CN103711631B - 线投影叶片涡轮定转子组合件及涡轮马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线投影叶片涡轮定转子组合件及涡轮马达，包括同轴套装的定子和转子，所述定子包括定子本体、定子叶片和定子叶冠，转子包括转子本体、转子叶片和转子叶冠，定子叶冠内壁与转子本体外壁同轴套装，定子叶片外轮廓线上各点与其对应等值子午面的相交线为第一相贯线，该第一相贯线与贯穿于定子叶冠内的第一投影直线垂直相交；转子叶片外轮廓线上各点与其对应等值子午面的相交线为第二相贯线，该第二相贯线与贯穿于转子本体内的第二投影直线垂直相交。本发明涡轮定转子组合件水力效率高，本发明涡轮马达结构简单、扭矩大，适用各类尺寸井眼钻进。

Description

线投影叶片涡轮定转子组合件及涡轮马达

技术领域

本发明涉及石油、天然气、煤层气、页岩气开采等领域的旋转钻井或地质、铁路、电力、通讯等领域的井眼或孔眼钻进用井下动力钻具，尤其是一种大扭矩涡轮钻具的定转子组合件及涡轮马达，属于机械制造技术领域。

背景技术

涡轮钻井技术具有良好的经济与社会效益，是石油工业前沿技术之一。涡轮钻井可减少消耗，降低成本。涡轮钻具是工业应用最早的一种井下动力钻具，由涡轮马达、万向轴和传动轴三部分构成，其作用是将工作流体的流体压力能量转变为输出轴的旋转机械能量，驱动钻头转动以破碎井底地层岩石。涡轮马达是涡轮钻具的动力部分，涡轮定子和转子的设计是涡轮马达设计的关键。

从历史上看，涡轮钻具从被发明发展至今一直作为石油矿场常用井下动力钻具之一，但其发展缓慢，未能得到很好应用，其重要原因是：现有涡轮钻具转速高、扭矩小、型号单一、工作寿命短，与现有钻井装备与工具发展水平不相适应。

有鉴于上述现有涡轮钻具存在的缺点，本设计人基于长期从事相关科研与实践，对现有涡轮技术积极加以改进和创新，以期实现一种大扭矩、高效率的涡轮定转子组合件及涡轮马达。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种大扭矩、高效率、适于各类尺寸井眼钻进的线投影叶片涡轮定转子组合件。

本发明的另一个目的是提供一种大扭矩、高效率、适于各类尺寸井眼钻进的涡轮马达。

为达到上述目的，本发明提出一种线投影叶片涡轮定转子组合件，包括同轴套装的定子和转子：所述定子与所述转子的中心轴线共线；所述定子包括圆筒状定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，若干个所述定子叶片沿周向设置于所述定子本体与所述定子叶冠之间；所述转子包括圆筒状转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，若干个所述转子叶片沿周向设置于所述转子本体与所述转子叶冠之间；所述定子叶冠内壁与所述转子本体外壁同轴套装；所述定子叶片外轮廓线上各点与其对应的等值子午面的相交线为第一相贯线，该第一相贯线与贯穿于所述定子叶冠内的第一投影直线垂直相交；所述转子叶片外轮廓线上各点与其对应的等值子午面的相交线为第二相贯线，该第二相贯线与贯穿于所述转子本体内的第二投影直线垂直相交。

如上所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其中，所述第一投影直线为所述定子的中心轴线，所述第二投影直线为所述转子的中心轴线。

如上所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其中，各所述定子叶片沿所述定子轴向等高度设置并沿所述定子周向等间隔设置；各所述转子叶片沿所述转子轴向等高度设置并沿所述转子周向等间隔设置。

如上所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其中，所述定子叶片的安装角与所述转子叶片的安装角方向相反；所述定子叶片安装角沿所述定子径向由内至外逐渐减小，所述转子叶片安装角沿所述转子径向由内至外也逐渐减小；所述定子叶片安装角和所述转子叶片安装角的余切值与对应的等径圆柱面的半径成正比。

如上所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其中，所述定子叶片的厚度沿所述定子径向由内向外逐渐增大，且与对应的等径圆柱面的半径成正比；所述转子叶片的厚度沿所述转子径向由内向外也逐渐增大，且与对应的等径圆柱面的半径成正比。

