涡轮钻具弯扭叶型设计及其水力性能研究.doc

涡轮钻具弯扭叶型设计及其水力性能研究涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具,主要工作元件是涡轮定子和转子,其作用是将高压钻井液液体能量转化为主轴上的机械能。涡轮钻具的机械性能主要取决于涡轮定、转子叶栅的水力特性,而叶型特征又是影响叶栅水力特性的主要因素之一。目前,针对涡轮叶型特征的研究主要集中在截面型线特征和空间曲面特征。各种型线设计方法庞杂、缺乏统一性,无法对比分析其优劣势,且用在涡轮钻具上的叶片大多数为直叶片,缺乏对空间叶型的研究。因此,开展涡轮叶片型线造型方法及空间叶片形状特征对其水力特性的影响研究具有重要意义。本文以石油钻井现场应用的φ175涡轮钻具叶片为研究对象,以叶片型线参数化设计及复杂空间叶片成型为研究基础,采用数值模拟仿真分别对叶片型线设计参数和空间叶片成型规律与其水力性能之间的影响关系进行了分析和研究,主要研究内容及成果如下:(1)以涡轮钻具尺寸参数和性能参数为原始数据,基于统一的设计参数和坐标系,分别推导了不同曲线造型方法下的数学表达式。并综合分析了不同型线造型方法的优劣势,确定了适合涡轮叶片型线参数化设计的造型方法。(2)研究了不同空间叶片复杂曲面的造型方法,同时推导了相关空间叶型积叠线的解析表达式。通过分析空间叶片设计参数对叶片形状的影响,并以实际参数为例建立了相关叶片模型,验证了通过积叠参数控制空间叶型的可行性。(3)结合VB与MATLAB混合编程和VB对SolidWorks的二次开发技术,设计并开发了一款基于φ175涡轮钻具叶片型线参数化设计及建立单流道仿真模型的交互式软件,为不同空间叶型及参数下的叶片进行水力性能仿真奠定了建模基础。(4)基于相关参考文献试验数据,对数值模拟仿真结果的有效性进行了验证。分别研究了直叶片型线安装角、前后缘锥角对涡轮特性曲线的影响规律。基于直叶片分析基础,分别开展了空间叶片在不同弯曲形式、弯曲角、倾斜角、扭曲形式、扭曲角下的涡轮特性曲线和效率提升率的研究。并对叶片流场内的速度和压力分布情况进行了分析,得到了综合性能最佳的结构参数,为涡轮钻具叶片设计和优化改造提供了理论参考。