涡轮钻机作为石油工业的主要动力装备,由于国家对石油资源开发和工业发展的需求,在80年代得到了发展。它已成为一种与螺杆钻具齐名的井下动力钻具,是石油工业发展轨迹上的三大主要技术之一。涡轮钻具突破性发展的原因是常规地层资源开发越来越少,围绕地层环境复杂的非常规油气资源掀起了新一轮油气开发浪潮。特别是在深井、高温高压等恶劣环境中,螺杆钻具虽然钻井性能优越,但其缺点也很明显,振动大与不稳定性在这些区域也很明显。涡轮钻机本身具有高速、低振动、耐高温等特点,在各种地质条件下工作方便。目前,对涡轮钻具进行了大量的探索,在涡轮钻具单列叶片的设计研究中取得了丰硕的成果。在国内外涡轮研究过程中发现,气动涡轮的设计理论比一般的叶片设计理论更能准确地反映涡轮钻具内部的真实流场,串列叶栅优于单列叶栅,具有更高的效率和扭矩,并且涡轮钻具的效果好坏很大程度上由转子叶片决定。因此,从这些角度出发,提出了一套涡轮钻具串列叶栅的设计理论和建模分析方法用于转子叶片的设计研究。具体研究内容如下:(1)涡轮叶片设计理论研究研究气动涡轮叶片设计理论,在对叶片设计时是以长叶片设计为基础的,长叶片设计过程中考虑了叶片参数在半径方向上的变化,而涡轮钻具叶片平均直径与叶片高度之比的大小是小于7～10的,属于长叶片设计范畴,故而验证了叶片设计理论在涡轮钻具叶片设计中的可行性。(2)参数设计在进行串列叶栅参数设计时,首先通过气动涡轮叶片理论,并以长叶片设计为基础,设计一个单列叶片作为串列叶栅前叶片,随后运用航天串列叶栅经验结合分流叶片模型确定串列叶栅参数。(3)叶片造型在NUMECA软件AUTOBLADE模块中对串列叶栅叶片进行造型,分别对端壁型线、流面类型、叶片截面参数、积叠规律和主叶片类型进行输入或者选取,检查串列叶栅模型的结构和形状,为后文进行数值模拟分析做准备。(4)通过流场仿真对涡轮串列叶栅进行优选模型生成后,确定串列叶片前、后叶片间的参数,并调整参数的数值进行多组模型的建模工作,随后均采用NUJMECA软件中AutoGrid5模块对模型进行网格划分,随后进行网格质量检测,得到质量合格的计算模型。随后在FINE/TURBO软件中进行流场仿真分析,得到不同参数下的涡轮的性能曲线图,并根据涡轮的性能曲线图进行优选,并对速度云图和压力云图进行分析,总结流体流动规律。(5)对优选后的串列叶栅进行变工况分析以及与单列叶片进行比较对于优选后的串列叶栅,依照上述步骤进行流场仿真,仿真后得到不同转速下的速度云图和压力云图,根据不同转速下的速度云图和压力云图分析流体在转子叶片中的流动情况,总结流动规律;随后绘制涡轮的性能曲线图,根据涡轮的曲线图分析此叶型的转子在高转速为多少时工作性能最好。随后将设计得到的单列叶片进行流场仿真,与串列叶栅进行比较,串列叶栅的优缺点。