【摘要】：葉輪機械作為一種應用極為廣泛的旋轉(zhuǎn)機械設備,在各行業(yè)甚至是在國民經(jīng)濟中也起著不可替代的重要作用,葉輪機械廣泛應用于石油工業(yè)、水利工業(yè)、化學工業(yè)、動力工程、航空航天工業(yè)等領域。隨著各領域不斷向縱深發(fā)展,對葉輪機械產(chǎn)品的性能、可靠性、開發(fā)周期性以及與設備與環(huán)境匹配性不斷提出了新的更高要求。依據(jù)流體等能量傳遞方向不同,可以將葉輪機械劃分為動力機械(原動機)和輸送機械(工作機)。葉片是葉輪機械的關鍵元件,能完全影響葉輪機械的工作性能與轉(zhuǎn)化效率,葉型又是葉片的關鍵因素,不同的葉型方程具有完全不同的性能。因此為了研究葉輪機械的水力性能,本論文將以石油領域中最常見的井下動力鉆具——渦輪鉆具為切入點展開研究。渦輪鉆具作為20世紀80年代以來石油工程領域三大重要技術之一,其結(jié)構(gòu)相較于轉(zhuǎn)盤鉆井與螺桿鉆具等,應用程度之廣、優(yōu)勢之多早已受到了鉆井工程領域的重要關注。但由于渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過高,與之能匹配的鉆頭的磨損性較差,使得渦輪鉆具的應用受到了一定程度的限制。近年來,隨著小井眼、微小井眼等國際高端鉆井技術的發(fā)展,與此同時能承受高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的各種新型鉆頭的成功研發(fā)并得到了良好的應用,渦輪鉆具的優(yōu)勢再一次得到了體現(xiàn)。值得注意的是,小井眼、微小井眼的井筒徑向尺寸小,這對渦輪定轉(zhuǎn)子的設計與性能提出了新的挑戰(zhàn)。本論文首先研究了渦輪的特性參數(shù)對渦輪性能與效率的影響。從常規(guī)渦輪鉆具的工作特性著手,分析各特性參數(shù)對渦輪性能的影響,可以為渦輪進一步優(yōu)化設計提高渦輪扭矩和轉(zhuǎn)化效率提供依據(jù)。以鉆井液流經(jīng)渦輪定轉(zhuǎn)子為研究對象,以葉輪旋轉(zhuǎn)機械適用的一元歐拉方程為基礎,并作出了3個基本假設。探討了渦輪的轉(zhuǎn)化扭矩特性、功率特性、有效壓頭等參數(shù)的變化對渦輪性能的影響;流經(jīng)渦輪鉆具的鉆井液除了做有效功外,還有部分鉆井液以能量損失的形式損耗了,因此探討了鉆井液能量損耗的形式。其次研究了渦輪葉柵葉片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對渦輪性能的影響。從渦輪葉柵運動的理論模型出發(fā),研究了鉆井液流經(jīng)渦輪內(nèi)流道時的基本運動規(guī)律,確定了鉆井液定子出口速度、轉(zhuǎn)子進口速度、轉(zhuǎn)子出口速度、定子進口速度。進而研究了能作為標準鑒定渦輪功率、扭矩等工作特性參數(shù)的3個渦輪無因次系數(shù)。由于每一個系數(shù)搭配形成的組合均可形成一定的渦輪葉柵結(jié)構(gòu),故需對渦輪的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行確定。對目前常用的曲線造型方法進行了分析,選用五次多項式進行了造型設計,得到渦輪葉片的三維模型。最后采用數(shù)值模擬常用的CFD手段進行了驗證。運用Fluent有限元仿真軟件,建立了渦輪的流道模型及網(wǎng)格模型,以設計的流量等為外界條件展開模擬,進行驗證所設計渦輪的水力性能。同時,研究了渦輪轉(zhuǎn)子葉柵結(jié)構(gòu)變化對渦輪工作性能的影響,設計了3種不同轉(zhuǎn)子葉柵結(jié)構(gòu)的渦輪。采用液體流經(jīng)定轉(zhuǎn)子時的工作狀態(tài)建立速度三角形進行理論分析、并對徑向間隙引起的能量損失和外圈葉冠引起的圓盤摩擦損失進行定性探討,應用數(shù)值模擬仿真進行定量分析。研究結(jié)果表明,(1)認為當渦輪的結(jié)構(gòu)尺寸與鉆井液流量為定值時,渦輪的轉(zhuǎn)化力矩與轉(zhuǎn)速呈線性關系,且隨著轉(zhuǎn)速的增大,渦輪的轉(zhuǎn)化力矩線性減小;渦輪的功率特性曲線與轉(zhuǎn)速呈二次函數(shù)關系,當渦輪的轉(zhuǎn)速達到最大,即扭矩為零時,此時的功率也為零,當渦輪的轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速的一般時,渦輪將有最大的功率;渦輪的有效壓頭與渦輪的轉(zhuǎn)速也呈二次函數(shù)關系;以鉆井液流經(jīng)渦輪定轉(zhuǎn)子為研究對象,得到了鉆井液的3種能量損失情況,其中水力損失中的沖擊損失為能量損失的主要因素,因此在設計時應盡量確保鉆井液進入渦輪葉片葉柵的方向與葉片的結(jié)構(gòu)角相近;(2)應用五次多項式進行小尺寸高速渦輪設計是完全合理的,所設計的渦輪的最佳工作轉(zhuǎn)速約在4200 r/min左右時,效率達45.46%左右;(3)對3種不同轉(zhuǎn)子葉柵結(jié)構(gòu)的渦輪計算結(jié)果顯示,認為渦輪定轉(zhuǎn)子間徑向間隙、外圈葉冠的存在均是影響渦輪性能的因素,并認為因外圈葉冠引起的圓盤摩擦損失是導致渦輪轉(zhuǎn)子輸出性能及能量損失的重要因素。通過分析3種結(jié)構(gòu)渦輪,認為其最佳效率點對應的工作轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、轉(zhuǎn)化效率均不相同,Ⅱ型渦輪與Ⅲ型渦輪比Ⅰ型渦輪的最佳工作轉(zhuǎn)速小;Ⅰ型渦輪的轉(zhuǎn)化力矩最大,Ⅲ型渦輪次之,Ⅱ型渦輪最小,即M_(iⅠ)M_(iⅢ)M_(iⅡ);而Ⅲ型渦輪的轉(zhuǎn)化效率最大,Ⅱ型渦輪次之,Ⅰ型渦輪的轉(zhuǎn)化效率最小,即η_Ⅲη_Ⅱη_Ⅰ。
【學位授予單位】：長江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TE921.2
【圖文】：

