CN103437829A - 用于涡轮钻具的涡轮组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于涡轮钻具的涡轮组件，包括涡轮转子和涡轮定子，所述涡轮转子包括环形的叶轮盘毂，叶轮盘毂一侧端面向外延伸形成导向套环，所述叶轮盘毂在导向套环外侧的端面形成定位台阶，所述转子动环和导向套环内侧圆周面设有键槽，所述转子动环外侧圆周面设有若干个转子叶片；所述涡轮定子包括内套环和外套环，所述内套环和外套环通过若干个定子叶片固定连接；所述导向套环套合在内套环内并通过定位台阶将涡轮转子和涡轮定子配合套叠。本发明设计的这种涡轮钻具的涡轮组件，不仅结构稳固、耐用，强度高，而且效率高，使用寿命长。

Description

用于涡轮钻具的涡轮组件

技术领域

本发明涉及一种石油钻具配件，具体是一种用于涡轮钻具的涡轮组件，属石油机械领域。

背景技术

 涡轮钻具在井下工作条件比较恶劣，钻井泥浆流直接高速冲击涡轮组合件的涡轮转子叶片，使其获得能量，从而带动与之相连的钻头旋转钻井，涡轮钻具主要包括有涡轮定子、涡轮转子、主轴、止推轴承、中部轴承、下部轴承以及外壳组成。钻井时钻杆不动，靠涡轮转子带动主轴转动，从而具有高钻速、高效率及钻时短等诸多优点，且减少了钻杆、套管等的磨损以及事故的发生。

现如今的涡轮钻具的涡轮在使用时受到较大的冲击力，其易出现断裂的现象，从而损坏叶片，不仅成本增加，拆卸麻烦，且不能充分利用高压泥浆流的势能。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种用于涡轮钻具的涡轮组件，用于解决以往的涡轮组件的液体势能利用不充分、叶片易断裂的问题。

本发明提供的技术方案是：用于涡轮钻具的涡轮组件，包括涡轮转子和涡轮定子，所述涡轮转子包括环形的叶轮盘毂，叶轮盘毂一侧端面向外延伸形成导向套环，所述叶轮盘毂在导向套环外侧的端面形成定位台阶，所述叶轮盘毂和导向套环内侧圆周面设有键槽，所述叶轮盘毂外侧圆周面设有若干个转子叶片；所述涡轮定子包括内套环和外套环，所述内套环和外套环通过若干个定子叶片固定连接；所述导向套环套合在内套环内并通过定位台阶将涡轮转子和涡轮定子配合套叠。涡轮定子的外套环固定在钻具的外壳上，涡轮转子通过键槽与钻具钻杆连接，工作时涡轮定子不动，涡轮转子带动钻具钻杆转动，液体通过并冲击涡轮转子和涡轮定子的转子叶片及定子叶片，转子叶片和定子叶片承受来自液体的冲击动力，将液体势能转换成机械能并传递涡轮的输出扭矩，通过转子和定子的交替冲击增大液体势能的利用率。

所述转子叶片和定子叶片结构相同且横截面呈月牙型，所述转子叶片和定子叶片的内侧圆弧面为工作面；所述转子叶片和定子叶片以相反方向并上、下重合排列。转子叶片和定子叶片结构相同且横截面呈月牙型使得液体能以一定角度击打在叶片上从而增大液体势能的利用率，增大转子的横向推力，而转子叶片和定子叶片以相反方向并上、下重合排列使得液体能被多次转向利用，有效的提高了液体势能转换，转子的转动效率提高。

所述工作面的弧度为80°-100°。定子叶片的弧度决定着液体从工作面反弹后输出的液体角度和冲击面积，液体角度和冲击面积决定着液体势能的转化率，当定子叶片的工作面的弧度为80°-100°时，液体输出的液体角度为40°-50°，此时定子叶片受力面积最大，液体击打在转子上转换的势能最大，效率最高。

所述转子叶片和定子叶片分别设有16-32个。定子叶片的作用即利用液体的冲击力将液体势能转化为机械能，定子叶片的多少不仅决定和影响势能的利用率以及输出扭矩，还决定了输出扭矩的分布情况，根据不同工况定子叶片的数量可任意取值，但是定子叶片的数量取在16-32个之间的某值时，液体势能的利用率最高，同时输出转矩最大也最均匀，不仅效率高，同时也减少了每个叶片受到的冲击力，涡轮定子能够稳定、持久的工作；而转子叶片的作用即将定子的输出扭矩转换成转子的机械推力，其数量过少则受力较大易损坏，而数量过多则易造成液体乱流现象，所以其数量取16-32个既能很好的避免以上问题的同时达到最大的转动效率。

所述转子叶片和定子叶片彼此呈圆周均匀且水平间距等距分布。转子叶片和定子叶片彼此呈圆周均匀且水平间距等距分布使得定子和转子受力均匀，其转换的机械能和输出扭矩也更加平衡，避免涡轮组件受力不均而出现震动或移位。

所述任意相邻两个转子叶片或任意相邻两个定子叶片之间的水平间距大于12毫米小于21毫米。任意相邻两个转子叶片或任意相邻两个定子叶片之间的水平间距过小则击打在叶片并反弹到下方的液体会打在叶片背面上，从而降低了势能，减少了输出转矩，效率降低；而水平间距过大则液体直接通过间隙，不会击打叶片，减少了势能和输出转矩，液体利用率低，效率降低。

根所述工作面的弧长为水平间距的1-1.2倍。工作面的弧长过短则液体势能只能打在工作面下部，其输出扭矩的角度偏大从而打击在下方叶片上的角度偏大，从而降低了势能转换，还有可能导致液体无法打击在下方叶片上，所以工作面的弧长为水平间距的1-1.2倍不仅能避免以上问题，还能最大的利用液体势能。

