本文關(guān)鍵詞：氣體渦輪鉆具變幾何研究及加工實現(xiàn)

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【摘要】：隨著油氣勘探、開發(fā)難度的不斷增大,以及原油價格暴跌,石油行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在解決各種復雜技術(shù)難題時,欠平衡鉆井技術(shù)以其獨特的優(yōu)點,大量應用于實際工程中；另一方面,渦輪鉆具作為井下動力鉆具的分支,被廣泛應用于水平井、超深井等領(lǐng)域。而傳統(tǒng)的渦輪鉆具使用鉆井液作為動力來源,不能滿足欠平衡鉆井的需求,為解決這一工程實際問題,本文在調(diào)研國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上,以降低研發(fā)成本、快速形成生產(chǎn)條件為出發(fā)點,改進傳統(tǒng)液體渦輪鉆具的設(shè)計,使其滿足欠平衡鉆井的要求,并實現(xiàn)對改進設(shè)計后的渦輪鉆具葉輪的快速生產(chǎn)。由于欠平衡鉆井主要使用氣體作為工作介質(zhì),針對氣體介質(zhì)的特性,本文首先對傳統(tǒng)液體渦輪鉆具的設(shè)計方法進行了研究,并借鑒蒸汽透平的設(shè)計理論與方法；在對以上兩種透平機械進行研究并歸納后,提出了傳統(tǒng)渦輪鉆具在氣體條件下,可能會存在的問題與不足,并擬定了氣體渦輪鉆具的設(shè)計方法。為了驗證以上假設(shè),本文選擇WZ-115型液體渦輪鉆具作為研究對象,運用計算機CFD模擬技術(shù),進行了單級仿真以驗證其氣體介質(zhì)下的工作能力；并進行該工況下10級渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片的聯(lián)合工作仿真,輸出數(shù)據(jù)表明,氣體介質(zhì)下的渦輪鉆具的確存在流體流速過快、各級輸出差異大、流場混亂等問題。針對以上問題,本文提出了采用葉片變幾何技術(shù),對WZ-115型渦輪鉆具葉片的結(jié)構(gòu)進行改進。本文首先對單級定、轉(zhuǎn)子葉片進行了變幾何研究,計算機模擬結(jié)果表明,隨著葉片安裝角的增大,單級葉片的輸出性能得到控制,流場形態(tài)也得以改善。本文進一步將修改安裝角后的定、轉(zhuǎn)子葉片分別用于10級渦輪的最后一級,以及最后三級,并進行多級渦輪聯(lián)合工作模擬,數(shù)據(jù)顯示,末一級和末三級葉片的安裝角變幾何后,各級輸出性能相比變幾何前更為平均,流場內(nèi)部流體運動速度降低,流場中脫流等現(xiàn)象得到控制,渦輪整體效率得到提高。通過對變幾何技術(shù)的研究,證明了該技術(shù)有利于提高氣體介質(zhì)下渦輪鉆具的整體性能,使得傳統(tǒng)液體渦輪鉆具的設(shè)計能夠滿足欠平衡鉆井的要求。為了進一步驗證變幾何后的渦輪鉆具葉輪可以滿足實際加工的需要,本文基于UG軟件,對變幾何后的葉輪進行了三維建模、工藝分析、程序編譯,并設(shè)計加工了專用夾具,實現(xiàn)了對變幾何后的渦輪鉆具葉輪的一體成型加工。通過本文的研究,證明了變幾何技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)渦輪鉆具在氣體介質(zhì)下存在的問題與缺陷,通過運用該技術(shù),可以在不改變渦輪葉片葉型的前提下,滿足氣體鉆井的需求,節(jié)省了大量的研發(fā)時間和加工成本,為企業(yè)、社會帶來效益。
【關(guān)鍵詞】：渦輪鉆具 氣體鉆井 CFD 變幾何技術(shù) 葉輪加工
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TE921.2
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-15
• 1.1 本文的研究背景及意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析10-13
• 1.2.1 欠平衡鉆井的國內(nèi)外研究情況10-11
• 1.2.2 渦輪鉆具的國內(nèi)外研究情況11-12
• 1.2.3 氣體渦輪鉆具研究情況12-13
• 1.3 本文的研究內(nèi)容及技術(shù)路線13-15
• 1.3.1 本文的研究內(nèi)容13-14
• 1.3.2 本文的創(chuàng)新點14
• 1.3.3 技術(shù)路線14-15
• 第2章 渦輪鉆具葉片設(shè)計原理15-29
• 2.1 液體渦輪鉆具設(shè)計理論15-20
• 2.1.1 葉柵流動參數(shù)計算15-18
• 2.1.2 葉柵設(shè)計無因次系數(shù)18-20
• 2.1.3 速度三角形與無因次系數(shù)20
• 2.2 蒸汽透平設(shè)計理論20-27
• 2.2.1 熱力學概念與條件21-22
• 2.2.2 蒸汽透平葉柵優(yōu)化理論22-26
• 2.2.2.1 級的輪周效率23-24
• 2.2.2.2 級的輪周效率與最佳速比24-26
• 2.2.3 優(yōu)化目標26-27
• 2.3 氣體渦輪鉆具設(shè)計方法27-28
• 2.4 小結(jié)28-29
• 第3章 氣體渦輪鉆具工作特性研究29-42
• 3.1 單級渦輪性能模擬29-35
• 3.1.1 葉型繪制與網(wǎng)格劃分30-32
• 3.1.2 湍流模型與邊界條件32-33
• 3.1.3 計算與分析33-35
• 3.2 多級渦輪性能模擬35-39
• 3.2.1 邊界條件設(shè)置35-36
• 3.2.2 計算結(jié)果36-39
• 3.3 結(jié)論分析39-41
• 3.4 小結(jié)41-42
• 第4章 氣體渦輪變幾何研究42-62
• 4.1 研究方法42-46
• 4.1.1 變幾何技術(shù)介紹42-43
• 4.1.2 變幾何原理43-44
• 4.1.3 改良目的44-46
• 4.2 單級葉片變幾何性能研究46-50
• 4.2.1 流場形態(tài)46-48
• 4.2.2 性能輸出48-50
• 4.3 多級葉片末單級變幾何研究50-56
• 4.3.1 輸出性能50-53
• 4.3.2 流場形態(tài)53-54
• 4.3.3 氣動效率54-56
• 4.4 多級葉片末多級變幾何研究56-60
• 4.4.1 研究方法56-57
• 4.4.2 輸出性能與流場57-59
• 4.4.3 氣動效率59-60
• 4.5 小結(jié)60-62
• 第5章 葉輪加工方法研究62-76
• 5.1 加工方法62-64
• 5.1.1 UG程序簡介62-63
• 5.1.2 加工方法63-64
• 5.2 三維模型繪制64-67
• 5.2.1 葉型參數(shù)導出65
• 5.2.2 三維模型繪制65-67
• 5.3 加工程序編譯67-70
• 5.3.1 參數(shù)設(shè)置67-69
• 5.3.1.1 UG/CAM參數(shù)設(shè)置67-68
• 5.3.1.2 流道底面加工68-69
• 5.3.2 程序生成69-70
• 5.4 夾具設(shè)計與毛坯裝夾70-73
• 5.4.1 夾具設(shè)計70-72
• 5.4.2 毛坯裝夾72-73
• 5.5 加工試驗73-74
• 5.6 小結(jié)74-76
• 第6章 結(jié)論與展望76-78
• 6.1 結(jié)論76-77
• 6.2 展望77-78
• 致謝78-79
• 參考文獻79-81
• 附錄81-83
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及科研情況83

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本文編號：1117409