涡轮钻具涡轮叶片设计及水力性能仿真优化研究.doc

涡轮钻具涡轮叶片设计及水力性能仿真优化研究涡轮钻具是高温或深孔地质钻探施工的必备工具，其在石油系统中的研究与应用得到了长足的发展，在取心及地质钻探中的应用相对较少，俄罗斯及北美在涡轮钻具技术上具有领先地位，对地质用涡轮钻具的研究为解决我国大陆科学深钻、地壳探测工程、高温地热资源勘探等国家重大工程深部钻进面临的高温高压问题有着重大意义。在涡轮钻具的研究中，其性能的高低主要取决于涡轮叶片的水力性能，而其最关键的环节就是涡轮叶片的型线设计；在涡轮叶片型线设计中，叶片的叶背叶盆的型线选择直接影响着涡轮钻具的水力性能。本文首先分析了涡轮叶片型线对液流流动参数的影响，认为影响涡轮性能的主要因素是叶片型线上局部存在不连续的曲率，为了减少水力损失，在叶片设计时选取叶片压力面和吸力面型线为具有连续三阶导数的单型线；其次，通过推导叶片型线与几何参数关系、定量求解方法和叶片型线检验要求，提出用五次多项式构造叶片型线，基于以上推论，采用SolidWorks三维造型软件设计出了地质钻探用的φ127涡轮钻具叶片，给出了叶片、涡轮节三维模型，结合计算机辅助设计可以很好的优化涡轮叶片形状，改进涡轮性能，大幅度提高了设计质量和总效率。最后，论文将三维实体建模导入ANSYSCFD模块，通过CFD前置处理器等工具真实、准确地建立涡轮定、转子的单周期跨叶片流道计算模型，详细介绍了边界条件的设置方法。通过这种方法可以很好地对叶片叶型进行优化。论文中还模拟出优化设计后的涡轮叶片在不同流量、不同粘度下的速度场和压力场分布，证实了通过应用CFD技术可以快速、有效、准确地对涡轮定、转子叶片的流场进行分析。此外，对不同流量下涡轮钻具的水力性能进行了预测。