钻井液压力波发生器是随钻测量中钻井液信息遥测系统的核心设备,国外先进的钻井液信息遥测系统均采用基于旋转阀或剪切阀的钻井液压力信号发生器进行压力载波的相位调制以实现井下数据的传输,而转阀转速的快速随动与稳定控制是实现钻井液压力相移键控调制的关键。钻井液压力相移键控调制过程中,转阀转子的转速要快速跟随控制脉冲的变化,由于转阀转子的负载力矩具有严重的非线性特征,使转速控制方程为非线性方程,要实现旋转阀的转速控制需要对其进行线性化处理。采用负载力矩的计算模型前馈作用于转速控制系统进行线性化校正时,需对旋转阀负载力矩的计算模型进行较精确的描述。钻井液的流动作用于旋转阀转子产生的流体驱动转矩是旋转阀负载力矩的重要组成部分,目前主要采用CFD仿真得到其随旋转角的变化规律及影响因素,但有关转阀结构和钻井液参数如何影响流体驱动转矩的机理目前仍不明,从而对该仿真得到的流体驱动转矩的真实性存在一定疑问,唯有通过理论分析对流体驱动转矩的仿真实验结果进行相互验证,才能确定该转矩仿真实验规律的正确性。论文针对流体驱动转矩的产生机理及影响因素进行了较系统的理论分析与研究。论文根据转阀流场的CFD仿真分析及转阀结构,确定转子叶片端面的受力形式,通过动量定理及分叉管路的流体能量分析,建立转子叶片端面受力及产生的流体驱动转矩数学模型,研究了流体驱动转矩随转子转角的变化规律及转子厚度、转速、定转子之间间隙、钻井液流量、密度等参数对流体驱动转矩的影响。研究表明,通过理论计算得到的流体驱动转矩变化规律与CFD仿真结果基本吻合,转阀关阀过程中,在转子关度较小时钻井液对转子运动起阻碍或负载作用,随着关度的进一步增加,钻井液对转子的运动逐步起到驱动作用;转阀开阀过程中,在转子开度较小时钻井液对转子运动起阻碍作用,随着开度的进一步增加,钻井液对转子运动产生驱动和阻碍的交替变换,变化规律复杂。理论分析和数值计算表明,由于定、转子间隙的泄流压力会在转子端面引发涡流并对转子端面产生冲击力,该冲击力与主阀孔压力形成的合力产生流体驱动转矩,间隙厚度的减小将使间隙的出口压力大幅降低,进而引起更大的涡流冲击力并使流体驱动转矩增大;由于阀孔压力损失与钻井液流量的平方有关,因此流体驱动转矩受钻井液流量的影响最大;由于钻井液的流动处于紊流状态,流体驱动转矩几乎不受钻井液黏度变化的影响;由于转子厚度影响转子端面的受力面积,因此较厚的转子会使流体驱动转矩增大;由于流体惯性压力与转子转速有关,较高的转速将产生较大的流体驱动转矩。论文的研究从理论上解释了钻井液对转子产生流体驱动转矩的作用机理及钻井液参数和转阀结构参数对流体驱动转矩的影响,对于转阀的结构设计及转阀的转速控制具有仿真分析不可替代的理论指导作用。