六头螺杆钻具的仿真研究

分类号学号M201171457学校代码10487密级硕士学位论文学位申请人：杨剑学科专业：固体力学指导教师：倪樵教授答辩日期：2014.2.六头螺杆马达的三维动态仿真AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofAppliedSociologyThree-dimensionalDynamicSimulationofPositiveDisplacementMotorCandidate:YangJianMajor:SolidMechanicsSupervisor:Prof.NiQiaoHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,P.R.ChinaFebruary,2013摘要区别于往复式马达，螺杆马达是一种容积式马达，又被称为定排量马达，与同类型的泵、压缩机一起都是从法国工程师的研究发明基础上衍变出来的。由于其扭矩大、工作平稳，被广泛运用于石油钻井、地质勘探和国防工程等方面的钻井作业当中。目前螺杆马达还存在很多问题，比如密封泄露的问题、橡胶衬套的振动和高温变形问题、寿命比较短等。目前直接对螺杆钻具进行流固耦合仿真研究的非常少，大多数都是对螺杆泵的研究，忽略了液压驱动和接触密封问题。对于螺杆钻具的仿真研究，由于涉及到了很多复杂问题，现在主流的仿真算法不能很好的解决这些问题，但是螺杆钻具在工业、生活、国防等方面有重要的用途，所以对其研究又非常必要，寻找到比较通用的仿真方法就十分重要。螺杆马达的仿真研究可以看作是在高压液体驱动下转子进行高速转动和碰撞的问题，本文根据螺杆马达的摆线、骨线和等距线等数值方程，创建了六头螺杆马达的模型。模型中考虑了橡胶衬套的超弹性问题，转子和定子之间的摩擦问题，以及流固耦合下的接触密封问题。模型基本做到了液压驱动，有效的完成了密封腔在运动中的转换。通过仿真数值计算分析本文得到了转子的运动规律，橡胶衬套的变形和受力状况，同时研究了有反力矩和无反力矩两种工况下的压差、周期和轴力的变化。综上所述本文的研究理论和数值方法对研究各种型号螺杆马达的流固耦合分析提供了很好的计算平台，可以有效的提高产品质量并且缩短了研发周期。关键词：螺杆马达流固耦合浸入边界法接触密封液压驱动Abstract目录摘要...............................................................................................................3Abstract.............................................................................................................4第一章绪论.....................................................................................................71.1研究背景与意义..................................................................................71.2国内外研究现状及发展趋势..............................................................91.3论文研究内容....................................................................................13第二章螺杆马达的结构和工作特性...........................................................142.1螺杆钻具的结构...............................................................................142.2螺杆马达的工作特性........................................................................172.3螺杆马达的分类................................................................................192.4螺杆马达的线型分析........................................................................202.5螺杆马达的受力分析........................................................................212.6仿真过程中的难点和重点...............................................................232.7本章小结...........................................................................................24第三章螺杆钻具的流场分析.......................................................................253.1引言....................................................................................................253.2湍流理论及数学描述........................................................................253.3湍流数值模拟方法...........................................................................273.4本章小结............................................................................................29第四章理论算法...........................................................................................304.1粘性流体力学...................................................................................304.2流固耦合力学....................................................................................324.3本章小结............................................................................................33第五章仿真计算模型...................................................................................345.1计算模型............................................................................................345.2材料及参数........................................................................................425.3边界与求解参数设定说明................................................................435.4本章小结............................................................................................45第六章计算结果及其分析...........................................................................465.1无反力矩计算结果...........................................................................496.2有反力矩计算结果.........................................................................506.3本章小结...........................................................................................52第七章结论和展望.......................................................................................537.1全文总结............................................................................................537.2展望....................................................................................................54致谢.............................................................................................................55参考文献.........................................................................................................56第一章绪论1.1研究背景与意义随着钻井工程的高速发展，螺杆钻具[1]也有了很好的发展，当前国产的螺杆钻具在国内市场已经占到了主导地位，很好的满足了我国在钻井工程方面的需要。但是仍然有很多需要发展的地方。从20世纪80年代以来，随着钻井工程的高速发展，作为80年代石油工程里面的三大技术（PDC钻头、MWD、井下动力钻具)[2]之一的螺杆钻具也有较大的发展。国内螺杆钻具经过了从无到有从弱到强的过程，但是仍然有许多需要研究的地方，比如寿命较低、钻具的适应性差以及钻具管理制度混乱等。因此，要对钻具的整体状况进行整理，比如设计、制造、使用以及钻具档案管理等，找出其中的差距，为找到螺杆钻具的相关问题指明道路，才能实现国产钻具的继续发展。不同于往复式马达，螺杆马达是一种容积式马达[3]，又被称作定排量马达，与同类型的泵、压缩机都是从法国工程师的研究发明基础上衍变出来的。它的基本原理是通过转子与定子形成密封腔，再注入高压流体，利用密封腔间的压力差，推动螺杆转子绕定子轴心做行星运动，并通过万向轴承将行星运动转化为轴心运动，带动钻头旋转。由于其扭矩大、工作平稳，被广泛