如上所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其中，所述定子叶片沿等径圆柱面的展开轮廓线包括定子叶片前缘、定子叶片后缘、定子叶片压力面和定子叶片吸力面，所述定子叶片前缘、定子叶片后缘、定子叶片压力面和定子叶片吸力面与等值子午面的相贯线为直线，且所述定子叶片的相贯线与所述定子中心轴线垂直相交；所述转子叶片沿等径圆柱面的展开轮廓线包括转子叶片前缘、转子叶片后缘、转子叶片压力面和转子叶片吸力面，所述转子叶片前缘、转子叶片后缘、转子叶片压力面和转子叶片吸力面与等值子午面的相贯线为直线，且所述转子叶片的相贯线与所述转子的中心轴线垂直相交。

如上所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其中，所述第一投影直线与所述定子的中心轴线互为平行直线，且所述第一投影直线与所述定子的中心轴线间距小于或等于50mm；所述第二投影直线与所述转子的中心轴线互为平行直线，且所述第二投影直线与所述转子的中心轴线间距小于或等于50mm。

本发明还提供了一种涡轮马达，包括涡轮马达主轴和马达壳体，在所述涡轮马达主轴上套接有如上所述的涡轮定转子组合件。

如上所述的涡轮马达，其中，所述涡轮定转子组合件沿所述涡轮马达主轴的轴向叠置有50～300级，形成具有50～300级涡轮定转子的大扭矩涡轮马达。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1、本发明涡轮定转子组合件水力效率高。

2、本发明涡轮马达结构简单、扭矩大，适用各类尺寸井眼钻进。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明线投影叶片涡轮定转子组合件的剖面结构示意图；

图2为本发明线投影叶片涡轮定转子组合件的局部剖切结构示意图；

图3为本发明的定子剖面结构示意图；

图4为本发明的定子立体结构示意图；

图5为本发明的定子叶片沿叶顶等径圆柱面(S=1)展开示意图；

图6为本发明的定子沿等值子午面(I=0.5)剖切示意图；

图7为本发明的转子剖面结构示意图；

图8为本发明的转子立体结构示意图；

图9为本发明的转子叶片沿叶顶等径圆柱面(S=1)展开示意图；

图10为本发明的转子沿等值子午面(I=0.5)剖切示意图；

图11为本发明涡轮马达剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-定子；11-定子本体；12-定子叶片；121-定子叶顶；122-定子叶底；123-定子叶片前缘；124-定子叶片后缘；125-定子叶片压力面；126-定子叶片吸力面；13-定子叶冠；

2-转子；21-转子本体；22-转子叶片；221-转子叶顶；222-转子叶底；223-转子叶片前缘；224-转子叶片后缘；225-转子叶片压力面；226-转子叶片吸力面；23-转子叶冠；24-凸台；

3-等径圆柱面；4-等值子午面；41-第一相贯线；42-第二相贯线；51-第一投影直线；52-第二投影直线；6-涡轮马达主轴；7-马达壳体。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1至图11，图1为本发明线投影叶片涡轮定转子组合件的剖面结构示意图；图2为本发明线投影叶片涡轮定转子组合件的局部剖切结构示意图；图3为本发明的定子剖面结构示意图；图4为本发明的定子立体结构示意图；图5为本发明的定子叶片沿叶顶等径圆柱面(S=1)展开示意图；图6为本发明的定子沿等值子午面(I=0.5)剖切示意图；图7为本发明的转子剖面结构示意图；图8为本发明的转子立体结构示意图；图9为本发明的转子叶片沿叶顶等径圆柱面(S=1)展开示意图；图10为本发明的转子沿等值子午面(I=0.5)剖切示意图；图11为本发明涡轮马达剖面结构示意图。

如图1至图10所示，本发明提出了一种线投影叶片涡轮定转子组合件，包括同轴套装的定子1和转子2，定子1与转子2的中心轴线OO’共线，定子1包括圆筒状的定子本体11、若干个定子叶片12和圆环状定子叶冠13，若干个定子叶片12沿周向设置于定子本体11与定子叶冠13之间（如图4所示）。若干个定子叶片12沿定子本体11的内圆周表面均匀布设，定子叶冠13的外壁与定子叶片12的叶底122相连接。转子2包括圆筒状的转子本体21、若干个转子叶片22和圆环状转子叶冠23，若干个转子叶片22沿周向设置于转子本体21与转子叶冠23之间。如图8所示，在转子本体21一端外周设有径向凸出的凸台24，若干个转子叶片22沿凸台24的外圆周面均匀布设，转子叶冠23套接于转子叶片22的叶顶221，使得转子本体21、转子叶片22、转子叶冠23形成一体结构的转子2，可使涡轮马达主轴贯穿转子本体21并与转子2同步旋转。定子叶冠13内壁与转子本体21外壁同轴套装，使得定子1与转子2配合安装。

