基于Fluent油田注水管道余压发电水轮机叶轮优化

王世明，马晨倍，张成林，刘安东，丁成林

（1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；
2.上海海洋可再生能源工程技术研究中心，上海 201306；
3.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092）

新疆油田注水系统功率损失主要环节为站内机组和配套管网，占总损失功率的60%以上，为注水系统关键工艺指标的主要制约因素。配套管网地层层间差异性大、非均质强、注水井分布散等特点造成了注水井的注水量、压力及位置分布不均匀，每一个井口需要的压力都不相同，从配水站输配时采用减压阀减压，平均节流减压达5.26MPa，最大节流减压达19.5MPa，这导致了能量的严重浪费。新疆油田公司通过整体降压局部增压、优化注水泵及注水管线调整、分压分层注水等一系列措施提高了注水系统效率，但仍无法避免单井注水节流问题。同时随着物联网技术的发展，现场工艺的改进，注水井的数据采集、远传、恒流配水装置等都需要用到电能，其负荷很低（<160W)，引电力线投资较高，经济性差。因此出于节能减排与节约引电成本的需求，可以利用水轮机代替部分减压阀的降压作用[1]，利用注水管道剩余压力能发电，满足油井井口监测设备的供电需求。

由于油田注水系统的水压极高，最高的井口水压可达20MPa，但是管道直径很小，仅为50mm，油田注水管内的流速很低，多数井口的工作流速不超过1.5m/s，无法通过水轮机型谱选型[3]。因此项目设计了多级叶轮-电机一体化发电设备。由于实验室设备水压最高可达10MPa，出于安全和保护设备密封性的考虑，无法频繁更换叶轮做实验。水轮机叶轮的翼型和叶片数目是影响水轮机的水力性能的重要因素[4]，因此本文利用计算机仿真软件Fluent对叶轮翼型和叶片数目进行仿真计算优化叶轮。

水轮机叶片翼型是影响水轮机获能效率极其重要的因素[5]，由于本文项目的水轮机并没有可以参考的翼型选型，因此目前设备选用了能够良好地适用于低流速水流的航空翼型NACA4412[6]。本文通过Profili软件分别改变翼型的最大相对弯度和最大相对厚度，然后利用Fluent软件仿真计算，分析比较各个翼型在低流速工况下的水动力特性，采用控制变量法，得出更适用于油田注水管道的水轮机翼型。

1.1 翼型模型建立和网格划分

本文使用Profili软件读取翼型的点坐标数据[7]，再利用该软件修改翼型，首先改变NACA4412的最大相对弯度为1%、7%记为W-1、W-7。通过数据对比，选择更优的翼型后，再将最大相对厚度改为8%、16%记为H-8、H-16.

图1 NACA4412翼型几何图形

从Profili获得翼型坐标数据后，将其处理并导入到软件ANSYS-ICEM中进行网格划分。为了获得更准确的计算结果，本文采用C型结构化网格。网格的左边界和翼型的前缘点设置为弦长的9倍，翼型的右边界和后缘点设置为弦长的20倍，上下边界为设置为机翼弦长的10倍。对翼型的边缘网格进行加密，如图2所示。边界条件设置：将左边界和上下边界定义为速度入口，速度为0.15m/s,将右边界定义为outflow。通过从-5°到20°的攻角变化来仿真对比。将网格导入Fluent后，在不同的攻角下监视每个翼型的升力系数，阻力系数和升阻比。

图2 翼型网格划分图

图3 翼型网格放大图

1.2 控制方程和湍流模型

在仿真计算时管道内水流可视为不可压缩流体，因此控制方程为二维连续性方程和二维不可压缩N-S方程[8]。

本文采用基于压力求解器的稳态计算，为了结果有一定的计算精度，使用Viscous中的Standardk-ε模型[11]。选取SIMPLE算法，其压力差值格式都设置为二阶精度，对连续性方程和不可压缩N-S方程求解。

1.3 计算结果和翼型选取

将三个翼型NACA4412、W-1、W-7划分好网格后，分别导入Fluent，通过改变X和Y方向的速度分量改变来流迎角得出计算结果。计算结果如图4所示。

图4 最大相对弯度水力性能数据图

由图可知，在0.15m/s的流速下，三个翼型的阻力系数差距不大，小于7°攻角时W-1的阻力系数更小，大于7°攻角时W-7的阻力系数更小。而相比之下W-7翼型的升力系数和升阻比在各个攻角下都为最大，且当攻角为4°时升力系数达到最大值，当攻角为11°时升阻比达到最大值，其流场分布如图5所示。因此为了应对低流速工况下水轮机有更好的水力性能，选用最大相对弯度更大的翼型。

图5 不同攻角下W-7的流场分布图

在确定W-7为上文中更优的翼型后，通过控制变量法，仅将W-7翼型的最大相对厚度更改为8%和16%，即H-8、H-16。将其划分好网格后，导入Fluent采用与上文相同的设置，计算不同攻角下翼型的水力性能数据，计算结果如图6所示。

图6 最大相对厚度水力性能数据图

由图可知，流速设定为0.15m/s时，当攻角为-3°～20°时，H-8翼型的升力系数最大。当攻角在-5°～-3°和8°～20°范围内时，H-16翼型的阻力系数最小，而H-8翼型在攻角-2°～7°范围内阻力系数最小，在攻角-3°到8°范围内升阻比最大。H-8翼型在攻角为10°时升力系数最大，在攻角为3°时升阻比最大，其流场分布如图7所示。在综合分析三者的水力性能数据曲线后，可以发现总体上H-8有着更好的水力性能表现，因此本文水轮机叶轮使用H-8翼型，即7%的最大相对弯度和8%的最大相对厚度。

