在石油钻井中,水力减阻振荡器可以将钻柱与井壁的静摩擦转化为动摩擦,改善钻压传递效果并提高机械转速,应用越来越多。但是螺杆驱动水力减阻振荡器长度大、压降高、密封难度大、耐高温性能差,不能完全满足现代钻井的需要。水力涡轮具有结构紧凑、耐高温、转速高的优点,但缺乏小直径产品,2016年国内才成功研发首套89mm涡轮钻具。论文尝试开发小尺寸水力涡轮,替代螺杆驱动马达,以克服目前水力减阻振荡器的不足。在研究普通大尺寸涡轮叶片型线设计方法的基础上,总结了基于五次多项式曲线的叶片参数造型法,叶片型线调整灵活、计算简单。应用五次多项式叶片参数造型法,成功设计出了基本型小尺寸涡轮,并进行了三维造型,定子外径为76mm。应用Fluent软件,对所设计的基本型小尺寸涡轮的水力性能进行了数值模拟,得到了涡轮的内部流场及性能参数;单级涡轮最高效率时,转速为1718.87rpm,扭矩可达1.027 N·m,输出功率为184.86W;转速为143rpm时,扭矩可达1.73 N·m。对结构参数的正交分析表明,前缘半径对于输出扭矩影响十分显著,前缘半径越大,输出扭矩越大;后楔角对叶片输出扭矩影响较为显著,随着后楔角增大输出扭矩增大。叶高对叶片水力效率有十分显著的影响,叶片越高,叶片水力效率越高;前缘半径对压降具有较显著的影响,前缘半径增加,压降加大。涡轮叶片推荐值为:前楔角为15°、后楔角为15°、前缘半径为0.6mm、后缘半径为0.3mm、叶高为9mm。对优化结构的涡轮水力特性进行数值模拟发现,其性能指标均优于基本型涡轮,最高效率达80.26%。对钻井液参数进行的研究表明,钻井液流量或密度增大,涡轮扭矩增大。而钻井液黏度增加,扭矩减小。钻井液液流量、密度或黏度增大,涡轮压降增大。随着钻井液流量增加,涡轮效率先增大后减小。钻井液密度增大,涡轮效率随之增大,并呈现了一定的非线性。钻井液黏度增加,涡轮效率随之下降。