54 mm涡轮钻具三维叶片造型设计与研究

针对涡轮转子不同半径圆柱层液体圆周速度不同,导致的液体与转子叶片产生冲击产生的水力损失问题,利用多截面造型方法建立了一种三维叶片涡轮。基于实际工况中从第二级涡轮开始,定子入口的流速是上一级涡轮转子出口流速,速度方向并不垂直于定子入口面这一情况,对现有的涡轮流道模型进行修正,建立了多级流道模型。通过数值模拟方法,对多级涡轮流道模型进行流场分析,得到中间一级涡轮的相关性能参数的特性曲线。研究结果表明:三维叶片涡轮压降更低,单幅涡轮压降减少约为12%;在最佳工况点处,三维叶片涡轮效率达到了60.25%,比直叶片涡轮高出约10%。考虑径向间隙对涡轮性能的影响,建立了相对应的流道模型,验证了方案的可行性。研究结果对涡轮叶片的设计和多级涡轮流场分析具有一定的指导意义。

Φ73 mm涡轮钻具四支点推力球轴承镀膜后性能测试研究

为研究金刚石镀膜对涡轮钻具四支点推力球轴承性能的提升效果,在专用的轴承试验装置、相同的试验参数下对比镀膜轴承与未镀膜轴承试验后轴向高度变化、钢球直径和试验时长等数据,进而测试镀层对轴承性能的提升效果。试验结果显示,金刚石镀膜轴承运行时长70 h,而未镀膜轴承运行时长200 h,总体寿命下降,但金刚石镀膜轴承在运行前50 h相较于未镀膜轴承运行更平稳,轴向高度下降更慢,但在后20 h轴向高度急速下降且发生较大噪声,最终因发涩噪声迫使试验中断。研究表明,金刚石镀膜随着试验时间的延长发生了镀膜脱落,脱落产生的大量颗粒造成了磨粒磨损的加重,导致轴承性能和寿命下降。同时试验结果也表明,目前将金刚石镀膜技术应用于涡轮钻具上的可靠性不足,风险较高,还需要进行相关研究。

PDC推力轴承工作环境因素对热失效影响规律的仿真

在小尺寸涡轮钻具的研究过程中,为了研究轴承转速、轴向载荷和工作流量大小对聚晶金刚石复合材料(Polycrystalline Diamond Composite,PDC)推力轴承热失效的影响,建立PDC推力轴承模型。基于ANSYS Workbench仿真软件,采取单因素分析法对推力轴承模型进行热力耦合仿真。在不同转速、轴向压载和流量大小的条件下,分别对PDC轴承热失效的变化规律进行总结。仿真结果显示,在PDC轴承热失效的极限状况下,轴承PDC复合片上的线速度与轴承轴向压载呈负指数关系(即线速度越小,热失效的压载越大;线速度越大,临界压载就越小)。工作流量大小与临界轴向载荷呈正相关,通过控制工作流量大小可有效减少轴承热失效情况的发生。这些规律可为今后PDC轴承的设计分析和使用提供重要参考。

小尺寸涡轮钻具三维叶片的设计研究

在涡轮钻具叶片的设计中,由于三维叶片能够更真实地反映涡轮内部流体流动的规律,提出了一种三维叶片的设计思路。通过等环量扭曲设计方法计算出各截面的设计参数,利用线性积叠规律连接各截面进行建模。最后通过数值模拟的方法对直列叶片和三维叶片的水力性能进行对比分析。结果显示,三维叶片在一定循环流量的条件下水力性能有明显的提升,对实际工程应用有一定的指导意义。

Q1624球齿冲击破岩机理研究

为解决轴扭冲击器破岩效率问题,提出了轴扭冲击钻井破岩新技术,并对该技术的破岩机理进行研究。根据江钻公司生产的Q1624齿,用PRO/E建立齿和岩石的三维模型,对模型进行前处理。采用LS-DYNA非线性有限元软件建立齿和岩石的三维模型,模拟球齿冲击破岩的过程,描述岩石的冲击破坏特性以及破坏程度,找到球齿的应力应变时程(应力波)关系、球齿压入岩石深度、破碎体积等。模拟结果表明,双向冲击方式相对于单一冲击方式破岩效率提高,且与齿倾角密切相关,当倾角在25°至35°时,破岩效率最高,为轴扭冲击器破岩提供参考。