發(fā)布時(shí)間：2020-08-04 14:02

【摘要】：葉輪機(jī)械作為一種應(yīng)用極為廣泛的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備,在各行業(yè)甚至是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中也起著不可替代的重要作用,葉輪機(jī)械廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)、水利工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、動(dòng)力工程、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域不斷向縱深發(fā)展,對(duì)葉輪機(jī)械產(chǎn)品的性能、可靠性、開(kāi)發(fā)周期性以及與設(shè)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(jī)械劃分為動(dòng)力機(jī)械(原動(dòng)機(jī))和輸送機(jī)械(工作機(jī))。葉片是葉輪機(jī)械的關(guān)鍵元件,能完全影響葉輪機(jī)械的工作性能與轉(zhuǎn)化效率,葉型又是葉片的關(guān)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(jī)械的水力性能,本論文將以石油領(lǐng)域中最常見(jiàn)的井下動(dòng)力鉆具——渦輪鉆具為切入點(diǎn)展開(kāi)研究。渦輪鉆具作為20世紀(jì)80年代以來(lái)石油工程領(lǐng)域三大重要技術(shù)之一,其結(jié)構(gòu)相較于轉(zhuǎn)盤鉆井與螺桿鉆具等,應(yīng)用程度之廣、優(yōu)勢(shì)之多早已受到了鉆井工程領(lǐng)域的重要關(guān)注。但由于渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過(guò)高,與之能匹配的鉆頭的磨損性較差,使得渦輪鉆具的應(yīng)用受到了一定程度的限制。近年來(lái),隨著小井眼、微小井眼等國(guó)際高端鉆井技術(shù)的發(fā)展,與此同時(shí)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(yīng)用,渦輪鉆具的優(yōu)勢(shì)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(duì)渦輪定轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)渦輪性能的影響,可以為渦輪進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)象,以葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械適用的一元?dú)W拉方程為基礎(chǔ),并作出了3個(gè)基本假設(shè)。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(duì)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(duì)渦輪性能的影響。從渦輪葉柵運(yùn)動(dòng)的理論模型出發(fā),研究了鉆井液流經(jīng)渦輪內(nèi)流道時(shí)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律,確定了鉆井液定子出口速度、轉(zhuǎn)子進(jìn)口速度、轉(zhuǎn)子出口速度、定子進(jìn)口速度。進(jìn)而研究了能作為標(biāo)準(zhǔn)鑒定渦輪功率、扭矩等工作特性參數(shù)的3個(gè)渦輪無(wú)因次系數(shù)。由于每一個(gè)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(duì)渦輪的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定。對(duì)目前常用的曲線造型方法進(jìn)行了分析,選用五次多項(xiàng)式進(jìn)行了造型設(shè)計(jì),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(jìn)行了驗(yàn)證。運(yùn)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(shè)計(jì)的流量等為外界條件展開(kāi)模擬,進(jìn)行驗(yàn)證所設(shè)計(jì)渦輪的水力性能。同時(shí),研究了渦輪轉(zhuǎn)子葉柵結(jié)構(gòu)變化對(duì)渦輪工作性能的影響,設(shè)計(jì)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(shí)的工作狀態(tài)建立速度三角形進(jìn)行理論分析、并對(duì)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(jìn)行定性探討,應(yīng)用數(shù)值模擬仿真進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果表明,(1)認(rèn)為當(dāng)渦輪的結(jié)構(gòu)尺寸與鉆井液流量為定值時(shí),渦輪的轉(zhuǎn)化力矩與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)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(guān)系,當(dāng)渦輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大,即扭矩為零時(shí),此時(shí)的功率也為零,當(dāng)渦輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的一般時(shí),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(guān)系;以鉆井液流經(jīng)渦輪定轉(zhuǎn)子為研究對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量確保鉆井液進(jìn)入渦輪葉片葉柵的方向與葉片的結(jié)構(gòu)角相近;(2)應(yīng)用五次多項(xiàng)式進(jìn)行小尺寸高速渦輪設(shè)計(jì)是完全合理的,所設(shè)計(jì)的渦輪的最佳工作轉(zhuǎn)速約在4200 r/min左右時(shí),效率達(dá)45.46%左右;(3)對(duì)3種不同轉(zhuǎn)子葉柵結(jié)構(gòu)的渦輪計(jì)算結(jié)果顯示,認(rèn)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(rèn)為因外圈葉冠引起的圓盤摩擦損失是導(dǎo)致渦輪轉(zhuǎn)子輸出性能及能量損失的重要因素。通過(guò)分析3種結(jié)構(gòu)渦輪,認(rèn)為其最佳效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(xué)位授予單位】：長(zhǎng)江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：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(dòng)力機(jī)械[1-3]。依據(jù)能量傳遞方向的不同，葉輪式流體動(dòng)力機(jī)械（原動(dòng)機(jī)），葉輪式流體輸送機(jī)渦輪、風(fēng)機(jī)、風(fēng)力機(jī)、葉片式泵等，常見(jiàn)的葉輪機(jī)械機(jī)械作為一種應(yīng)用極其廣泛的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，在國(guó)要的影響作用，其廣泛用于動(dòng)力工程、市政工程、水業(yè)、石油工業(yè)等重要的領(lǐng)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(lǐng)域渦輪鉆具的動(dòng)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(lái)，渦輪鉆具一直受到推廣應(yīng)用，以前蘇聯(lián)為例，一要鉆井工具，鉆井總尺數(shù)達(dá) 80%以上[16]。鉆井方式主要是但過(guò)去由于渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高、牙輪鉆頭壽命短等導(dǎo)致鉆井制約缺點(diǎn)的限制，使得渦輪鉆具的進(jìn)一步推廣應(yīng)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(yīng)用，以前蘇聯(lián)工具，鉆井總尺數(shù)達(dá) 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(diǎn)的限制，使得渦輪鉆具的進(jìn)一步推廣應(yīng)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?zé)徙@出現(xiàn)了一種新的鉆井技術(shù)方式并得到了迅模式屬國(guó)際前沿高端鉆井技術(shù)[17]。與常規(guī)自動(dòng)化、低成本、安全環(huán)保等明顯優(yōu)勢(shì)[18-高要求，即鉆具尺寸小、轉(zhuǎn)速高、效率高