在本发明中，定子叶片12及转子叶片22的叶型均为线投影形成。定子叶片12邻接定子本体11的一侧为定子叶顶121，而其邻接定子叶冠13的一侧为定子叶底122。在定子叶顶121与定子叶底122之间具有任意多个与定子本体11和定子叶冠13共中心轴线的圆柱面，每个圆柱面称之为等径圆柱面3。定子叶顶121与定子叶底122之间的任一等径圆柱面3与定子叶顶121及定子叶底122的相对位置用S值表示，0≤S≤1.0：当等径圆柱面3与定子叶底122所在圆柱面重合时S=0，当等径圆柱面3与定子叶顶121所在圆柱面重合时S=1.0。相应的，转子叶片22邻接转子本体21的一侧为转子叶底222，而其邻接转子叶冠23的一侧为转子叶顶221，在转子叶顶221与转子叶底222之间具有任意多个与转子本体21和转子叶冠23共中心轴线的圆柱面，每个圆柱面也称之为等径圆柱面3。转子叶顶221与转子叶底222之间的任一等径圆柱面3与转子叶顶221及转子叶底222的相对位置用S值表示，0≤S≤1.0：当等径圆柱面3与转子叶底222所在圆柱面重合时S=0，当等径圆柱面3与转子叶顶221所在圆柱面重合时S=1.0。由于定子1与转子2上下共中心轴线套装叠合设置，因此在等S值的定子1上的等径圆柱面与转子2上的等径圆柱面为同一等径圆柱面。

在本发明中，与定子1和转子2的中心轴线垂直相交的平面称之为子午面。如图5所示，在定子叶片12的上端(入口)和下端(出口)之间的子午面与上端及下端的相对位置用I值表示，0≤I≤1.0。其中，等I值的子午面称为等值子午面4：当等值子午面4与定子叶片12的上端相切时I=0，当等值子午面4与定子叶片12的下端相切时I=1。相应的，如图9所示，在转子叶片22的上端(入口)和下端(出口)之间的子午面与上端及下端的相对位置用I值表示，0≤I≤1.0。其中，等I值的子午面也称为等值子午面4：当等值子午面4与转子叶片22的上端相切时I=0，当等值子午面4与定子叶片12的下端相切时I=1。

在本发明中，如图6所示，定子叶片12的外轮廓线上各点与其对应的等值子午面4的相交线为第一相贯线41，该第一相贯线41与贯穿于定子叶冠13内的第一投影直线51垂直相交；且转子叶片22的外轮廓线上各点与其对应的等值子午面4的相交线为第二相贯线42，该第二相贯线42与贯穿于转子本体21内的第二投影直线52垂直相交。在本发明中，第一投影直线51与第二投影直线52既可以是相重合的直线，也可以是不相重合的直线，只要保证第一投影直线51贯穿于定子叶冠13内，第二投影直线贯穿于转子本体21内即可。经实验证明，本发明线投影叶片涡轮定转子组合件扭矩大、水力效率高、适于各类尺寸井眼钻进。

在本实施例中，优选的，第一投影直线51为定子1的中心轴线，第二投影直线52为转子2的中心轴线。

进一步的，各定子叶片12沿定子1的轴向等高度设置并沿定子1的周向等间隔设置；各转子叶片22沿转子2轴向等高度设置并沿转子2的周向等间隔设置。

进一步的，如图5、图9所示，转子叶片22与定子叶片12相对于转子2和定子1的中心轴线倾斜设置，且转子叶片22与定子叶片12的倾斜方向相反。定子叶片12的安装角β_l1与转子叶片22的安装角β_l2方向相反，符合右手螺旋法则：定子叶片12右旋，转子叶片22左旋，定子叶片12安装角β_l1沿定子1径向由内至外逐渐减小，转子叶片22安装角β_l2沿转子2径向由内至外也逐渐减小，定子叶片安装角β_l1的余切值、转子叶片安装角β_l2的余切值与对应的等径圆柱面的半径成正比。

