[发明专利]一种高速涡轮钻具的涡轮叶片参数化造型设计方法

说明书

本发明涉及一种高速涡轮钻具的涡轮叶片参数化造型设计方法，属涡轮叶片设计技术领域。该方法首先对涡轮钻具叶片的参数进行分类，然后根据涡轮钻具叶片的参数化模型，建立叶片压力面和吸力面的型线方程；接着结合上述确定的叶片主要参数并建立直角坐标系对圆心、压力面和吸力面首尾点及一、二阶导数进行求解；利用高次多项式编程进行拟合造型，生成叶片型面；最后将编程所生成的曲线导入三维建模软件中生成三维叶片实体。本发明能够使得多项式求解得到的叶型与参数化建模相符，同时针对不同涡轮钻具转速的叶片造型设计，只需要更改工况参数转速即可生成相应的叶型，从而提高了涡轮叶片参数化造型的准确性和广泛适用性。

技术领域

本发明涉及一种高速涡轮钻具的涡轮叶片参数化造型设计方法，属涡轮叶片设计技术领域。

背景技术

叶轮机械是目前重要的动力设备之一，在国民经济的各个产业中普遍采用，既是石油天然气等能源开发行业中的核心部件，也是航空工业中的关键动力装置。近年，随着对非常规油气资源和深层油气藏的勘探和开发，深井和超深井的数量大幅度增加。涡轮钻具在深井钻井中有效的提高了机械转速，在高温高压环境下具有转速高、振动小和耐高温等特点，成为了超深井及复杂地质条件下防斜打快不可缺少的钻井设备。作为涡轮钻具的核心部件，定转子叶片是为涡轮钻具提供动力的能量器官。叶片的水力特性决定了涡轮钻具的工作性能。

涡轮钻具的叶片造型是叶片设计工作中的核心内容，叶片设计效率将对整个产品的研发周期产生很大影响。传统的叶片设计方法主要是几何设计法，通常包括多段圆弧组合构造法和中弧线厚度分布构造法。这种方式虽然简单，但盲目性较大且效率不高，误差明显，叶型可控性差。同时，圆弧交点位置容易出现曲率不连续，导致垂直于叶片表面的压强梯度发生突变；圆弧组合型线存在不连续的曲率导数点，会导致叶片的水力性能降低；叶背上曲率半径突变引起扩压，导致出口段易产生脱流现象。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够根据叶片不同的转速性能要求，设计出合理有效的叶片，以提高涡轮叶片参数化造型的准确性和广泛适用性，解决现有叶片造型的叶型可控性差、曲率不连续等问题的高速涡轮钻具的涡轮叶片参数化造型设计方法。

本发明的技术方案是：

一种高速涡轮钻具的涡轮叶片参数化造型设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）、根据涡轮叶片参数的不同性质首先将其分为流动参数和几何参数，然后对涡轮叶片的参数进行分类整理，划分参数对叶片性能的影响特点，并进行参数化建模；

所述流动参数包括定子叶片进口液流角、定子叶片出口液流角、转子叶片进口液流角、转子叶片出口液流角、液流转折角、进口绝对速度、出口绝对速度、进口相对速度、出口相对速度、轴向速度、圆周速度；

所述几何参数包括叶片弦长、前缘小圆半径、后缘小圆半径、定子进出口结构角和、转子进出口结构角和、定转子叶片轴向高度、前缘边楔角、后缘边楔角、进口结构角、出口结构角、安装角、叶栅节距、叶片折转角、叶型最大厚度；

2）、根据涡轮叶片的参数化模型，建立涡轮叶片型线方程，得到涡轮叶片的压力面和吸力面方程；压力面和吸力面型线方程为和；

3）、结合步骤1）确定的涡轮叶片主要参数并建立直角坐标系对圆心、压力面和吸力面首尾点及一、二阶导数进行求解；包括：圆心计算、吸力面和压力面首点计算、吸力面和压力面尾点计算、压力面和吸力面首点和尾点的二阶导数求解；

4）、依据上述步骤通过编程软件（Matlab）编写程序并进行计算，利用高次多项式拟合造型生成涡轮钻具叶片型面，通过改变转速的大小，实现高速（800-1200r/min）、中高速（500-800r/min）和低速（100-500r/min）涡轮叶片型面的设计；