φ89涡轮钻具叶栅设计及性能预测.pdf

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1、第49卷第6期地质与勘探Vo1．49NO．62013年11月GE0L0GYANDEXPL0RAT10NNovember，2013螂9涡轮钻具叶栅设计及性能预测赵志涛，翁炜，黄玉文，杨鹏，岳伟民，徐军军(1．北京探矿工程研究所，北京100083；2．中国地质大学(北京)，北京100083)[摘要]国内尚未有成熟可用外径89mm的涡轮钻具，因此急需研制该口径的涡轮钻具。涡轮钻具设计最关键的一环是叶栅设计，为此介绍了中89涡轮钻具叶栅的高度、叶片数、安装角以及进出口结构角等设计参数，并采用计算流体力学软件对不同转速下单级涡轮的性能进行了数值模拟，对定、转子流道内流场压力和

2、流速分布进行了分析，并根据模拟结果预测了具有该种叶栅的涡轮节的输出性能。预测结果表明，以清水为流体介质，流量为6L／s时，该规格的涡轮节最优转速为1750r／min，涡轮节制动扭矩约267Nm，最大功率可达32kW，满足要求，设计合理。[关键词]涡轮钻具叶栅计算流体力学性能预测[中图分类号]TE921[文献标识码]A[文章编号]0495—5331(2013)06—1176—5ZhaoZhi-tao，WengWei。HuangYu-wen，YangPeng，YueWei—min，XunJun-jun．Cascadedesignandperformancepredict

3、ionofthe~b89turbodrill[J】。GeologyandExploration，2013，49(6)：1176—1180为1600～2000r／min，涡轮节输出的工作扭矩约为0引言150Nm。涡轮钻具以井眼质量高、抗高温和效率高等特1．2涡轮叶栅设计性而备受关注。目前我国已拥有外径为240、195、叶栅结构主要取决于定转子的叶片形状、安175和165mm共4种规格型号的涡轮钻具(符达良装角和叶片节距，这些参数确定后，则可以据此等，2000；杨世奇等，2002；冯定等，2007)，尚缺少小预测出定转子的输出特性。叶栅设计时，首先，口径系列，因此研制8

4、9涡轮钻具，可改变国内小根据钻具外径、流道面积以及强度等方面，确定口径涡轮钻具欠缺的现状，促进我国涡轮钻具系列定转子基本尺寸，其中定转子的叶片根部直径化。在一定流量、一定的钻井液特性的条件下，涡轮40mm，端部直径60mm；然后，根据钻具的性能设钻具的输出特性主要取决于涡轮定、转子叶栅的水计值，计算得出叶栅的流动参数，主要围绕三个力性能(戴静君等，1996；林元华等，2004；刘孝光等，无因次系数进行计算(王邦列等，1999)；最后，2007)，因此，叶栅设计至关重要。叶栅设计完成后根据流动参数确定叶片形状的几何参数，具体见可以根据叶栅参数，利用常用的计算流体力学数

5、值表1。模拟软件(齐学义，2008)，如Fluent、CFX、FLOW3D、从表1可以看出，涡轮定转子的叶片高度为STAR—CD等，对涡轮性能进行预测，以验证设计的11mm，叶片数为16，安装角55。。定转子的叶形镜合理性，可减少台架测试次数，降低研发成本。像对称，因此，定子叶片的进、出口结构角分别等于转子叶片的出、进口结构角。1涡轮叶栅设计1．1涡轮钻具性能预期值2单级定转子的数值模拟拟设计涡轮钻具带有减速器，以清水为钻井液，涡轮钻具的定转子数值模拟，考虑到模拟时间在流量为6L／s时，不考虑减速器，涡轮节工作转速和计算机的运行能力，一般采用对单级定转子的单[收稿日

6、期]2013—07—11；[修订151期】2013—09—10；[责任编辑】郝情情。[基金项目】国家国际科技合作专项(编号2011DFR71170)“地质深孔小口径孔底动力安全钻探技术研究”资助。[第一作者]赵志涛(1984年一)，男，2011年毕业于中国地质大学(北京)，获硕士学位，助理工程师，现从事探矿工程相关工作。E-mailzhaot36@126．COrn。l176第6期赵志涛等：dP89涡轮钻具叶栅设计及性能预测表1涡轮钻具叶片部分参数设计值Table1Designedparametersvaluesofturbodrillblade名称数值叶片高度H／m

7、m叶片弦长b／mm叶栅间距t／mm进口结构角卢1k／。出口结构角2k／。安装角卢／。叶片数Z／mm∞叭∞∞个流道的流场进行数值模拟。目前，可对定转子的图1定子单个流道网格化流道流场进行数值模拟的软件种类很多，但分析过Fig．1Griddedsingleflowchannelofthestator程都十分相似，主要步骤有：几何造型、网格化、物理定义、求解和后处理分析。2．1几何造型根据计算所得叶片结构角、安装角等叶栅参数，画出定转子的几何造型，目前也有多种软件可以自动生成。其中，叶片数为16，定转子间隙设置为3mm。定转子叶形完全镜像对称。2．2网格化网格化即将所