图7 不同攻角下H-8的流场分布图

由于油田注水管道流速低，管径小，压力大，项目设计了多级叶轮串联的发电设备，简图如图8所示。为减少计算量，提高仿真精确度，本文利用SolidWorks对其中单级叶轮建立不同叶片数目的三维模型，再利用Fluent动网格并使用6 DOF计算方法仿真得出叶轮转速，然后在该转速下仿真计算叶轮的功率，效率和水头损失情况[12]。

图8 多级串联式叶轮简图

2.1 三维模型与fluent设置

本文利用SolidWorks对单级导叶、叶轮和管道建立与实验室设备相同尺寸的简化三维模型。如图9所示，管道出入口直径为50mm，叶轮出管道直径为100mm，导叶高度为10mm，翼型选用上文中的H-8翼型，选取叶片数为14、15、16、17、18、19、20，分别将模型导入ICEM软件分区域划分网格，并加密叶轮旋转域网格，如图10所示。生成足够质量的网格后导入Fluent，首先选择压力求解器进行瞬态动网格计算，设置RNGk-ε湍流模型，导入UDF动网格，使用6DOF方法。将入口设置为速度入口，取速度为0.7m/s，出口设置为压力出口，取压力为6MPa。选取算法为 SIMPLE算法。瞬态计算时选取Time Step Size为0.0001，Number of Iterations设置为100000。

图9 单级叶轮简化三维模型

图10 叶轮分区域划分网格图

2.2 计算结果与分析

经过Fluent软件仿真计算后，得出叶轮的转速和叶片数的关系，如图11所示。由图可知，当叶片数在14～20范围内，叶轮转速与叶片数的关系并不明显在250r/min上下。

图11 叶轮转速与叶片数的关系

由图12流场的速度云图与图13流场XY平面迹线图可知，水流从导叶流出后速度增加方向改变后冲击叶轮，由于流道变窄，叶轮两侧流速增大，最大流速可达2.36m/s，叶轮转体内为不均匀流速区域，水流流经叶轮和泄水锥后降速，并产生涡流，因此多级叶轮串联时需要合适的导叶导流。叶片由于曲度变化各位置受压力不同，如图14所示。

图12 流场XY平面速度云图

图13 流场XY平面迹线图

图14 叶轮叶片各位置压力云图

在瞬态计算结果得出转速后，利用Fluent定转速仿真，监控叶轮的转矩。水轮机输出功率的公式：

式(6)中，M—力矩N·m；
W—角速度rad/s；
n—转速r/min。

高压管道进出口的流速大小可视为不变，水平管道中也无重力势能变化，因此水轮机的工作水头公式[13]：

式中，z1、z2—管道进出口相对位置高度m；
P1、P2—叶轮进出口压力Pa；
v1、v2—进出口水流速度m/s；
ρ—水的密度，取1kg/m3；
g—重力加速度，取9.81m/s2。

则效率公式：

式(9)中，中Q—流量m3/s。

在Fluent中监控叶片的转矩，将计算结果代入上述公式后，可以计算得到不同叶片数叶轮的发电功率和发电效率，计算结果如图15，图16所示。由图可知，在叶片数为14～20的范围内，随着叶片数目增大，叶轮的输出功率增大，但叶轮输出效率随之降低。当叶片数为20时，叶轮的输出功率最高，为48W，且效率最低，为67.3%。当叶片数为14时，叶轮的输出效率最高，为78.2%，且输出功率最低，为30W。由于石油注水系统管道内的水压极高，最高压力可达20MPa，在输配工程中平均需要减压5.26MPa，最大需要减压19.5MPa，因此在选择叶片时，以提高输出功率为主，对效率没有过高要求，冗余压力任由减压阀减压。故本文选择叶片数为20。

图15 叶片数与输出功率曲线

图16 叶片数与输出效率曲线

对于石油注水管道高压余压发电，实验室已制造样机如图17，其设计原理如图18所示。将多级叶轮中的叶轮更换为优化后的叶轮，利用样机做多工况下的实际运转，改变压力泵输出功率，使叶轮入口压力表显示2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，通过发电机实际发电由上位机实际显示出优化前后该样机的发电功率和发电效率，如表2所示。由于优化单级叶轮，多级串联后各叶轮工况并非理想工况，水域互有干扰，水力损失加大，实际实验得出输出功率并非单级叶轮发电功率直接累加，符合实际情况。由数据可知，在各工况下，随着压力增大，样机发电功率增加，优化后的叶轮发电效率虽然都比优化前有所下降，但是优化后的叶轮发电功率有了显著的提升，满足优化目的。

图17 实验室余压发电设备

图18 实验室设备原理图

表1 叶轮优化前后实验数据

本文利用Fluent仿真计算，优化石油注水管道余压发电专用水轮机叶轮，得出以下结论：

1）通过Fluent对NACA4412翼型做最低工况下的仿真计算，当流速为0.15m/s时，最大相对弯度大的翼型水力性能更优，最大相对厚度小的翼型水力性能更优，因此在低流速下，本文选择最大相对弯度为7%，最大相对厚度为8%的翼型；

2）选择优化后的翼型进行建模后，通过Fluent仿真，得出叶轮随着叶片数目增加，输出功率增大，但发电效率降低，由于石油注水管道发电压力能冗余过多，只注重发电功率的需求，因此优化后选择叶片数为20，此时仿真结果功率为48W，效率为67.3%。

3）利用实验室样机替换优化后叶轮运转，由于串联后的叶轮都非理想工况，因此比单级叶轮仿真计算结果累加的水力损失大，但优化后叶轮在各工况下都有效提高了发电功率，满足对叶轮的优化目的。

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