进一步的，如图5、图9所示，定子叶片12的厚度沿定子1径向由内向外逐渐增大，且与对应的等径圆柱面3的半径成正比；所述转子叶片的厚度沿所述转子径向由内向外也逐渐增大，且也与对应的等径圆柱面3的半径成正比。

在本发明中，如图5、图9所示，定子叶片12沿等径圆柱面3的展开轮廓线包括定子叶片前缘123、定子叶片后缘124、定子叶片压力面125和定子叶片吸力面126；定子叶片前缘123、定子叶片后缘124、定子叶片压力面125和定子叶片吸力面126与等值子午面4的相贯线为直线，且定子叶片12的相贯线与所述定子中心轴线垂直相交。转子叶片22沿等径圆柱面3的展开轮廓线包括转子叶片前缘223、转子叶片后缘224、转子叶片压力面225和转子叶片吸力面226；转子叶片前缘223、转子叶片后缘224、转子叶片压力面225和转子叶片吸力面226与等值子午面4的相贯线也为直线，且转子叶片22的相贯线与转子2的中心轴线也垂直相交。

进一步的，第一投影直线51与定子1的中心轴线互为平行直线，且第一投影直线51与定子1的中心轴线间距小于或等于50mm；第二投影直线52与转子2的中心轴线互为平行直线，且第二投影直线52与转子2的中心轴线间距小于或等于50mm。

进一步的，如图1、图3、图7所示，定子1及转子2的轴向高度为L_s=L_r=20～60mm，定子1外径为D_se=50～300mm，转子2内径为D_ri=20～200mm。

进一步的，如图1、图3、图7所示，定子叶冠13轴向高度L₁=7～20mm，转子叶冠23的轴向高度L₂=7～20mm；定子叶片12的轴向高度H₁=7～20mm，转子叶片22的轴向高度H₂=7～20mm。

进一步的，如图1、图2、图3、图7所示，转子叶冠23的内圆周直径为Dr1，定子本体11的内圆周直径为Ds1，即该定转子组合的流道外径D₁=D_r1=D_s1=40～280mm；转子本体21的凸台24的外圆周直径为D_r2，定子叶冠13的外圆周直径为D_s2，即该定转子组合体的流道内径D₂=D_r2=D_s2=30～220mm；流道外径D₁与流道内径D₂的算术平均值为平均流道直径D，D=(D₁+D₂)/2=35～250mm；流道外径D₁与流道内径D₂之差的一半为流道宽度h=h_r=h_s，h=(D₁-D₂)/2=5～125mm。(注：根据需要，D_r1与Ds_1、D_r2与D_s2也可取不同值。)

进一步的，如图4和图8所示，定子叶片12的叶片个数n1与转子叶片22的叶片个数n₂分别为n₁=10～60个，n₂=10～60个，从而满足不同工况需求。

进一步的，如图5和图9所示，相邻2个定子叶片12之间的节距为t₁，t₁=5.0～15.0mm；相邻2个转子叶片22之间的节距为t₂，t₂=5.0～15.0mm。定子叶片12的进口角为α_2k，α_2k=30°～150°；转子叶片22的进口角为β_1k，β_1k=30°～150°。定子叶片12的出口角为α_1k，α_1k=5°～85°；转子叶片22的出口角为β_2k，β_2k=5°～85°。定子叶片12的前缘半径为r₂₁，r₂₁=0.1～3.0mm；后缘半径为r₂₂，r₂₂=0.1～3.0mm。转子叶片22的前缘半径为r₁₁，r₁₁=0.1～3.0mm；后缘半径为r₁₂，r₁₂=0.1～3.0mm。定子叶片12的前缘锥角为转子叶片22的前缘锥角为 定子叶片12的后缘锥角为转子叶片22的后缘锥角为定子叶片12的安装角为β_l1，β_l1=20°～90°；转子叶片22的安装角为β_l2，β_l2=20°～90°。

进一步的，如图6和图10所示，定子叶片12或转子叶片22与I值为0.5的等值子午面4相交，定子叶片压力面125和吸力面126或转子叶片压力面225和吸力面226与对应的等值子午面4的两条相贯直线41、42均指向半径方向，定子叶片12的周向厚度与转子叶片22的周向厚度沿径向(由内向外)逐渐增大，与等径圆柱面3的半径成正比。

