涡轮钻具定转子轴向间隙调整的可视化研究

摘要

涡轮钻具是石油钻井中的重要工具，它的性能的好坏与否，直接对钻井的质量，速度和成本有重要影响。因此它一直是石油钻井和机械业密切关注的对象。由于涡轮钻具的工作环境极其恶劣，工作时除受钻井液磨砺磨损外，涡轮中的轴承还承受钻压、水力载荷以及钻进时产生的振动与冲击，使轴承加速磨损，而轴承的磨损会引起涡轮转子与定子间发生轴向相对位移，使下部轴向间隙变小。当下部轴向间隙小到为零（形成上一级涡轮的转子与下一级涡轮的定子相碰）时，将导致涡轮定子与转子出现事故性磨损而损坏。所以涡轮定、转子轴向间隙的正确调节决定了涡轮钻具的工作寿命。在涡轮节的装配过程中，由于涡轮的级数及零件较多，影响因素也多，且最后的装配是在壳体内完成，致使轴向间隙的准确确定较困难。因此，如何确定涡轮钻具合理的轴向间隙，对提高涡轮钻具的装配质量乃至使用寿命具有重要的意义。有必要研究涡轮钻具轴向间隙的计算方法，开发一套用于涡轮轴向间隙调整的可视化应用程序，它具有可视性强，计算速度快等优点，可以用于指导实际的涡轮钻具装配调整。当然，影响涡轮钻具工作寿命的方面还包括有四支点球轴承组均载性和四支点球轴承的耐磨性等。为了提高涡轮钻具的设计水平我们应该注重结构性能的研究，借助于计算机仿真等新技术，来解决这些理论上不清楚，实验又做不了的问题，使涡轮钻具的设计更加科学。 为了提高研究质量和加快研究速度，本论文采用循序渐进的方法，从计算机仿真和科学可视化的角度出发，研究涡轮钻具涡轮节轴向间隙仿真模型及仿真程序。仿真方法中对于零件的变形分析用到了求解精度很高的ANSYS有限元分析方法，在程序设计上用到了VC++先进的可视化语言。具体工作有如下几个方面； 1.介绍了涡轮钻具的应用情况和发展前景；介绍了涡轮钻具轴向间隙调整的过程、存在问题和解决方法；介绍了求解其轴向间隙的各种应用软件和工具的应用领域以及解决问题的优势。 2.建立涡轮节轴承组的仿真模型，轴承组零件受轴向压力作用后，其原始轴向游隙发生变化，需要重新计算其轴向游隙。利用ANSYS分析软件计算结果精度高的特点，对单副轴承进行了实体建模，求解和后处理分析计算，给出了分析方法和注意事项，求得单副轴承轴向受力和变形的关系。找出了利用单副轴承推导轴承组轴向变形的方法，得出了轴向游隙的分布规律，从而求得轴承组承受轴向力和轴向变形的关系。 3.VisualC++辅助计算涡轮节轴向间隙利用ANSYS分析结果中丰富的信息，从众多信息中提取特征点处的变形数据，用VisualC++语言编写辅助计算程序，验证了ATSYS分析计算轴承变形结果的正确性，推导了轴承组轴向变形计算方法，给出了轴承组轴向游隙分布图以及轴向力和轴向变形的关系曲线；对主要零件进行了ANSYS有限元分析，计算出了轴向间隙的在不同轴向力作用下的分布情况，并将轴向间隙调整过程动态可视化。其中考虑了零件的加工偏差，零件受压后变形、轴承件受压后游隙变化对涡轮轴向间隙分布的影响。并且可以调整不同公差对结果进行比较对照。 本论文主要以165型涡轮钻具涡轮节为例（也可以选择其它类型的涡轮钻具），对各个主要零件进行了建模仿真。通过ANSYS对单副轴承轴向变形分析，我们得知ANSYS有限元分析软件是能够解决轴承的接触问题的，并足够精确；通过绘制轴承组游隙分布图和轴向力与轴向位移的关系曲线，我们可以得知四支点球轴承组轴承的游隙分布是随机的，轴向力在轴承组上的分布也不是均匀的；通过绘制涡轮节轴向间隙分布图，从其分布可以了解轴向间隙的全局情况，并且每组的靠近支撑节的几副涡轮的轴向间隙最小。最后就是动画显示轴向间隙的变化过程，从动画我们不仅可以了解间隙变化过程而且对钻具的装配过程也有一个直观的认识。 本论文所建立的涡轮节轴向间隙的仿真算法是正确的，可以大大减少设计中出的原则性错误，对缓解调整困难，提高整机的装配质量，正确预测涡轮节理论工作寿命有直接的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1涡轮钻具的工作原理和基本特点

1.2涡轮钻具的应用现状和前景

1.3涡轮钻具的新发展

1.4涡轮钻具装配中间隙调整变化规律

1.5涡轮钻具间隙调整存在的问题及解决步骤

第二章科学可视化发展的历史及现状

2.1概述

2.2 ANSYS有限元技术的发展和应用

2.3面向对象语言与可视化相结合

2.4动画设计的主要方法及基本原理

第三章涡轮钻具涡轮节单副轴承轴向变形分析

3.1引言

3.2四支点推力轴承的特点和工作机理

3.3对一副轴承进行ANSYS分析确定一副轴承轴向受力和轴向变形的关系

3.3.1分析模型的建立和假设条件

3.3.2接触单元的确定和载荷施加

3.3.3注意事项

3.4计算结果分析与校验

3.4.1赫兹理论的缺陷和传统的赫兹解

3.4.2轴承的有限元后处理

3.4.3 ANSYS结果和赫兹解比较

3.5本章小结

第四章涡轮钻具涡轮节轴承组轴向变形仿真

4.1引言

4.2最近节点模块

4.3 ANSYS结果验证模块

4.4轴承组轴向变形研究模块

4.4.1生成轴承组内外圈的随机尺寸

4.4.2轴承游隙分布图

4.4.3轴承组轴向力与位移的数值提取

4.4.4作轴承组轴向力与位移图

4.5本章小结

第五章涡轮钻具涡轮节轴向间隙调整可视化

5.1典型零件的受力分析

5.1.1轴向力大小分析：

5.1.2主要零件的变形分析：

5.1.3主要零件的有限元模型及其处理：

5.2涡轮节定转子轴向间隙的可视化

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间取得的成果

致谢