浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計【含CAD圖紙、說明書】

浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,浮動,定子,渦輪鉆具,渦輪,設計,cad,圖紙,說明書,仿單 中文摘要 浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)的設計 [摘要]：隨著鉆井業(yè)的發(fā)展，渦輪鉆具得到越來越廣泛的運用。渦輪鉆具具有較高的轉速，用它來鉆井、超深井能極大地提高鉆井的機械鉆速，縮短鉆井周期，從而節(jié)省鉆井費用。隨著鉆井深度不斷加深，小井眼鉆井特別需要小尺寸的井下動力鉆具。因此，設計開發(fā)小規(guī)格的新型的渦輪鉆具，對于滿足深井鉆井需要，加快石油勘探速度具有重要的意義。 渦輪鉆具具有較高的轉速，用它鉆井，特別是鉆深井、超深井、超深井能極大地提高鉆井的機械鉆速，縮短鉆井周期，從而節(jié)省鉆井費用。隨著鉆井深度不斷加深，小井眼鉆井特別需要小尺寸的井下動力鉆具。因此，設計開發(fā)小規(guī)格的新型渦輪鉆具，對于滿足深井鉆井需要，加快石油勘探速度具有重要意義。 本設計首先介紹了井下動力鉆具國內外的發(fā)展狀況及特點，然后通過對各種方案的對比，選用固定定轉子，支撐節(jié)和渦輪節(jié)分開，渦輪節(jié)選用獨立懸掛形式。通過理論計算和結構設計，確定渦輪節(jié)各部分的尺寸，并對定子、轉子、殼體、花鍵、軸等進行了結構設計和強度校核。根據設計參數(shù)要求，進行了渦輪葉柵的水力設計，確定了渦輪定、轉子葉片的進口角和葉片安裝角，葉片造型設計。繪制了渦輪節(jié)裝配圖和主要零件圖。最后完成了主要零件的實體造型。 [關鍵詞]：渦輪鉆具；渦輪節(jié)；結構設計；葉柵設計 The Design of Turbine Section toΦ240 Turbodrill [Abstract] With turbodrill developed,it’s more and more extensive to be applied.Aturbodrill has relatively high speed and can greatly increase the penetration rate,shorten the drilling cycle and save drilling costs.It is suitable to drill deep holi and ultra-deep well.Along with the increasing depth of the well,small well drilling need the turbodrill of small size.Therefore design and develop new light turbodrill to meet the needs of deep drillingand speed up the rate of oil exploration,which is of great signification. A turbodrill has relatively hign speed,and can greatly increase the penetration rate,shorten the drilling costs.It is suitable to drill deep hole and ultra-deep well.Along with the increasing depth of the well,small well drilling need the turbodrill of small size.Therefore design and develop new light turbodrill to meet the needs of deep drilling and speed up the rate of oil exploration,which is of great significance. Above all,the developing process and tendency of turbodrill have been introduced in this paper.Secondly,through the