万米超深孔工程是地球深部探测计划的主要部分,其面临着高温、高压、高地应力等井下复杂工况,抗高温超高密度钻井液驱动的全金属涡轮钻具将是取心作业主要形式之一。当前,基于高密度介质的涡轮叶片设计理论尚处空白,本文基于两相流理论,开展了涡轮叶片能量输出模型研究,并基于此开展了多级涡轮仿真和叶片的优化设计研究,为后续高密度涡轮叶片的设计奠定基础。本文首先基于固液两相流基本方程以及修正的伯努利方程,建立了两相流粘性流体流动与涡轮叶片耦合作用的数学模型,提出了单级涡轮定转子性能预测模型,并扩展到多级涡轮叶片,推导出两相流情况下涡轮扭矩、功率、压降的计算公式,定性分析了两相流、流体粘度、流体密度对涡轮级输出性能的影响。针对Ф127 mm取心涡轮钻具的目标参数,确定了动力节定转子径向尺寸,完成了涡轮钻具叶片结构参数的设计,包括前缘和后缘半径、叶片安装角、相对栅距等。基于三维软件SolidWorks创建了涡轮定、转子三维模型,验证了叶片定转子结构以及装配设计的情况,为后续的涡轮级仿真奠定了基础。基于FLUENT的数值模拟结合数学模型可知:钻井液粘度对涡轮的扭矩和功率影响不大,但会大幅增加涡轮消耗的压降,降低钻具效率;对钻井泥浆的加重可明显提高涡轮级的扭矩和功率,提升钻具性能,但同时又会增加水力部件压降;固相粒径越小,涡轮扭矩、功率随之增大,压降减小,但变化幅度都较小。应合理配置钻井液成分,当驱动泥浆的条件为:固相体积分数10%,固相粒径0.01 mm,密度1.4 g/cm~3,粘度16 mPa·s时,拥有双节200级的涡轮钻具整机最大扭矩将在920 N·m左右,峰值功率达到17 kW,涡轮压降为5 MPa左右,基本符合Ф127涡轮钻具性能指标。针对Ф178 mm涡轮钻具缺少成熟的叶型,而Ф127 mm涡轮钻具与其有相近的工作转速区间,采用对比放大设计的方法。同时优化叶片基本结构参数:提高叶片前缘半径至1 mm、后缘半径至0.6 mm,以及增加转子叶片数至28,单级涡轮工作扭矩范围为19.66-28.72 N·m。在最佳工况点,涡轮扭矩达到22.56N·m,已比较接近于同等条件下Ф178 mm涡轮钻具目标转矩28.05 N·m。