作为石油工业中主要的动力装置,涡轮钻具在八十年代期间,由于国家对石油资源开采与行业发展的渴望,便借势崛起,一跃成为与螺杆钻具齐名的井下动力钻具,两者皆为石油工业发展轨迹上的三大技术。涡轮钻具能够得到突破性发展的原因在于,常规地层资源开采已近尾声,油气开发的新浪潮已然围绕着地层环境纷繁复杂的非常规油气资源展开,尤其是在深井、高温高压等恶劣环境下,螺杆钻具纵使钻井性能优越但是劣势也很明显,振动大不稳定对这些区域也显得鞭长莫及,涡轮钻具自身具有转速高、振动小、耐高温的特点,在各种地质条件下工作都显得游刃有余。目前对涡轮钻具进行了众多的探索,大量的工作在对涡轮直叶片设计研究方面也取得了丰硕的成果,本文在对国内外涡轮研究现状调研过程中发现,气动涡轮的三维设计理论较直叶片设计理论更能准确反映涡轮钻具内部真实的流场情况。以此为出发点,本文提出了一套可用于涡轮钻具三维叶片的设计理论与造型分析方法,具体研究内容如下:(1)涡轮叶片三维设计理论研究研究气动涡轮三维设计理论,在对叶片设计时是以长叶片设计为基础的,长叶片设计过程中考虑了叶片参数在半径方向上的变化,而涡轮钻具叶片平均直径与定转子叶片高度之比小于7～10,属于长叶片设计范畴。此外,三维设计中轴流涡轮气动力计算问题属于三元定常流问题,通过若干假设简化为简单径向平衡方程的求解问题,从而推出涡轮钻具叶片的三维设计理论——等环量法。在简化问题过程中做出的假设,涡轮钻具是同样满足条件的,故而验证了三维设计理论在涡轮钻具叶片设计的可行性。(2)参数设计将定转子叶片在半径方向上等分为5个截面,首先由设计工况参数计算出叶片的根部截面参数,随后采用等环量扭曲计算方法以根部截面参数为基础计算出其余4个截面的参数。(3)叶片造型在NUMECA软件AUTOBLADE模块中对三维叶片进行造型,分别对端壁型线、流面类型、叶片各个截面参数、积叠规律和主叶片类型进行输入或者选取,检查三维模型的结构和形状,为后文进行数值模拟分析做准备。(4)涡轮定转子叶片流场仿真分析三维模型生成后,采用NUMECA软件中Autogrid5模块对三维模型进行网格划分,随后进行网格质量检测,得到质量合格的计算模型。将网格模型导入CFX软件中进行流场仿真分析,得到不同转速下的仿真云图以及涡轮的性能曲线图,由曲线图分析此叶型的定转子在高转速下工作性能最好。(5)三维叶片优选及性能改进对三维叶片造型方式中积叠规律以及主叶片造型方式分别进行优选,对不同类型造型方式的三维叶片模型进行数值模拟分析,根据流场仿真结果优选出性能更佳的造型方式。另外,对轴向弦长、定转子叶片数以及轴向间隙个参数进行分析研究,在各自参数范围内对不同参数的三维叶片模型进行仿真分析,根据性能趋势图选取出能够提升性能的参数值,从而使得叶型性能得到改进。