基于流固耦合方法分析单头螺杆钻具马达的输出功率特性

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螺杆马达被广泛的应用于地质勘探、石油钻井、建筑管道施工和国防工程等领域的钻进作业中。螺杆马达转子与定子间的接触摩擦及液体漏失影响马达的输出功率,从而影响整个螺杆钻具的钻进能力。目前工程中,大多数仅从经验公式来计算马达效率,没有考虑到转子与定子的接触状态及马达中液体运动状态,这种计算方式存在误差,不能充分的贴近实际工况对螺杆马达的输出功率进行准确计算。本文从螺杆马达工作原理及设计理论入手,在给定初始流量的条件下,建立了螺杆马达接触非线性模型,进行了无钻井液作用下马达的非线性接触动力学仿真分析,对比了不同过盈量和螺距下的多组工况,分析得出马达的最佳结构参数。将螺杆马达固体结构浸入井筒钻井液中,建立螺杆马达流固耦合计算模型,采用浸入边界法及流固耦合分域方法进行求解。在给定马达螺距的前提下,通过改变过盈量、马达流量等参数,得到不同工况下马达压降、马达等效应力、接触压力、摩擦阻力矩及扭矩传递效率等结果,进一步得出螺杆马达的输出功率。对比结果得出:马达输出功率随过盈量的增大先增大后减小,且在过盈量为0.5mm处达到峰值,峰值大小为22.08kW,此过盈量下的马达性能最佳;对性能最佳的马达进行流量影响规律研究,得出:在流量为13L/s-17L/s区间内,马达流量的增大使得马达压降随之增大,马达的扭矩传递效率随之减小,输出功率随之增大。该研究可为螺杆马达输出功率的准确计算提供理论依据及新思路。
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