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉儀，劉斌，向一敏;葉輪機(jī)械氣動(dòng)特性的設(shè)計(jì)計(jì)算[J];機(jī)械設(shè)計(jì);1996年11期

2 許建林;旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)完全三元不可壓縮流動(dòng)變域變分有限元解[J];甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1988年03期

3 趙曉路;軸流式葉輪機(jī)械全三元流動(dòng)正問(wèn)題的簡(jiǎn)單近似解[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1988年03期

4 華耀南,王保國(guó);有旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和流片厚度變化的葉輪機(jī)械邊界層的積分方程求解法[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1988年04期

5 孫積瑚,劉占民;測(cè)量葉輪機(jī)械氣流參數(shù)的新式探針[J];熱能動(dòng)力工程;1988年02期

6 羅來(lái)勤;谷傳綱;;利用熱線風(fēng)速儀對(duì)葉輪機(jī)械內(nèi)部脈動(dòng)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究與分析[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);1988年02期

7 郭海歐;;雙節(jié)葉輪在吸塵器中的應(yīng)用[J];家用電器科技;1988年04期

8 張家麟;;葉輪機(jī)械跨聲速位流散度形度的二維及三維勢(shì)函數(shù)方程及其求解步序[J];中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào);1988年02期

9 林成先;完全用邊界元法進(jìn)行葉輪機(jī)械葉柵流場(chǎng)的數(shù)值分析[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1989年04期

10 趙曉路;后掠冀跨聲流場(chǎng)S_1/S_2流面全三元迭代解[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1989年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前8條

1 徐建中;趙曉路;;葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)的進(jìn)展和展望[A];科技進(jìn)步與學(xué)科發(fā)展——“科學(xué)技術(shù)面向新世紀(jì)”學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1998年

2 豐鎮(zhèn)平;李穎晨;;葉輪機(jī)械葉柵氣動(dòng)反問(wèn)題研究及其新進(jìn)展[A];中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專業(yè)委員會(huì)2007年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2007年

3 嚴(yán)偉明;袁敏;徐鴻;常景彩;;葉輪機(jī)械數(shù)值模擬及其在電力工業(yè)中的應(yīng)用[A];中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)第三屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

4 張明明;李紹斌;侯安平;周盛;;葉輪機(jī)械葉片顫振研究的進(jìn)展與評(píng)述[A];第十一屆全國(guó)空氣彈性學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議論文集[C];2009年

5 劉倫;曹登慶;孫述鵬;;葉輪機(jī)械中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)鼓筒部件的碰摩特征分析[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

6 袁新;金琰;暢國(guó)勇;;葉輪機(jī)械中流體激振問(wèn)題的流固耦合研究[A];第八屆全國(guó)空氣彈性學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議論文集[C];2003年

