【摘 要】
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目前,最广泛使用的井下动力钻具主要分为涡轮钻具和螺杆钻具两种。对涡轮钻具的性能进行改进,并在钻井现场广泛应用,能够大大提高钻井的效率,对我国钻井技术的发展具有重要的意义。涡轮钻具通过其核心部件涡轮将工作介质的水力能量转化为涡轮钻具的动能,工作介质通过涡轮流道,推动涡轮叶片使其获得扭矩并传递给涡轮钻具。涡轮叶片型线的设计在整个涡轮设计中处于核心地位,其性能的好坏决定了涡轮钻具水力性能转换效率的优劣。
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目前,最广泛使用的井下动力钻具主要分为涡轮钻具和螺杆钻具两种。对涡轮钻具的性能进行改进,并在钻井现场广泛应用,能够大大提高钻井的效率,对我国钻井技术的发展具有重要的意义。涡轮钻具通过其核心部件涡轮将工作介质的水力能量转化为涡轮钻具的动能,工作介质通过涡轮流道,推动涡轮叶片使其获得扭矩并传递给涡轮钻具。涡轮叶片型线的设计在整个涡轮设计中处于核心地位,其性能的好坏决定了涡轮钻具水力性能转换效率的优劣。对涡轮钻具的叶片型线进行优化设计能够改善涡轮的扭矩、效率、寿命和稳定性等水力性能,具有很高的工程实践价值本文针对φ127mm涡轮,基于Bezier曲线对其叶片型线进行了详细推导,并编制了型线设计软件,利用Fluent软件对其进行性能预测,通过正交试验的方法对叶片关键结构参数进行优化设计,并利用遗传算法和CAD/CAE联合仿真的方法对叶片的形状控制参数进行优化,得到了水力性能优秀的叶片型线。首先,针对φ127mm涡轮钻具的工况要求,计算其轴向速度系数、冲击度系数和环流系数,通过这三个无因次系数求解出涡轮叶片结构角等关键结构参数,基于Bezier曲线对涡轮叶片型线方程求解。第二,利用三维建模软件Solidworks对涡轮流道进行三维建模,利用计算流体力学软件Fluent对其进行性能预测,得到其扭矩和效率。然后以扭矩和效率为指标,通过正交试验的方法对涡轮叶片型线的结构角、安装角等关键参数进行优化设计。第三,基于workbench平台建立一种包括几何建模、网格划分、数值模拟和多目标遗传算法的闭环优化设计模型,对涡轮叶盆、叶背曲线方程的形状控制参数进行优化设计。最后,结合理论计算、仿真分析形成一套完整的涡轮叶片优化设计方法。
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