等领域广泛采用”,但在计量黏度较高的流体时,其线性度降低,结果误差较大。为了计量高黏度流体而不得不采用涡轮流量计时,必须对具体的介质进行专门设计。为了计量固井泥浆。
1泥浆涡轮流量计的几何参数计算
涡轮流量计的基本结构如图1所示。
当流体通过涡轮流量计时,流体动能使叶轮旋转,流体流速越快,动能越大，叶轮转速也越高。因此,测出叶轮转数或转速,就可测量流过管道的流量。传感器将流量Q转换成叶轮转速ɷ,信号检出器把转速ɷ转换成脉冲信号频率ƒ,送入二次仪表进行显示和计数。单位时间内的脉冲数和累积脉冲数分别反映了瞬时流量和累积流量。由于涡轮流量计的转速以频率信号输出,所以可制成数字仪表,也便于与数控装置相配合。
通过流量计的流量和叶轮引起的频率关系为:
式中;qv表示瞬时体积流量;ƒ表示脉冲频率;k表示仪表系数。
对于结构参数确定的涡轮流量计,在其稳定运行后,不同的流量对应唯--不同的转速和频率ƒ。因此,影响流量计精度的主要因素为仪表系数,其表达式为:
式中:z表示叶片数;θ表示叶片倾角;r表示叶轮半径;A表示过流面积;ρ表示液体密度;qv表示瞬时体积流量;Tm表示摩擦力矩;Trf表示流动阻力矩。
仪表常数特性曲线如图2所示。从图2可以看出,仪表常数的线性范围与标定系数K。的关系直接影响着流量计的精度。
流量计设计的初始参数如下:流量计公称内径为.101.6mm,流量范围0~3m³/min,工作压力40MPa,钻井液密度1.2~1.3kg/m³,黏度50~60cSt。
涡轮流量计材料选用0Cr18Ni9不锈钢,考虑到工作压力为40MPa,设计压力p≤0.4[σ]'φ,按厚壁圆筒进行计算,根据中径公式和第一强度理论得出相应的筒体厚度为:
其中，D,表示圆筒内径,mm;pc表示计算压力，MPa;[σ]表示设计温度下圆筒材料的许用应力,MPa;φ表示焊接接头系数。
为了方便选取涡轮流量计参数,同时考虑到涡轮流量计的国家标准,选取公称外径为101.6mm的涡轮流量计,其余参数按经典取值表进行取值[5-1,其中叶片顶端间隙与管道半径之比t=2.0097,叶轮轮毂半径与叶轮叶片顶端半径之比q=0.495,叶片均方根平均半径位置的安装角b=42.38°,叶片顶端处叶栅具有的实度s=1.254。
涡流流量计叶轮部分结构参数如图3、图4所示,其中Rk为叶轮轮毂半径,mm;L为叶轮轮毂长度,mm;Rt为叶轮叶片顶端半径,mm;R0为流量计管道半径,mm;R1为叶轮旋转轴半径,mm。
流量计口径大小不同,叶片数量也应不同。小口径的流量计(D≤100mm),叶轮叶片数量通常为3~8片;大口径的流量计(D>100mm;),叶轮叶片数则通常为10片以上5。根据流量计设计准则得出的参数如表1所示。
根据以上参数建立流量叶轮与导叶的三维模型如图5所示。
2泥浆涡轮的仿真分析
2.1网格划分
将三维模型导人ANSYSICEM中，在ICEMCFD中将叶轮流域和导流件流域部分采用非结构化的四面体网格进行划分,前、后直管段流域均采用结构化的六面体网格进行划分。如图6所示,其网格质量的最小值为0.34,大于0.3,满足网格质量要求。
2.2边界条件
第一,仿真介质为实际状况下的油，其运动黏度为50cSt,密度为1.3kg/m3,流量范围为20~200m3/h,流量点分别取为:2、4、8、14m3/h和20m3/h。
第二,人口采用速度人口,通过具体的流量值、流体密度和传感器管道口径便可以计算出传感器的人口速度。
第三,出口采用压力出口,设置为一个标准大气压。第四,管壁,上、下导流体和叶轮表面均采用无滑移壁面边界条件
第五,为更好地模拟涡轮流量计在复杂流场状况下的运行规律,选用RSM湍流模型2.3模型仿真仪表系数
模型测量流量点与仪表系数关系如表2和图7所示;
从图7可知，涡轮流量计线性度误差为5.23%,且在小流量处的仪表系数变化很大,在大流量时较为平稳。
2.4几何参数对仪表系数的敏感性分析
涡轮流量计叶轮部分几何结构对测量精度影响很大。。本文选择模型流量计叶轮部分的几何参数(叶轮叶片顶端半径、叶轮轮毂半径、叶轮轮毂长度、叶片导程),通过单因素试验设计,即改变某--几何参数的结构尺寸的同时保持其余各参数不变,选取2、4、8、14m'/h和20m/h五个流量点进行仿真,以涡轮流量计仪表系数的线性度误差作为判断依据分析上述叶轮四个几何特征的敏感情况。仿真结果如图8至图11所示。
仿真结果显示,在单--改变某几何参数的情况下,均存在最优值,使得仪表系数线性度误差达到最小。
3泥浆涡轮流量计的优化设计
采用Box-Behnken中心组合设计方法，以叶轮叶片顶端半径、叶轮轮毂半径、叶轮轮毂长度、叶片导程这四个因素为自变量,流量计线性度误差为响应值,设计四因素三水平29个试验点的响应面优化试验。因素水平见表3。
使用DesignExpert软件在表3中变量的高低水平范围内寻优,取其中1个最优组合如表4所示,对其进行CFD计算,并与响应面回归方程的预测值和原始流量计仪进行比较[10]。，优化前后流量计参数如表5所示，优化前后的结果如图12所示。
从仿真数据得到,优化后的流量计模型,其仪表系数线性度误差由原来的5.23%降低到4.69%,拟合公式的预测值也与CFD计算值非常接近,为2.18%,这表示响应面法可以很好地用于涡轮流量计结构参数优化。从图12可以看出,优化后的流量计虽然在小流量处时仪表系数变化还是很大，但是在测量8~20m³/h流量时，其仪表系数变化较原始流量计更为平稳,且线性度误差为0.447%。这表明该流量计在测量流量为8~20m³/h时,该种流体时精度很高。
从图13可以看出,原始流量计模型受流体密度和高黏度的影响,速度分布不太均匀,且后导流件部分存在速度增大较为严重的情况,不利于流量计测量的提高。从图14可以看出,优化后的流量计整体速度分布更加均匀,后导流件部分没有速度增大较为严重的情况出现,这表明优化后的流量计模型提高了流量计的测量精度。
4结论
本文针对固井中的特殊工况,采用涡轮流量计计算公式，,对公称直径为101.6mm、叶片数为10的涡轮流量计的结构参数进行了重新设计,得到--组更适用于固井泥浆计量的结构参数。同时,利用CFD软件分析了流量计内流场特征,分析了不同叶轮几何参数对仪表系数的敏感性。仿真结果表明,在一定范围内,各几何参数分别存在一个优值,使仪表线性度误差最小。最后,采用Box--Behnken中心组合设计方法对涡轮流量计进行结构参数优化,在各参数的高低水平范围内寻优,最终得到一个组合,优化后的流量计在固井泥浆计量中测量精度显著提高,仪表系数变化更加平稳,其线性度误差明显降低,速度分布也更加均匀。
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