7 王秀卓;徐燕驥;張宏武;陳乃興;;透平靜葉的多參數(shù)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[A];大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2007年

8 劉天涯;劉波;;級(jí)環(huán)境下跨聲速軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子尖部葉型優(yōu)化對(duì)其性能的影響研究[A];中國(guó)航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第三十九屆技術(shù)交流會(huì)暨第三屆空天動(dòng)力聯(lián)合會(huì)議論文集——S03吸氣式與組合推進(jìn)技術(shù)[C];2018年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前9條

1 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所所長(zhǎng) 秦偉　本報(bào)記者 王卉;五十五載,一路艱辛,一路輝煌[N];科學(xué)時(shí)報(bào);2011年

2 吳珊珊;葉輪機(jī)械氣動(dòng)力學(xué)研究的創(chuàng)新與發(fā)展[N];科技日?qǐng)?bào);2003年

3 特約記者 沈世平;江增機(jī)械依靠科技創(chuàng)新強(qiáng)筋壯骨[N];中國(guó)船舶報(bào);2010年

4 中國(guó)工程院院士 倪維斗;一個(gè)專業(yè)與六位院士[N];光明日?qǐng)?bào);2001年

5 中船重工集團(tuán)重慶江增機(jī)械有限公司總經(jīng)理 李程;以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo) 開(kāi)創(chuàng)企業(yè)發(fā)展新局面[N];經(jīng)理日?qǐng)?bào);2009年

6 ;完善制度建設(shè)加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作[N];科技日?qǐng)?bào);2003年

7 凌子;電站仿真領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2000年

8 董學(xué)智 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所高級(jí)工程師;多措并舉突破鋼鐵行業(yè)節(jié)能瓶頸[N];中國(guó)經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào);2016年

9 記者 趙改榮;打造服務(wù)平臺(tái) 承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移 推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)跨越發(fā)展[N];新鄉(xiāng)日?qǐng)?bào);2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李智;空間反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)特性研究[D];清華大學(xué);2017年

2 馬燦;葉輪機(jī)械非定常伴隨優(yōu)化[D];清華大學(xué);2016年

3 謝軍龍;前緣彎掠子午加速葉輪及其不同流道配置的研究[D];華中科技大學(xué);2005年

4 王嘉煒;葉輪機(jī)械中若干非定常流動(dòng)特征的初步研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2006年

5 楊科;基于CFD方法的葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及實(shí)例[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2007年

6 朱陽(yáng)歷;葉輪機(jī)械葉片全三維反問(wèn)題優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2012年

7 甘加業(yè);亞音速葉輪機(jī)械動(dòng)靜干擾噪聲的研究[D];華中科技大學(xué);2009年

8 張海;葉輪機(jī)械密封及轉(zhuǎn)子相互作用研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

9 金琰;葉輪機(jī)械中若干氣流激振問(wèn)題的流固耦合數(shù)值研究[D];清華大學(xué);2002年

10 趙奔;基于頻率和相位的葉輪機(jī)械內(nèi)流多因素耦合干涉效應(yīng)研究[D];北京理工大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 彭灼;小尺寸中高速葉輪機(jī)械水力性能的數(shù)值模擬分析[D];長(zhǎng)江大學(xué);2019年

2 王增增;浮選機(jī)葉輪流體動(dòng)力學(xué)及流固耦合的數(shù)值模擬[D];北京化工大學(xué);2018年

3 徐樂(lè);基于S1流面粘性反問(wèn)題的葉輪機(jī)械改型設(shè)計(jì)[D];大連理工大學(xué);2018年

4 楊泳;徑流式葉輪機(jī)械三維復(fù)雜流動(dòng)的數(shù)值研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

5 李金波;葉輪機(jī)械中基于蜂窩密封和合成射流技術(shù)的流場(chǎng)控制方法研究[D];北京化工大學(xué);2008年

6 張枚;葉輪機(jī)械多葉片排三維粘性流動(dòng)計(jì)算方法的研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2008年

7 陳春峰;葉輪機(jī)械三維流動(dòng)數(shù)值模擬的并行算法與集群系統(tǒng)研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2002年

8 羅成;潛油泵葉輪設(shè)計(jì)及流場(chǎng)仿真研究[D];東北石油大學(xué);2017年

9 王富民;葉輪機(jī)械偏心裝配的動(dòng)力學(xué)性能研究[D];上海交通大學(xué);2008年

10 譚大治;離心式葉輪機(jī)械內(nèi)部氣動(dòng)性能的全三維粘性數(shù)值模擬[D];清華大學(xué);2003年

本文編號(hào)：2780644