所述涡轮转子和涡轮定子均采用WC硬质合金或40Cr钢。WC硬质合金由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，WC硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性；而40Cr是机械制造业使用最广泛的钢之一，调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理，该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。涡轮转子和涡轮定子在液体冲击下不仅容易断裂，还可能被液体内的颗粒磨损，所以采用WC硬质合金或40Cr钢不仅能减少其的磨损量，还能延长其使用寿命，降低其成本。

本发明的优点在于：本发明设计的这种涡轮钻具的涡轮组件，不仅结构稳固、耐用，强度高，而且效率高，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的分解示意图。

图2为本发明局部剖视的装配图。

图3为本发明转子叶片的横截面图。

图4为本发明转子叶片的结构示意图。

图中的标号分别表示为：1、转子叶片；2、叶轮盘毂；3、定位台阶；4、涡轮转子；5、导向套环；6、键槽；7、外套环；8、定子叶片；9、内套环；10、涡轮定子；11、工作面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

参见图1、图2、图3和图4，用于涡轮钻具的涡轮组件，包括涡轮转子4和涡轮定子10，所述涡轮转子4包括环形的叶轮盘毂2，叶轮盘毂2一侧端面向外延伸形成导向套环5，所述叶轮盘毂2在导向套环5外侧的端面形成定位台阶3，所述叶轮盘毂2和导向套环5内侧圆周面设有键槽6，所述叶轮盘毂2外侧圆周面设有若干个转子叶片1；所述涡轮定子10包括内套环9和外套环7，所述内套环9和外套环7通过若干个定子叶片8固定连接；所述导向套环5套合在内套环9内并通过定位台阶3将涡轮转子4和涡轮定子10配合套叠。

所述转子叶片1和定子叶片8结构相同且横截面呈月牙型，所述转子叶片1和定子叶片8的内侧圆弧面为工作面11；所述转子叶片1和定子叶片8以相反方向并上、下重合排列。

所述工作面11的弧度为80°-100°。

所述转子叶片1和定子叶片8分别设有16-32个。

所述转子叶片1和定子叶片8彼此呈圆周均匀且水平间距等距分布。

所述任意相邻两个转子叶片1或任意相邻两个定子叶片8之间的水平间距大于12毫米小于21毫米。

所述工作面11的弧长为水平间距的1-1.2倍。

所述涡轮转子4和涡轮定子10均采用WC硬质合金或40Cr钢。

在使用时，涡轮定子10固定在钻具的外壳上，涡轮转子4的导向套环5套合在涡轮定子10上，二者通过定位台阶3配合定位，其内的键槽6与钻具的钻杆的键结构配合，转子叶片1排向与定子叶片8排向相反，当液体通过定子叶片8转换后以40-50度的角度击打在转子叶片1的工作面11上，转子叶片1在液体击打下将液体势能转换成机械能并转动，同时通过键连接带动钻杆转动，从而完成钻井。

钻具采用至少两组涡轮组件顺次排列，液体通过并冲击涡轮转子和涡轮定子的转子叶片及定子叶片，转子叶片和定子叶片承受来自液体的冲击动力，将液体势能转换成机械能并传递涡轮的输出扭矩，通过转子和定子的交替冲击增大液体势能的利用率。

本发明对转子叶片1和定子叶片8的结构、安装角度和水平间距做了改进，使得转子叶片1和定子叶片8对液体势能的利用率提高，转子转动效率提高，且转子叶片1和定子叶片8结构稳定、耐冲击和耐磨，也大大提高了其使用寿命。

如上所述即可很好的实现本发明。

Claims (8)

1.用于涡轮钻具的涡轮组件，包括涡轮转子（4）和涡轮定子（10），其特征在于：所述涡轮转子（4）包括环形的叶轮盘毂（2），叶轮盘毂（2）一侧端面向外延伸形成导向套环（5），所述叶轮盘毂（2）在导向套环（5）外侧的端面形成定位台阶（3），所述叶轮盘毂（2）和导向套环（5）内侧圆周面设有键槽（6），所述叶轮盘毂（2）外侧圆周面设有若干个转子叶片（1）；所述涡轮定子（10）包括内套环（9）和外套环（7），所述内套环（9）和外套环（7）通过若干个定子叶片（8）固定连接；所述导向套环（5）套合在内套环（9）内并通过定位台阶（3）将涡轮转子（4）和涡轮定子（10）配合套叠。

2.根据权利要求1所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述转子叶片（1）和定子叶片（8）结构相同且横截面呈月牙型，所述转子叶片（1）和定子叶片（8）的内侧圆弧面为工作面（11）；所述转子叶片（1）和定子叶片（8）以相反方向并上、下重合排列。

3.根据权利要求2所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述工作面（11）的弧度为80°-100°。

4.根据权利要求1或2所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述转子叶片（1）和定子叶片（8）分别设有16-32个。

5.根据权利要求1或2所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述转子叶片（1）和定子叶片（8）彼此呈圆周均匀且水平间距等距分布。

6.根据权利要求5所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述任意相邻两个转子叶片（1）或任意相邻两个定子叶片（8）之间的水平间距大于12毫米小于21毫米。

7.根据权利要求5或6所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述工作面（11）的弧长为水平间距的1-1.2倍。

8.根据权利要求1所述的用于涡轮钻具的涡轮组件，其特征在于：所述涡轮转子（4）和涡轮定子（10）均采用WC硬质合金或40Cr钢。

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