CN109723375B - 一种液力悬挂涡轮节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于石油、天然气钻井用的涡轮钻具的液力悬挂涡轮节，属石油天然气钻井工具技术领域。它由壳体、上接头、下接头、涡轮轴、静盘和动盘构成；壳体活动安装有涡轮轴；涡轮轴的一端装有花键接头，另一端装有花键套；花键接头与上扶正轴承之间的涡轮轴上固装有动盘，与动盘对应的壳体内壁上设置有静盘。该涡轮节工作时，可使动盘受到向上的静水压力，从而使涡轮轴受到沿轴线向上的作用力，该作用力方向与涡轮轴受到的水力载荷方向相反，由此可有效降低推力轴承组所受的轴向载荷，改善推力轴承组的工作状况，降低推力轴承组磨损程度，减小推力轴承组发生破裂失效的机率，进而提高涡轮节的工作寿命。

Description

一种液力悬挂涡轮节

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、天然气钻井用的涡轮钻具的液力悬挂涡轮节，属石油天然气钻井工具技术领域。

背景技术

涡轮钻具是石油、天然气钻井作业中常用的井下动力钻具。现有涡轮钻具通常由涡轮节和支承节组成，涡轮节上端与钻杆柱相联，涡轮节下端与支承节相联，支承节下端与钻头相联，根据实际钻井工艺的不同，可采用1～3根涡轮节配1根支承节的组合方案。涡轮节主要由若干成对的涡轮定子、涡轮转子以及涡轮轴、推力轴承组等组成，其作用是将钻井液的液体压能转换为涡轮轴转动的机械能；支承节主要由推力轴承组以及传动轴等组成，其作用是承受钻头上钻压的反作用力。在涡轮钻具正常工作时，涡轮节上端液体压强大于涡轮节下端液体压强，由此使涡轮轴受到向下的作用力即水力载荷，该水力载荷由涡轮节内部的推力轴承组承担。由于涡轮节内部的推力轴承组处于钻井液介质中，而钻井液含有细小岩石碎屑，具有研磨性，另外涡轮轴转速较高，在水力载荷的作用下，推力轴承组磨损较为严重，引起涡轮轴向下位移，从而致使涡轮转子与涡轮定子发生碰撞磨损，降低了涡轮节的机械性能和工作寿命，因此改进涡轮节的结构，降低涡轮节内部轴承组所承受的轴向载荷是提高涡轮节工作寿命的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有涡轮钻具的涡轮节内部推力轴承组所受水力载荷较大，推力轴承组磨损较为严重的不足，提供一种利用液体压差，可有效降低推力轴承组所受的水力载荷，从而减小推力轴承组的磨损程度，进而提高涡轮节工作寿命的液力悬挂涡轮节。

本发明的技术方案是：

一种液力悬挂涡轮节，它由壳体、上接头、下接头、涡轮轴、静盘和动盘构成；其特征在于：壳体的一端螺纹安装有上接头；壳体的另一端螺纹安装有下接头；壳体内通过间隔设置的上扶正轴承、下扶正轴承和推力轴承组活动安装有涡轮轴；涡轮轴的一端螺纹安装有花键接头，涡轮轴的另一端螺纹安装有花键套；花键接头与上扶正轴承之间的涡轮轴上固装有动盘，与动盘对应的壳体内壁上设置有静盘；上扶正轴承与下扶正轴承之间的涡轮轴上装有涡轮组件。

所述的涡轮组件包括涡轮转子和涡轮定子，涡轮转子与涡轮轴配合连接，涡轮定子与壳体内壁固定连接。

所述的动盘为管状，动盘内圆周与涡轮轴相配合，动盘外圆周上设置有外凸台，外凸台上方的动盘圆周上均布有多个径向孔，与径向孔对应的动盘圆周内壁上设置有环形槽,径向孔与环形槽相通。

所述的静盘为管状，静盘外圆周与壳体内圆周相配合，静盘内壁圆周上设置有内凸台。

所述的静盘圆周外壁与内壁之间轴向开有多个扇形通孔，以构成钻井液循环通道。

所述的外凸台与内凸台呈错位状设置，外凸台与静盘圆周内壁之间和内凸台与动盘圆周外壁之间之间设置有间隙。

所述涡轮轴为中段带有凸起台阶的柱形变径体，涡轮轴的中心部位设置有中心孔；与环形槽对应的涡轮轴上设置有径向连通孔，径向连通孔一端与环形槽连通；径向连通孔另一端与中心孔连通。

所述的推力轴承上方的涡轮轴上设置有上径向斜孔，上径向斜孔与中心孔连通；推力轴承下方的花键套上设置有下径向斜孔，下径向斜孔与花键套的中心孔连通。

所述的上径向斜孔下方的涡轮轴上设置分割套，分割套与涡轮轴滑动密封连接。

所述的上扶正轴承与动盘和静盘之间的涡轮轴上设置外套圈和内套圈，以对上扶正轴承与动盘和静盘进行轴向限位。

本发明的有益效果在于：

该涡轮节工作时，涡轮定子、转子组件上部的液体压强大于涡轮定子、转子组件下部的液体压强，由于动盘、静盘之间的密封腔室通过低压流体通道与涡轮定子、转子组件下部的低压区相通，使得动盘、静盘之间密封腔室内部的液体压强小于涡轮定子、转子组件上部的液体压强，因此动盘外凸台下端面的液体压强大于动盘外凸台上端面的液体压强，使动盘受到向上的静水压力，从而使涡轮轴受到沿轴线向上的作用力，该作用力方向与涡轮轴受到的水力载荷方向相反，由此可有效降低推力轴承组所受的轴向载荷，改善推力轴承组的工作状况，降低推力轴承组磨损程度，减小推力轴承组发生破裂失效的机率，进而提高涡轮节的工作寿命。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖视图；