comparison of the various schemes.I determine to use fixed stator and fixed rotor,separate the bearing section and turbine section,and use independent turbine section flags.Through the theoretical calcution and structural design,turbine’s main dimensions have been realized.Then check the strength of the stator,rotor,shell,spline and inlet angle、outlet angle and setting angle of stator and rotor cascade has been calculated.The blade model has been designed.Then three-dimensional CFD of turbine was analyzed by FLUENT software.Mechanical performance was obtained.Its best perfprmance meets design requirements.I have drawn the main parts and the assembly drawing and the number is nine.At last the solid modeling of the main parts is finished. [Key word]turbodrill；turbine section；structural design；blade design 畢業(yè)設計(論文)任務書 學院（系） 機械工程學院 專業(yè) 機械設計制造及自動化 班級 學生姓名 指導教師/職稱 1. 畢業(yè)設計(論文)題目： 浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計 2. 畢業(yè)設計（論文）起止時間：2013年 3月25日～2013 年 6月18日 3．畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數(shù)據（指導教師選定部分） 1)、Gear Reduction Turbo-drills Improve Drilling Results; 2)、Processing of Turbo-drill Rotating Speed Signal With an Adaptive Noise Canceller; 3)、Field Testing of Advanced Turbo-drill; 4)、井底動力鉆具; 5)、渦輪鉆井技術的新進展； 6)、渦輪鉆具渦輪節(jié)模塊化設計方法研究； 7)、渦輪節(jié)外徑：240；排量35～45，功率120～280KW，壓降：5～7Mpa，工作轉速：360～480rpm，額定扭矩：4000～6000Nm，鉆井液密度1000～2000。 4．畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內容 1)查閱參考文獻 2)外文翻譯 3)撰寫開題報告 4)240渦輪節(jié)設計 渦輪定、轉子葉柵葉形的計算機設計； 滾動軸承和扶正軸承的設計； 渦輪節(jié)的結構設計； 主要零部件強度計算與校核； 5)撰寫畢業(yè)設計論文 5．畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求 l)目標：通過對本題目的研究與設計，學習渦輪鉆具的工作特點、方式、方法和鉆井過程，訓練工程設計與研究的能力； 2)具體要求： 按畢業(yè)設計工作條例要求進行畢業(yè)設計工作，具體為： 查閱資料：近3～5年參考文獻不少于15種（篇）； 外文翻譯：原文不少于2萬字符，譯文不少于3千漢字； 撰寫開題報告：不少于3千漢字； 計算機繪制浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)的設計裝配圖：1張； 繪制主要零部件圖：若干； 撰寫畢業(yè)設計論文：字數(shù)不少于1.5萬漢字，計算機打印。 