值得指出的是，前述涡轮定子叶片12和转子叶片22的进口角、出口角、前缘半径、后缘半径、前缘锥角、后缘锥角、叶片安装角的定义为本领域的公知技术，在此不再进行说明。

综上所述，本发明通过上述的结构设计，具有结构简单、压降低、扭矩大、水力效率高的优点。

如图11所示，本发明还提出了一种涡轮马达，包括涡轮马达主轴6和马达壳体7，在涡轮马达主轴6上套接有如上所述的涡轮定转子组合件。本发明涡轮马达结构简单、扭矩大，适用各类尺寸井眼钻进。

进一步的，涡轮定转子组合件沿涡轮马达主轴6的轴向叠置有50～300级，形成具有50～300级涡轮定转子的大扭矩涡轮马达，本发明涡轮马达适用于直径Φ60～Φ600mm井眼或孔眼钻进用涡轮钻具及底部钻具组合。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (9)

1.一种线投影叶片涡轮定转子组合件，包括同轴套装的定子和转子：所述定子与所述转子的中心轴线共线；所述定子包括圆筒状定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，若干个所述定子叶片沿周向设置于所述定子本体与所述定子叶冠之间；所述转子包括圆筒状转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，若干个所述转子叶片沿周向设置于所述转子本体与所述转子叶冠之间；所述定子叶冠内壁与所述转子本体外壁同轴套装，其特征在于：所述定子叶片外轮廓线上各点与其对应等值子午面的相交线为第一相贯线，该第一相贯线与贯穿于所述定子叶冠内的第一投影直线垂直相交；所述转子叶片外轮廓线上各点与其对应等值子午面的相交线为第二相贯线，该第二相贯线与贯穿于所述转子本体内的第二投影直线垂直相交。

2.如权利要求1所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其特征在于：所述第一投影直线为所述定子的中心轴线，所述第二投影直线为所述转子的中心轴线。

3.如权利要求1或2所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其特征在于：各所述定子叶片沿所述定子轴向等高度设置并沿所述定子周向等间隔设置；各所述转子叶片沿所述转子轴向等高度设置并沿所述转子周向等间隔设置。

4.如权利要求1或2所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其特征在于：所述定子叶片的安装角与所述转子叶片的安装角方向相反；所述定子叶片安装角沿所述定子径向由内至外逐渐减小，所述转子叶片安装角沿所述转子径向由内至外也逐渐减小；所述定子叶片安装角和所述转子叶片安装角的余切值与对应的等径圆柱面的半径成正比。

5.如权利要求1或2所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其特征在于：所述定子叶片的厚度沿所述定子径向由内向外逐渐增大，且与对应的等径圆柱面的半径成正比；所述转子叶片的厚度沿所述转子径向由内向外也逐渐增大，且与对应的等径圆柱面的半径成正比。

6.如权利要求1或2所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其特征在于：所述定子叶片沿等径圆柱面的展开轮廓线包括定子叶片前缘、定子叶片后缘、定子叶片压力面和定子叶片吸力面，所述定子叶片前缘、定子叶片后缘、定子叶片压力面和定子叶片吸力面与等值子午面的相贯线为直线，且所述定子叶片的相贯线与所述定子中心轴线垂直相交；所述转子叶片沿等径圆柱面的展开轮廓线包括转子叶片前缘、转子叶片后缘、转子叶片压力面和转子叶片吸力面，所述转子叶片前缘、转子叶片后缘、转子叶片压力面和转子叶片吸力面与等值子午面的相贯线为直线，且所述转子叶片的相贯线也与所述转子的中心轴线垂直相交。

7.如权利要求1所述的线投影叶片涡轮定转子组合件，其特征在于：所述第一投影直线与所述定子的中心轴线互为平行直线，且所述第一投影直线与所述定子中心轴线间距小于或等于50mm；所述第二投影直线与所述转子的中心轴线互为平行直线，且所述第二投影直线与所述转子中心轴线间距小于或等于50mm。

8.一种涡轮马达，包括涡轮马达主轴和马达壳体，其特征在于：在所述涡轮马达主轴上套接有如权利要求1至7中任一项所述的涡轮定转子组合件。

9.如权利要求8所述的涡轮马达，其特征在于：所述涡轮定转子组合件沿所述涡轮马达主轴的轴向叠置有50～300级，形成具有50～300级涡轮定转子的大扭矩涡轮马达。