旋转射流钻头叶轮结构参数对射流流场影响规律的研究

杨 雄，佟 健，冉小丰 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

在径向水平井高压水射流钻井过程中，旋转射流钻头的结构决定了旋转射流的性能，从而也影响了高压旋转水射流破岩的效率。中国石油大学等高校和一些学者对旋转射流钻头的叶轮、喷嘴结构进行了试验研究，并且取得了一定的成果[1，2]；笔者之前也通过Fluent软件对旋转射流钻头内外流场的速度与压力分布和变化规律进行了数值模拟[3]。但叶轮结构对射流流场的影响规律还没有进行深入的探讨。故此将就不同叶轮结构参数对射流流场的影响规律作进一步的研究。

1 确定叶轮结构参数

在影响射流流场的叶轮结构参数中，已经确定叶轮外径为25mm，轮毂直径为6mm；剩下需要考虑的叶轮结构参数为叶轮导向角β、叶轮叶片数n和叶轮长度L0。通过模拟和分析旋转射流的内外流场及应用翼型绕流理论[4]，研究以上3个叶轮结构参数对射流流场的影响规律。此外，在使用Fluent软件进行模拟分析时，首先在选定β、n和L0中任意2个结构参数的情况下，改变另外一个结构参数，设计叶轮结构进行模拟试验与分析。

2 结果与分析

在不同叶轮结构参数条件下，通过对旋转射流钻头内外流场的速度与压力分布和变化规律的数值模拟，得出叶轮入口S1截面和出口S2截面的速度分量 （轴向速度和切向速度）和压力分布 （入口压力和出口压力）（图1），通过计算得到流体通过叶轮之后的旋流强度和流量系数[4，5]，来分析不同叶轮结构参数对旋转射流流场的影响规律，同时还要考虑叶轮的加工制造精度和成本等因素，确定叶轮结构参数的合适范围。

2.1 叶轮导向角β对旋转射流流场的影响

随着叶轮导向角β的增大，叶轮出口S2截面上的轴向速度先增大后减小；切向速度则不断增大（图2）。其中，在β＝60°时，轴向速度达到最大；在β＝80°时，切向速度达到最大。由轴向速度和切向速度与旋流强度的关系计算可知，随着叶轮导向角β的增大，旋流强度也不断增大。

图1 叶轮入口和出口处截面位置示意图型

图2 不同叶轮导向角β对叶轮出口S2截面速度的影响

随着叶轮导向角β的增大，叶轮入口S1截面上的压力和叶轮出口S2截面上的压力均不断增加，对比图3（a）、（b）可知，叶轮入口S1截面和出口S2截面的压差不断增大。由于压差的平方根与流量系数成反比[4]，所以随着叶轮导向角β的增大，出口处的流量系数不断减小。

图3 不同叶轮导向角β对叶轮入口S1截面和出口S2截面压力的影响

随着叶轮导向角β的增大，旋流强度不断增大，所以旋转射流的扩散性增强，破岩面积增大[5]。但是出口处的流量系数不断减小，从而降低了射流破岩所需要的能量。因此，叶轮导向角β＝50～60°时，破岩效率较高。

2.2 叶轮叶片数n对旋转射流流场的影响

随着叶轮叶片数n的增加，叶轮出口S2截面上的轴向速度先增大后减小；叶轮出口S2截面上的切向速度不断增大 （图4）。其中，在叶轮叶片数n＝4片时，轴向速度达到最大；叶轮叶片数n＝7片时，切向速度达到最大。所以随着叶轮叶片数n的增加，旋流强度也不断增大。

随着叶轮叶片数n的增加，叶轮入口S1截面上的压力和叶轮出口S2截面上的压力均先减小后增大，对比图5（a）、（b）可知，叶轮入口S1截面和出口S2截面的压差不断增大。所以随着叶轮叶片数n的增加，出口处的流量系数不断减小。

从旋转射流破岩钻进的特点来看，需要在保证一定能量传输效率的前提下，尽可能提高旋流强度，而随着叶轮叶片数n的增多，旋流强度和流量系数却朝两个相反的方向变化。所以综合分析认为，在叶轮叶片数n＝4时，既能保证旋流强度，也不会使能量损失过大。另外，由于叶轮叶片数的增多，加工制造的精度和成本等也不断增加。

图4 不同叶轮叶片数n对叶轮出口S2截面速度的影响

图5 不同叶轮叶片数n对叶轮入口S1截面和出口S2截面压力的影响

2.3 叶轮长度L0对旋转射流流场的影响

随着叶轮长度L0的增加，叶轮出口S2截面的轴向速度和切向速度均先增大后减小。其中，在叶轮长度L0＝20mm时，轴向速度和切向速度同时达到最大 （图6）。所以随着叶轮长度L0的增加，旋流强度呈现上下波动状态。

随着叶轮长度L0的增加，叶轮入口S1截面上的压力先减小后略有增加，叶轮出口S2截面的压力不断减小，对比图7（a）、（b）可知，叶轮入口S1截面和出口S2截面的压差不断增大。所以，随着叶轮长度L0的增加，出口处的流量系数不断减小。

综合分析可知，叶轮长度L0为20～25mm范围内时，轴向速度和切向速度较大，旋流强度达到较大，能量损失小。

3 结 论

1）随着叶轮导向角β、叶轮叶片数n、叶轮长度L0的增加，叶轮出口处的轴向速度均是先增大后减小，而在叶轮出口处的切向速度均是增大，在叶轮入口和出口压差也是不断增大。

图6 不同叶轮长度L0对叶轮出口S2截面速度的影响

图7 不同叶轮长度L0对叶轮入口S1截面和出口S2截面压力的影响

2）研究表明，叶轮导向角β对射流流场的影响作用最大，叶轮叶片数n的影响次之，叶轮长度L0的影响程度最小。

3）当叶轮导向角β为50～60°，叶轮叶片数n为4，叶轮长度L0为20～25mm时，叶轮对流体加旋效果和能量传输效率相对来说可达到最佳。

[1]Ni H J，Wang R H.A study of the rock breaking mechanism during swirling water jet drilling [J].Petroleum Science，2004，1 （1）：39～44.

[2]何育荣，沈忠厚，王瑞和 .锥形旋转水射流的试验研究 [J].石油大学学报，1994，18（1）：30～34.

[3]杨雄，冉小丰，阳婷 .基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟 [J].石油天然气学报，2011，33（11）：154～157.

[4]王慧艺，周卫东 .旋转射流钻头的叶轮设计 [J].石油大学学报 （自然科学版），1997，21（4）：43～45.

[5]薛胜雄 .高压水射流技术与应用 [M].北京：机械工业出版社，1998.