第 1 章 緒論第 1 章 緒論1.1 課題背景及意義是一種主體為連續(xù)旋轉(zhuǎn)葉片，其能量在流體等工作介互轉(zhuǎn)換的動力機械[1-3]。依據(jù)能量傳遞方向的不同，葉輪式流體動力機械（原動機），葉輪式流體輸送機渦輪、風機、風力機、葉片式泵等，常見的葉輪機械機械作為一種應用極其廣泛的動力機械設備，在國要的影響作用，其廣泛用于動力工程、市政工程、水業(yè)、石油工業(yè)等重要的領域。在石油工業(yè)中，同樣也發(fā)揮著重要的作用，如，離心泵、渦輪鉆具等[7]。為能特性，本文將以石油鉆井領域渦輪鉆具的動力元件研究。

圖 1-2 渦輪鉆具結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-2 Turbodrill structure圖 1-3 渦輪定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-3 Turbine stator structure期以來，渦輪鉆具一直受到推廣應用，以前蘇聯(lián)為例，一要鉆井工具，鉆井總尺數(shù)達 80%以上[16]。鉆井方式主要是但過去由于渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高、牙輪鉆頭壽命短等導致鉆井制約缺點的限制，使得渦輪鉆具的進一步推廣應用受到

圖 1-3 渦輪定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-3 Turbine stator structure，渦輪鉆具一直受到推廣應用，以前蘇聯(lián)工具，鉆井總尺數(shù)達 80%以上[16]。鉆井方式由于渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高、牙輪鉆頭壽命短等點的限制，使得渦輪鉆具的進一步推廣應轉(zhuǎn)速、低鉆壓的 PDC 鉆頭，以及能匹配高功研發(fā)并獲得了良好的使用效果，以及渦輪鉆具將在地質(zhì)鉆探、石油鉆井以及地熱鉆出現(xiàn)了一種新的鉆井技術方式并得到了迅模式屬國際前沿高端鉆井技術[17]。與常規(guī)自動化、低成本、安全環(huán)保等明顯優(yōu)勢[18-高要求，即鉆具尺寸小、轉(zhuǎn)速高、效率高

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本文編號：2780644