6、完成畢業(yè)設計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求 AutoCAD軟件，上機約120小時。 任務書批準日期 年 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日期 年 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） 畢業(yè)論文(設計) 題目名稱： 浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計 題目類型 學生姓名 院 (系) 專業(yè)班級 指導教師 輔導教師 時 間 開題報告 畢業(yè)設計開題報告 題目名稱 浮動定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設計 院 （系） 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師 輔導教師 開題報告日期 1 題目來源 題目類型：畢業(yè)設計 題目來源：生產實踐 2 研究的目的和意義 渦輪鉆具在深井、超深井鉆井以及非直井中的推廣應用，顯示出良好的技術經濟效益，因此越來越引起鉆井界的重視。目前，對于開式渦輪鉆具由于工作環(huán)境極其惡劣，直接制約著渦輪鉆具的工作壽命。渦輪鉆具在工作時，金屬球軸承組直接浸泡在鉆井液中，受到鉆井液中磨粒磨損作用，造成軸承內外圈道和球的磨損，結果導致軸系零部件隨著軸承的磨損而向下運動，最終使得渦輪節(jié)定子、轉子軸向下間隙逐漸減小。當下間隙為零時，渦輪定轉子端面發(fā)生相碰，出現(xiàn)事故性磨損而損壞。因此，渦輪定子和轉子軸向間隙是整過渦輪鉆具工作壽命的決定因素。 浮動定子( 轉子 ) 渦輪鉆具的結構, 改變了一直沿用的軸流渦輪裝配原則, 把渦輪間的軸向間隙從止推軸承組的裝配和工作狀況的制約下解脫出來。渦輪節(jié)中的每一級定子或者轉子在軸向方向上均可自由移動,通常采用進入外殼鍵槽中的鍵銷來防止定子本體的轉動, 每一級轉子均作為相應定子的支撐, 定子不需要殼系方向上的壓緊; 或者采用扁平主軸的平行面防止轉子本體與主軸的相對轉動, 每一級定子可作為另一轉子的支撐, 轉子在軸系方向上不需要再壓緊。這種渦輪鉆具可以最大限度地增加渦輪定子、轉子的平均直徑, 可以把每級定子、轉子之間的軸向間隙壓縮到最小, 這樣在同樣長度外殼內可組裝比常規(guī)渦輪鉆具更多的渦輪級數(shù)。渦輪軸向間隙與止推軸承組之間沒有相互關系, 可避免發(fā)生定子、轉子之間的端面相互碰撞磨損。 3 閱讀的主要參考文獻及資料名稱 [1] 劉慶江. 渦輪鉆具在俄羅斯的應用及發(fā)展方向研究[J]. 企業(yè)技術開發(fā)，2012，31（5）. 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Society of Petroleum Engineers Inc,2004. 4 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 4.1 國外減速渦輪鉆具的發(fā)展概述 4.1.1 蘇聯(lián)減速渦輪鉆具的發(fā)展 前蘇聯(lián)的井下動力鉆具使用最早、發(fā)展最快、技術水平也最高。五十年代至七十年代推廣應用復式渦輪鉆具和帶支承節(jié)的減速渦輪鉆具。其在井下渦輪鉆具的發(fā)展方面，一直處于世界的前列，60 、70 年代中期，渦輪鉆具的鉆井工作量曾一度占全蘇聯(lián)的鉆井總量的 80% 以上。渦輪鉆具自 1923 年由前蘇聯(lián)研制成功以來，得到了迅速發(fā)展，到 20 世紀 50 年代以后，渦輪鉆井技術已成為前蘇聯(lián)基本的鉆井方法，在全井段使用渦輪鉆具鉆井。目前俄羅斯的渦輪鉆具已發(fā)展到減速器渦輪鉆具階段。減速器渦輪鉆具是在普通渦輪鉆具的下方連接一個減速比為 i 的充油齒輪減速器，使渦輪鉆具的轉速降低至 1 ／ i ，而渦輪鉆具的扭矩增加 i 倍，從而實現(xiàn)大扭矩、低轉速的動力性能。目前俄羅斯西西伯利亞 地區(qū)幾乎全部采用減速器渦輪鉆具鉆井，使用俄羅斯國產或進口的牙輪鉆頭。 4.1.2 美國西部和 Mobile 灣地區(qū)渦輪鉆井作業(yè) 1994 年 Neyrfor 渦輪鉆具公司在美國得州、路州和 Mobile 灣等地區(qū)的渦輪鉆井作業(yè)就達 5149h ，總進尺 3 萬余米。