井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究

发布时间：2017-09-02 12:24

  本文关键词：井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究

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【摘要】：石油开采过程中,涡轮钻具作为动力单元在各种先进钻采设备和工具中得到了广泛应用和迅速发展。本文说明了涡轮钻具的常见型式与特征,阐述了涡轮钻具的输出特性,并参考现有涡轮钻具确定了所设计涡轮钻具涡轮的结构模型及参数计算方法。涡轮钻具的主要部件是涡轮定、转子,作为涡轮钻具的基本动力单元,它们的主要作用是将流体的水力能转化为机械能。涡轮叶片作为决定涡轮性能的核心部件,对其造型设计是非常重要的。涡轮叶片的表面为自由曲面,现有涡轮钻具叶片设计方法存在效率低,使用性能差的缺点。为了提高涡轮叶片的设计效率及其水力性能,以?172mm涡轮钻具为对象,在查阅文献的基础上,综合分析现有的涡轮叶片造型方法,确定选用五次多项式作为叶片叶型的优化设计方法,由此提出了一种满足要求的涡轮叶片参数化模型。借助于数学工具MATLAB求解得到涡轮叶片叶型方程,然后基于UG创建涡轮叶片及定、转子的三维模型,结合NX Flow对模型的水力性能进行CFD分析,得到了在额定流量条件下涡轮内流场压力和速度分布规律,对各工况条件下的涡轮叶片水力性能进行分析,后与试验数据分析对比,验证了本文涡轮叶片设计方法的有效性。通过CFD分析,很好的将不同工况下的涡轮钻具水力性能展现了出来,对涡轮叶片的优化设计具有指导作用。
【关键词】：涡轮钻具 叶片 造型优化
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.2
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-11
• 1.1 研究的目的及意义7
• 1.2 研究的背景及来源7-8
• 1.3 课题研究的现状8-9
• 1.4 研究的技术路线及内容9-11
• 第二章 涡轮钻具概述11-19
• 2.1 井下动力钻具11-12
• 2.2 涡轮钻具工作原理12-14
• 2.3 涡轮钻具结构及分类14-15
• 2.4 涡轮钻具优缺点15-16
• 2.5 涡轮钻具理论特性16-17
• 2.6 涡轮钻具能量损失17-18
• 2.7 本章小结18-19
• 第三章 涡轮结构设计19-24
• 3.1 涡轮钻具性能参数19
• 3.2 定转子几何尺寸的确定19-22
• 3.3 涡轮定转子设计图22-23
• 3.4 本章小结23-24
• 第四章 涡轮叶栅及叶片计算24-35
• 4.1 涡轮叶片设计流程24
• 4.2 涡轮叶栅流动理论24-25
• 4.3 涡轮叶栅流动模型25
• 4.4 涡轮叶栅流动分析25-27
• 4.5 涡轮叶栅参数设计27-32
• 4.5.1 涡轮叶栅参数27-30
• 4.5.2 涡轮叶栅液流角设计30-32
• 4.6 涡轮叶片几何参数确定32-34
• 4.7 本章小结34-35
• 第五章 涡轮叶片造型及建模35-49
• 5.1 涡轮叶片叶型结构35-36
• 5.2 涡轮叶片叶型设计要求36
• 5.3 涡轮叶片优化设计流程36
• 5.4 涡轮叶片造型方法36-39
• 5.4.1 叶型参数化设计方法37-38
• 5.4.2 叶型的多项式拟合38-39
• 5.5 叶片型线方程求解39-41
• 5.6 基于MATLAB实现叶型设计41-43
• 5.7 涡轮叶片及定转子建模43-48
• 5.8 涡轮叶片制造材料要求48
• 5.9 本章小结48-49
• 第六章 基于NX涡轮叶片水力性能分析49-64
• 6.1 UG NX概述49
• 6.2 CFD模型的建立49-50
• 6.3 模型的离散化50-51
• 6.4 数值计算方程51-52
• 6.5 边界条件设置52
• 6.6 数值模拟步骤进程52-56
• 6.7 流场模拟结果分析56-59
• 6.8 模拟值与试验值对比59-63
• 6.9 本章小结63-64
• 第七章 总结与展望64-65
• 7.1 课题的总结64
• 7.2 课题的展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文68-69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：778539