【摘要】：葉輪機械作為一種應(yīng)用極為廣泛的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)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(yīng)用于石油工業(yè)、水利工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、動力工程、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,對葉輪機械產(chǎn)品的性能、可靠性、開發(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(guān)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(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械的水力性能,本論文將以石油領(lǐng)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(jì)80年代以來石油工程領(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,隨著小井眼、微小井眼等國際高端鉆井技術(shù)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(yīng)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(shè)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(jìn)一步優(yōu)化設(shè)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(chǔ),并作出了3個基本假設(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(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(jìn)行確定。對目前常用的曲線造型方法進(jìn)行了分析,選用五次多項式進(jìn)行了造型設(shè)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(jìn)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(shè)計的流量等為外界條件展開模擬,進(jìn)行驗證所設(shè)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(shè)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(jìn)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(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,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,此時的功率也為零,當(dāng)渦輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的一般時,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)計時應(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)用五次多項式進(jìn)行小尺寸高速渦輪設(shè)計是完全合理的,所設(shè)計的渦輪的最佳工作轉(zhuǎn)速約在4200 r/min左右時,效率達(dá)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(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。通過分析3種結(jié)構(gòu)渦輪,認(rèn)為其最佳效率點對應(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】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(fēng)機、風(fēng)力機、葉片式泵等，常見的葉輪機械機械作為一種應(yīng)用極其廣泛的動力機械設(shè)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(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(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際前沿高端鉆井技術(shù)[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