其中Mobile 灣有減速渦輪鉆井達 2846h ，比1993 年提高了 489%，總進尺 15758 米，用戶數(shù) 17。預計，1995 年僅在 Mobile 灣地區(qū)減速渦輪鉆井可超過 4200h 。 4.1.3 阿拉斯加的北 Slope 地區(qū)的渦輪鉆井 1992 年阿拉斯加的北 Slope 地區(qū)Kuparuk 河油田便用減速渦輪鉆井，創(chuàng)造了多次新記錄。包括：在 2M — 09 井創(chuàng)造了日進尺 1675.75m 的新記錄。Neyrfor 公司的一臺 T2 184 可控減速渦輪鉆具在一口井的一次行程中鉆了 2393m ，平均機械鉆速達 69m/h 。另一臺 T2 184 渦輪鉆具在 9 月份創(chuàng)造了一次行程鉆進 2472m 的新記錄。 1992 年11 月， 在2M —32 井(φ216mm井眼）中用可控減速渦輪鉆具在一次行程中創(chuàng)造了井尺最長的世界記錄，即以機械鉆速 76.4m/h 鉆了 2550m，打破了 1982 年在北海 Conoco's Murchison 油田的 2545m記錄。減速渦輪鉆具顯示了以下優(yōu)越性：其一，帶金屬推力軸承(AMB ) 的支承節(jié)提高了減速渦輪鉆具整體工作壽命。其二，減速渦輪鉆具鉆井可以大大減少套管的磨損。 4.1.4 渦輪鉆井技術在北海油田的應用 自 1980 年以來，渦輪鉆具在北海油田的深井和定向井中已廣泛應用。1993~1994兩年中，在北海南部地區(qū)氣田的 27 口開發(fā)井上，使用了 SBS168 可控減速渦輪鉆在φ216mm 井眼中鉆進了 30497m（10 萬英尺）。在 Clipper 油田的一口井上，減速渦輪鉆具在一次行程中就鉆了 1839m 。 4.1.5 渦輪鉆具在英國的應用 英國 Drilex systems 總公司的 DrilexTurbines產品系原美國Grant oil Tool 公司的 Redi-Dill 渦輪鉆具。 Grant oil Tool公司合并到該公司后，原 Redi-Dill 渦輪鉆具仍分為直井和定向井兩大類，只在直井中新增了一種名義直徑φ 184.1 外殼上帶扶正器的渦輪鉆具（渦輪 120 級，長 14.1m ），仍屬高速高效葉型，適于配天然金剛石鉆頭或 PDC 鉆頭，該公司聲稱渦輪節(jié)在小流量時也能提供足夠大的扭矩，支承節(jié)對徑向載荷和軸向載荷的吸振性較好，徑向軸承和推力軸承可使用于高轉速。渦輪鉆具整機壽命為 200h 。 4.1.6 渦輪鉆具在法國的應用 法國尼爾畢克(Neyrpic )公司的尼爾福渦輪鉆具有很高的技術水平，其功率居市場上各型減速渦輪之冠，轉速和扭矩等參數(shù)均與金剛石或 PDC 鉆頭匹配。軸承節(jié)工作可靠，能耐 176 度高溫，工作壽命在 200小時以上。目前北海油田 90% 的減速渦輪鉆具是這家公司的產品。1982 年法國 Total 石油公司公布了1968---1981 年間渦輪 / 金剛石鉆井經驗。1976 年 PDC 鉆頭出現(xiàn)后，該公司就及時把它用于渦輪鉆井，并在阿布扎比、北海、印尼、安哥拉和法國本部進行了廣泛的試驗。證明這種鉆井技術不僅機械鉆速快，鉆頭進尺高，每米成本低，而且由于減少起下鉆操作時間，減輕了設備磨損和人員疲勞，減少了對井眼的抽汲和喘振作用，提高了油井質量。 4.2 國內減速渦輪鉆具的發(fā)展情況 80 年代后期，新型渦輪鉆具（包括減速渦輪鉆具）的研制列入國家“七五”科研承擔研究任務的有石油大學北京研究生院和江漢石油學院機械系。經過“七五”攻關我國研制成功了新型 195 型深井和定向井渦輪鉆具，這一期間還完成了取芯渦輪鉆具的設計，研制成帶滾動軸承的獨立支承節(jié), 工作壽命達 150h ，平均機械鉆速為4.7m/h ，比轉盤鉆井提高 1.5-2 倍。近幾年對 195 型進行多次改進，研制出了多種不同型號的帶浮動定子和獨立支承節(jié)的渦輪鉆具。渦輪節(jié)分別采用小排量中、高速小扭矩和低速大扭矩兩種規(guī)格，經反復的室內臺架試驗和 11 次現(xiàn)場試驗，已取得可喜的成果。尤其是 175 型無橡膠元件的渦輪鉆具采用了新材料和新結構，具有中速大扭矩較低壓的技術重點攻關項目，軸承組壽命長，現(xiàn)場對接方便和高溫條件下作業(yè)，其更適應深井，超深井。其機械鉆速是轉盤鉆井的 1.6-4 倍?？山档椭苯鱼@井成本 30%-40%,具有極好的經濟效益。