渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子軸向間隙調(diào)整的可視化研究

渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子軸向間隙調(diào)整的可視化研究渦輪鉆具是石油鉆井中的重要工具,它的性能的好壞與否,直接對鉆井的質(zhì)量,速度和成本有重要影響。因此它一直是石油鉆井和機械業(yè)密切關注的對象。由于渦輪鉆具的工作環(huán)境極其惡劣,工作時除受鉆井液磨礪磨損外,渦輪中的軸承還承受鉆壓、水力載荷以及鉆進時產(chǎn)生的振動與沖擊,使軸承加速磨損,而軸承的磨損會引起渦輪轉(zhuǎn)子與定子間發(fā)生軸向相對位移,使下部軸向間隙變小。當下部軸向間隙小到為零(形成上一級渦輪的轉(zhuǎn)子與下一級渦輪的定子相碰)時,將導致渦輪定子與轉(zhuǎn)子出現(xiàn)事故性磨損而損壞。所以渦輪定、轉(zhuǎn)子軸向間隙的正確調(diào)節(jié)決定了渦輪鉆具的工作壽命。在渦輪節(jié)的裝配過程中,由于渦輪的級數(shù)及零件較多,影響因素也多,且最后的裝配是在殼體內(nèi)完成,致使軸向間隙的準確確定較困難。因此,如何確定渦輪鉆具合理的軸向間隙,對提高渦輪鉆具的裝配質(zhì)量乃至使用壽命具有重要的意義。有必要研究渦輪鉆具軸向間隙的計算方法,開發(fā)一套用于渦輪軸向間隙調(diào)整的可視化應用程序,它具有可視性強,計算速度快等優(yōu)點,可以用于指導實際的渦輪鉆具裝配調(diào)整。當然,影響渦輪鉆具工作壽命的方面還包括有四支點球軸承組均載性和四支點球軸承的耐磨性等。為了提高渦輪鉆具的設計水平我們應該注重結(jié)構(gòu)性能的研究,借助于計算機仿真等新技術(shù),來解決這些理論上不清楚,實驗又做不了的問題,使渦輪鉆具的設計更加科學。為了提高研究質(zhì)量和加快研究速度,本論文采用循序漸進的方法,從計算機仿真和科學可視化的角度出發(fā),研究渦輪鉆具渦輪節(jié)軸向間隙仿真模型及仿真程序。仿真方法中對于零件的變形分析用到了求解精度很高的ANSYS有限元分析方法,在程序設計上用到了VC++先進的可視化語言。具體工作有如下幾個方面;1.介紹了渦輪鉆具的應用情況和發(fā)展前景;介紹了渦輪鉆具軸向間隙調(diào)整的過程、存在問題和解決方法;介紹了求解其軸向間隙的各種應用軟件和工具的應用領域以及解決問題的優(yōu)勢。2.建立渦輪節(jié)軸承組的仿真模型,軸承組零件受軸向壓力作用后,其原始軸向游隙發(fā)生變化,需要重新計算其軸向游隙。利用ANSYS分析軟件計算結(jié)果精度高的特點,對單副軸承進行了實體建模,求解和后處理分析計算,給出了分析方法和注意事項,求得單副軸承軸向受力和變形的關系。找出了利用單副軸承推導軸承組軸向變形的方法,得出了軸向游隙的分布規(guī)律,從而求得軸承組承受軸向力和軸向變形的關系。3.VisualC++輔助計算渦輪節(jié)軸向間隙利用ANSYS分析結(jié)果中豐富的信息,從眾多信息中提取特征點處的變形數(shù)據(jù),用VisualC++語言編寫輔助計算程序,驗證了ANSYS分析計算軸承變形結(jié)果的正確性,推導了軸承組軸向變形計算方法,給出了軸承組軸向游隙分布圖以及軸向力和軸向變形的關系曲線;對主要零件進行了ANSYS有限元分析,計算出了軸向間隙的在不同軸向力作用下的分布情況,并將軸向間隙調(diào)整過程動態(tài)可視化。其中考慮了零件的加工偏差,零件受壓后變形、軸承件受壓后游隙變化對渦輪軸向間隙分布的影響。并且可以調(diào)整不同公差對結(jié)果進行比較對照。本論文主要以165型渦輪鉆具渦輪節(jié)為例(也可以選擇其它類型的渦輪鉆具),對各個主要零件進行了建模仿真。通過ANSYS對單副軸承軸向變形分析,我們得知ANSYS有限元分析軟件是能夠解決軸承的接觸問題的,并足夠精確;通過繪制軸承組游隙分布圖和軸向力與軸向位移的關系曲線,我們可以得知四支點球軸承組軸承的游隙分布是隨機的,軸向力在軸承組上的分布也不是均勻的;通過繪制渦輪節(jié)軸向間隙分布圖,從其分布可以了解軸向間隙的全局情況,并且每組的靠近支撐節(jié)的幾副渦輪的軸向間隙最小。最后就是動畫顯示軸向間隙的變化過程,從動畫我們不僅可以了解間隙變化過程而且對鉆具的裝配過程也有一個直觀的認識。