1998年 11 月,175 型全金屬無橡膠元件渦輪鉆具通過了部級鑒定。專家們一致認為，這種渦輪鉆具的結構性能, 壽命以及經濟指標均達到國際先進水平, 為推廣應用創(chuàng)造了有利條件。此項成果是完全依靠我國自己的技術力量來實施，它為定向井和縱向井的鉆井技術的發(fā)展提供了有力的技術裝備, 對我國鉆井技術的發(fā)展起著重要作用。我國井下減速器的發(fā)展雖然起步較晚，1988 年以來我們也取得了有關渦輪鉆具及減速器的 5 項專利，設計開發(fā)了兩種類型的井下減速器。一種是固定行星架式的行星齒輪傳動減速器；另一種是具有國際先進水平的同步減速器。目前這兩種減速器都已進入臺架及工業(yè)性試驗。 4.3 渦輪鉆具的新發(fā)展 以前，渦輪鉆具主要是配用牙輪鉆頭打井，存在著渦輪鉆具轉速高，牙輪鉆頭壽命低，進尺少的缺點，隨著高轉速低鉆壓的聚晶金剛石復合片鉆頭的推廣應用，以及隨鉆測量技術的普及，渦輪鉆具的作用越來越大，而且有了以下一些方面的研究和發(fā)展。 4.3.1 低速大扭矩渦輪鉆具的突出發(fā)展 為了提高牙輪鉆頭的進尺，并把渦輪鉆具成功地應用于深井鉆井，應設法降低 渦輪鉆具的轉速，增加其軸向的力矩。目前已成功的采用了具有低速降壓渦輪的渦 輪鉆具、帶水力制動級的渦輪鉆具和帶有行星減速器的渦輪鉆具。 一．具有低速降壓渦輪的渦輪鉆具 降低渦輪鉆具轉速，提高工作扭矩，保證渦輪鉆具在低速下能穩(wěn)定工作的較好 辦法，是采用特殊葉片結構的低速降壓渦輪。當渦輪鉆具的環(huán)流系數(shù) Cu>1 時,即 為這種低速降壓渦輪,其壓力降隨渦輪鉆速下降而下降,無沖擊工況偏于低轉速一 邊。這類渦輪鉆具能在20—40噸鉆壓下以180—360r/min 的轉速穩(wěn)定工作，在同樣的流量下，其輸出力矩比同尺寸地其它渦輪鉆具大。 二．具有水力制動級的渦輪鉆具 水力制動級是一種特殊的葉型的渦輪級，它和普通的渦輪同裝在一根主軸上。 這類渦輪鉆具軸上部裝有驅動渦輪，下部裝平直葉片的葉輪，葉輪定轉子與垂直于軸線的平面形成相同的傾角，轉子葉片就象定子葉片的延長。其扭矩曲線隨轉速成正比地增加，該曲線與驅動渦輪扭矩曲線交于一點，該點就決定了渦輪鉆具的空轉轉速。這種葉片可以是垂直的，如果它們向旋轉的相反方向傾斜，則制動扭矩曲線的角度減小，否則該角度增大，也就是說從制動定子流出的液體將對制動級轉子葉片的旋轉運動起阻礙作用，對渦輪主軸產生制動扭矩，從而使主軸的轉速有所降低。改變渦輪鉆具所裝渦輪級與制動級的級數(shù)比例，可以獲得不同的渦輪鉆具力矩及轉速。 采用水力制動級會引起渦輪鉆具就、效率的降低，但在深井條件下，主要任務 不是為了獲得渦輪的最高效率，而是獲得能保證鉆頭高效率工作的力矩及轉速。且 采用水力制動級后能獲得陡的力矩曲線，即 M/n 比值較大，從而保證了渦輪鉆具在 低速下工作的穩(wěn)定性。 三．帶減速器的渦輪鉆具 由于渦輪鉆具轉速高，為使渦輪鉆具能夠減速使用，各國一直在研究帶減速器 的渦輪鉆具，在這項技術方面，俄羅斯處于領先的地位，并且近年研制出了一些先 進的減速器，在現(xiàn)場應用后效果不錯。采用多節(jié)式渦輪鉆具及采用低速降壓和水力制動級的渦輪鉆具，更能提高扭矩，并可使轉速降低到 100r/min 以下，對新型牙輪鉆頭更為適用。所以隨著結構、材料及工藝的改進?它還是很有發(fā)展前途的。 4.3.2 帶浮動定子的渦輪鉆具 這種新型渦輪鉆具的每級渦輪轉子都坐在定子上?實際上構成獨立的滑動軸 承，其比壓很小，不超過 0.04Mpa，故摩擦損失不大。 浮動定子渦輪鉆具的結構，改變了一直沿用的軸流渦輪裝配原則，把渦輪間的 軸向間隙從止推軸承的裝配和工作狀況的制約下解脫出來。使渦輪軸向間隙與軸承 間隙之間互不相關，從而帶來了一系列優(yōu)點，渦輪軸向間隙減少，提高了渦輪鉆具 軸向尺寸的利用率，消除了組裝渦輪鉆具時調節(jié)渦輪間隙及檢查等繁重的勞動，大 大簡化了安裝工序，提高了工作的可靠性，當每級軸向軸承磨損時，軸向間隙的變 化不會造成渦輪葉片互相碰壞的事故，有利于延長渦輪和支承節(jié)在井下連續(xù)運轉的 時間，因為轉子置于定子之間，其間隙達到了 3~4mm，故渦輪零件的制造精度不是 要求很高，各節(jié)渦輪鉆具可以互相換，不需要專門調節(jié)，在井上組裝方便。 這種渦輪鉆具由于轉子與軸有間隙，可相對滑動和擺動在井下惡劣的受力情況 下，轉子與軸之間有沖擊，時間一長就會在軸上形成深槽，使軸報廢。從而增加了 維修成本。但對于偏遠地區(qū)及海上等運輸成本高的地區(qū)還是一種很有前途的鉆具。 5 主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 5.1 主要研究內容 渦輪定子和轉子葉柵設計，渦輪軸設計，間隙密封設計，主要零件強度校核。 5.2 需重點研究的關鍵問題 加強低壓降、大扭矩渦輪鉆具的研究，增加現(xiàn)有渦輪鉆具的尺寸系列和品種，以滿足提高深井、難鉆底層鉆井機械鉆速的要求。投資工藝較先進的長軸、深孔加工廠，以解決渦輪鉆具的批量生產問題。在渦輪與螺桿同時發(fā)展的基礎上，加大渦輪鉆具的開發(fā)力度，特別是開發(fā)小尺寸渦輪鉆具用于老井側鉆，在國外已成功應用。加強渦輪鉆具軸承等易損件使用壽命的研究，提高鉆具使用壽命，以滿足鉆井技術不斷發(fā)展的需求，降低鉆井綜合成本。完善渦輪鉆具鉆井工藝，開發(fā)渦輪鉆具鉆井配套工具，改善渦輪鉆具鉆井條件，降低渦輪鉆具制造成本，以提高渦輪鉆具鉆井的綜合經濟效益。 5.3 解決思路 240浮動定子渦輪節(jié)的設計包括：渦輪節(jié)結構設計，渦輪定子和轉子葉柵設計，渦輪軸設計及強度校核，止推軸承和扶正軸承的設計及強度校核。 6 完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決辦法 要完成畢業(yè)設計的內容，就必須在圖書館或網上查閱大量的有關資料?！妒凸こ塘黧w機械》，《石油鉆采機械概論》（李繼志，陳榮振主編）。能夠熟練用AutoCAD繪圖。同時還要保證足夠的上機時間，至少要100小時才能基本達到要求。最重要的是在設計周期中自己能夠認真學習，加強實踐，勤于思考，虛心向老師請教。 7 研究計劃和預期進展 第5、6周 查閱資料和翻譯外文資料 第7周 根據查的文獻及相關資料撰寫開題報告， 第8周 開題報告答辯； 第9周 總體設計方案的確定； 第10周 渦輪節(jié)主要零部件尺寸的初步確定； 第11-14周 渦輪節(jié)設計及主要零部件強度計算與校核； 第15、16周 計算機繪制的設計裝配圖及主要零部件圖； 第17周 整理論文和準備答辯 8 指導老師審查意見 第9頁(共10頁) 葉柵葉型入口和出口角渦輪鉆具改進與分析 Xiaodong Zhang1, Yan Gong 1 ' 8 , Ruyi Gou1, Junhua Li2 b, Jianping Wu3 c and Zhongjian Jiang 1 School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; Sha Shi Steel Pipe Company, Jingzhou 434001, China; Oil and Gas Transportation Department of Northwest Oilfield, Branch 841600, China gongyan0101@163.com, b360701270@qq.com,c wjp5460@sina.com 關鍵詞：渦輪鉆具，葉柵葉形，液流角，結構角，修正 摘要：結構的角度應在渦輪鉆具葉柵葉剖面設計過程中計算。角度是根據進出口的液流角的設計參數(shù)計算的，但是當流體在葉柵中流動時，進口的液流角和結構角以及出口的液流角和結構角都是有區(qū)別的。液流角不能直接作為葉型結構的角度，所以有必要修改計算的液流角來獲得結構角。通過分析，為了提高渦輪鉆具的性能，液流角應該在減少方向性上被修正以此得到結構角。在本文中，液壓效率和圓周力fx作為評價參數(shù)，來建立級聯(lián)CFD模型并計算不同的修正角。更重要的是，修改后的入口和出口液流角對渦輪性能的影響已經得到了分析，這些給出的修正角度范圍在現(xiàn)有文獻中被大大縮小了，它允許設計人員在在角度修正過程中很容易確定修正值。 介紹 隨著油氣勘探工程的發(fā)展，已經有許多鉆井技術和工藝，如大位移井，水平井，定向井，超深井，然而，這些新興的鉆井技術對泥漿馬達提出了更高的要求。由于其優(yōu)勢，渦輪鉆具作為一種重要的泥漿馬達已廣泛應用于油氣開采中。與普通鉆井鉆井相比，渦輪鉆具具有巨大的經濟效益，例如為普及率較高（ROP），井身質量好，快速方偏斜鉆井性能，更有效的施工和更低的鉆井作業(yè)成本。 渦輪鉆具的葉柵葉片輪廓的描述 渦輪鉆具是一種液壓軸向式渦輪機械，渦輪鉆具的定子和轉子將流體勢能轉換為機械能從而驅動鉆頭旋轉。定子和轉子的葉片都屬于流體部分組件；葉片幾何結構決定了渦輪鉆具的力學性能。在定子和轉子葉柵中，鉆井液在兩個直徑分別為D1和D2的同軸的氣缸層之間流動，如圖1所示。鉆井液的復雜的運動可以簡化為無數(shù)的圓柱層液體的合成運動。每個氣缸的流體層到軸都有不同的距離，因此，他們的液體粒子的速度和葉片的相互作用的強度是不同的，由于葉片直徑比渦輪鉆具的直徑小，因此，每個徑向圓柱層的流動模式非常接近。為了簡化設計過程，氣缸層的直徑D被定義為氣缸層的特征參數(shù)，流量是氣缸層直徑D1和D2的圓柱層平均流量。這樣的特性氣缸層的流動可以等效代替為兩個同軸圓柱層的復雜流動。在特征圓柱層葉片中，葉柵的葉型設計實際上是葉輪的截面設計。因此，特征缸應該展開來作為設計葉片輪廓的平面，也就是平面葉柵[ 1 ]的流體的流動。葉片的結構和展開平面中的流體參數(shù)已在圖2描述。 外殼 定子 轉子 軸 圖1渦輪鉆具鉆井液流動特性的圓柱層 圖2特征圓柱層中的葉片結構和流體參數(shù) 如圖2所示，α1—定子出口液流角；α2—定子入口液流角；αlk—定子 出口流體結構角；α2k—定子入口流體結構角；β1—轉子出口流動角；β2—轉子入口液流角；β1k—轉子出口流體結構角；β2k—轉子入口流體結構角；βm—安裝角；t —葉片間距；b—葉片弦長；u—轉子圓周速度；W—流體沿葉片相對滑動速度；C—流體的流動的絕對速度。 一般來說，渦輪鉆具葉型和葉柵型可由軸向速度系數(shù)cz，影響程度系數(shù)ma，循環(huán)系數(shù)cu。這三個系數(shù)是無量綱系數(shù)，這些值與葉型的幾何參數(shù)有關；每種葉型有它自己的無量綱系數(shù)。同時，這三個無量綱系數(shù)反映了鉆井液和葉型的互動特性，可以作為渦輪機功率，扭矩，壓降等特征參數(shù)的測量的標準。隨著無量綱系數(shù)和速度多邊形的組合，它可用來分析由于葉形輪廓變化對渦輪鉆機的性能的影響。 葉片輪廓入口和出口角的計算 在葉型設計過程中，根據給定的設計參數(shù)，我們已經計算出了葉片輪廓的入口和出口角。通過歐拉方程和一維流動理論，定子和轉子之間鉆井液和葉片相互作用下，單級渦輪力矩M的計算如下： （1） （2） （3） （4） 渦輪轉速： 單節(jié)渦輪鉆機的能量輸出： 單擊渦輪鉆機的壓降： 正如前面所提到的公式1，公式2，公式3，公式4 ，Cz —鉆井液在渦輪機上的軸向流速；，η0—卷筒效率；φ—排除串聯(lián)系數(shù)；α1—定子出口液流角；α2—定子入口液流角；β1—轉子出口液流角；β2—轉子入口液流角；Qi—流量；D—特征圓柱層直徑；l—葉片徑向高度；γ0—流體重量；g—重力加速度。 根據，以上四個公式（公式1，公式2，公式3，公式4），其中只有兩個是獨立的。從給定的設計參數(shù)中所計算出的渦輪葉柵進口和出口液流角不只是一個液流角的結合；進口角和出口角不是唯一的。因此，有不同的液流角的組合去獲得Mi和n的值。對于這些不同的角度組合，應選擇最優(yōu)液流角的組合以提高水力效率，否則，在設計過程中，要保證三無量綱系數(shù)在正常范圍內，這些無量綱系數(shù)是由液流角的組合[ 2 ]確定的。 葉片輪廓的入口和出口角度的改進與分析 根據設計的參數(shù)所計算液流角度，不可直接作為葉片輪廓的角度。如圖3所示，由于一半的后定子吸力面流動分離，葉柵出口液流角總是大于葉柵結構角。同時，實驗結果表明最高的效率發(fā)生在葉柵工作在負攻角的情況下。 因此，計算的流量角度應該被修正。減少計算的葉柵進口和出口的液流角以此獲得結構角，然后渦輪葉柵工作在負攻角的條件下，并且液流角滿足設計要求，此時渦輪工作效率將是最高的。文獻[ 1 ]提出了由修正的葉柵進口液流角和出口液流角所定義的修正范圍，但修正范圍太廣，修正的范圍的上限是如此接近液流角本身的值，所以這種方法對液流角的修正的意義不大。在本文中，基于一種渦輪鉆具，利用流體軟件建立最廣泛使用的對稱葉片的CFD模型，然后采用葉片的水力效率η和圓周力fx作為評價參數(shù)。圓周力fx是單位流量通過轉子表面方向時所產生的。這些評價參數(shù)可以評估葉柵流動角度的修正質量。 （5） 液壓效率η: 公式5，Nin—單級渦輪輸入功率，（W）；Nout—單級渦輪輸出功率，（W）。 （6） 圓周力fx： 公式6，fx—圓周力，（N.s/m3）；Fx—旋轉方向上的轉子力，（N）；Q—流量，（m3/s）。 渦輪葉柵的設計目的是使渦輪鉆具獲得最大的圓周力，高效率，大制動力矩，而且，更大的圓周力，更大的扭矩值。換句話說，流動角的修正目的在于渦輪鉆具在設計的轉速時獲得最大的切向力和高的水力效率。 圖3 定子和轉子的流場矢量圖 進口液流角修正分析 隨著液流角被修正為不同的角度時，CFD模型被建立和計算[ 3，4 ]，計算結果表明評價參數(shù)和修正液流角的關系。如圖4所示，首先，渦輪葉柵工作效率隨流量修正角的增加而增加；然后，在一定范圍內保持高的效率；但隨著修正液流角的進一步增加，渦輪葉柵效率明顯降低，圓周力和扭矩也會減少。相比在fx變化曲線下的效率曲線，入口流動角的修正大大的影響了渦輪鉆具的生產機械能。根據渦輪鉆具的扭矩大，高功率的實際應用要求，修正液流角的值應在盡可能使渦輪鉆具處在高的效率范圍內，渦輪鉆具在設計工作條件下輸出功率高，圖4表明了渦輪高效率和圓周力變化趨勢的范圍，進口和出口液流角修正范圍可直接從圖4中獲取，這可以用于指導液流角的修正。 圖4 進口液流角修正的影響圖 出口液流角修正分析 出口液流角CFD模型的建立和計算類似于進口液流角的計算。計算結果表明了葉柵效率，圓周力以及修正液流角之間的關系。如圖5所示。 如圖5所示，它表明圓周力，渦輪輸出扭矩和由葉柵產生的機械能會隨著與液流角的增加而增加。渦輪葉柵效率通過液流角的微小的修正有一個小的變動，但起初其效率基本上保持不變。但隨著修正液流角的進一步增加，渦輪葉柵效率會明顯降低。因此，進口液流角應該在一個狹小的范圍內被修正，如圖5所示，優(yōu)化修改范圍為4~6°。水輪機性能由于出口液流角的修改會有很大的突變，所以有必要對由出口修正液流角所影響的流場的進行分析。 圖5 出口液流角修正的影響圖 隨著出口液流角修正值的增加，轉子的入口液流角逐漸減小，結果是流體會以較高的循環(huán)速度流入轉子。比較圖6，圖7，圖8中的速度向量值，在轉子壓力面，液體循環(huán)速度分布均勻，并且?guī)缀鯖]有變化。但在吸力面，定子出口液流角大大減少，鉆井液以較高的循環(huán)速度流入轉子，轉子進口圈前端單元局部高速越來越明顯，致使流速梯度從轉子進口到最大彎曲段和邊界增厚層逐漸增加。隨著液流角修正值的增加，流量分流在這個區(qū)域越來越明顯，通過轉子的受力分析，流量分流發(fā)生在使圓周力和渦輪輸出扭矩增大的第一半吸力面上，但流量分流會導致能量損失，降低渦輪效率。當液流角被修正，轉子表面壓力如圖9所示，從轉子進口到最大彎曲段，壓力明顯降低，轉子表面總壓力增加，并且渦輪輸出扭矩增大，輸出功率增加。 圖6 無修正轉子流場矢量圖 圖7 出口氣流角修正值3° 低場矢量圖 圖8 出口氣流角修正值7° 低場矢量圖 圖9 出口氣流角修正值7° 轉子表面壓力圖 ma=0.5的渦輪葉柵的進出口液流角已經在上面被修正了。對比進出口液流角的修正對渦輪性能的影響，很明顯的，入口變化對渦輪性能的影響波動較小，葉柵進口液流角可在很寬的范圍內被修改；出口液流角對渦輪性能影響的波動很大，因此，根據實際要求，出口液流角應在小的范圍內修正；圖5提供了參考。 總結 基于對渦輪鉆具葉片輪廓進口和出口角的分析，修正值范圍變窄，因此設計者可以更容易的選擇合理的修正值，本文提出了以下四個觀點： 修正葉片進口液流角將導致一系列的結果，如圓周力fx減小，渦輪輸出扭矩減小，梯級水力效率變化表現(xiàn)出了先增加，然后保持，最后下降的趨勢。進口液流角修正對汽輪機的性能波動影響較小。當修正的值在一定的范圍內，葉柵效率是最優(yōu)的，基本上處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，渦輪輸出性能有輕微的波動，因此，入口液流角度修正范圍應結合實際的工作情況，如果修正值超出合理范圍，會導致渦輪性能的惡化。 對不同刀片配置的各種循環(huán)系數(shù)cu，cu越大，出口液流角越小，出口液流角對渦輪鉆機性能有較大的影響。特別是，當循環(huán)系數(shù)cu＞1，修正應該選擇一個小的液流角修正值，這是防止轉子流量從入口表面到最大彎曲段分流，此時渦輪效率將降低；對于cu≤1小循環(huán)系數(shù)的渦輪，出口修正范圍可以適當?shù)臄U大。 對于不同葉型的不同影響程度的系數(shù)ma,隨著影響程度系數(shù)ma的增加，定子入口和出口液流角將減小，轉子的入口和出口液流角將逐漸增加，在修正過程中，ma越大，允許的定子入口和出口液流角的修正范圍越小，然而，允許的轉子入口和出口液流角的修正范圍卻越大。 參考文獻 [1] Fudong Xu, Xiaodong Zhang. 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