图2是图1中的A-A向截面示意图；

图3是本发明静盘的结构示意图；

图4是本发明静盘的剖视结构示意图；

图5是本发明动盘的结构示意图；

图6是本发明动盘的剖视结构示意图；

图7是本发明的液体流动方向示意图。

图中：1.花键接头，2.上接头，3.静盘，4.动盘，5.涡轮轴，6.内套圈，7.外套圈，8.上扶正轴承，9.涡轮定子，10.涡轮转子，11.下扶下轴承，12. 壳体，13.分隔套，14.推力轴承，15.下接头，16.花键套，17. 外凸台，18. 径向孔，19. 环形槽，20. 内凸台，21. 扇形通孔，22. 密封腔室，23. 中心孔，24. 径向连通孔，25. 上径向斜孔，26. 下径向斜孔。

具体实施方式

该液力悬挂涡轮节由壳体12、上接头2、下接头15、涡轮轴5、静盘3和动盘4构成；壳体12的一端螺纹安装有上接头2；壳体12的另一端螺纹安装有下接头15；上接头2和下接头15之间的壳体12内通过间隔设置的上扶正轴承8、下扶正轴承11和推力轴承14（推力轴承组）活动安装有涡轮轴5。涡轮轴5的一端螺纹安装有花键接头1，涡轮轴5的另一端螺纹安装有花键套16；花键接头1与上扶正轴承8之间的涡轮轴5上固装有动盘4，动盘4为管状，动盘4通过圆周内壁与涡轮轴5相配合，从而实现在涡轮轴5上的固定安装；动盘4的圆周外壁上设置有外凸台17，外凸台17上方的动盘4圆周上均布有多个径向孔18，与径向孔18对应的动盘4圆周内壁上设置有环形槽19,径向孔18与环形槽19相通。

与动盘4对应的壳体12内壁上设置有静盘3；静盘3为管状，静盘通过外圆周与壳体12内圆周相配合，从而实现在壳体12上的固定安装；静盘3圆周内壁上设置有内凸台20。静盘3的圆周外壁与内壁之间轴向开有多个扇形通孔21，以构成钻井液循环通道。

该液力悬挂涡轮节的动盘4与静盘3成对组设置，动盘4的外凸台17与静盘3的内凸台20呈错位状设置，外凸台17与静盘3圆周内壁之间和内凸台20与动盘4圆周外壁之间之间设置有微小的间隙。动盘4与静盘3组合形成两个相对的滑动密封面，即，动盘4的外凸台17的外圆周与静盘3的内圆周之间形成滑动密封面，静盘3的内凸台20的内圆周与动盘4的外圆周之间形成滑动密封面。外凸台17的上端面与内凸台20的下端面之间从而形成相对的密封腔室22，密封腔室22与径向孔18相通。

上扶正轴承8与下扶正轴承11之间的涡轮轴5上装有涡轮组件。涡轮组件包括涡轮转子10和涡轮定子9，涡轮转子10与涡轮轴5配合连接，涡轮定子9与壳体12内壁固定连接。

该液力悬挂涡轮节的涡轮轴5为中段带有凸起台阶的柱形变径体，涡轮轴5的中心部位设置有中心孔23；与环形槽19对应的涡轮轴5上设置有径向连通孔24，径向连通孔24一端与环形槽19连通；径向连通孔24另一端与中心孔23连通。

推力轴承14上方的涡轮轴5上设置有上径向斜孔25，上径向斜孔25与中心孔23连通；上径向斜孔25下方的涡轮轴5上设置分割套13，分割套13与涡轮轴5滑动密封连接。推力轴承14下方的花键套16上设置有下径向斜孔26，下径向斜孔26与花键套16的中心孔连通。上扶正轴承8与动盘4和静盘3之间的涡轮轴5上设置外套圈7和内套圈6，以对上扶正轴承8、动盘4和静盘3进行轴向限位。

该液力悬挂涡轮节由上接头2和花键套16对壳体12的各部件进行紧固定位。即，装配时，在涡轮轴5凸起台阶的上段依次装入下扶正轴承11、涡轮转子10、涡轮定子9、上扶正轴承8、内套圈6、外套圈7、动盘4、静盘3等零件；下扶正轴承11的内圈、涡轮转子10、上扶正轴承8的内圈、内套圈6、动盘4等零件的内圆周与涡轮轴5台阶上段的外圆周相配合。涡轮轴5上端外螺纹与花键接头1下端内螺纹相配，由花键接头1下端的螺纹联接对下扶正轴承11的内圈、涡轮转子10、上扶正轴承8的内圈、内套圈6、动盘4进行紧固定位。

然后在涡轮轴5凸起台阶段装入分隔套13，涡轮轴5凸起台阶下段装入推力轴承14，推力轴承14的内圈内圆周与涡轮轴5台阶下段的外圆周相配合；涡轮轴5下端外螺纹与花键套16上端内螺纹相配，由花键套16上端的螺纹联接对推力轴承14内圈进行紧固定位，从而将涡轮轴5及涡轮轴5上所有零件置入壳体12中，其中，静盘3、外套圈7、上扶正轴承8外圈、涡轮定子9、下扶正轴承11外圈、分隔套13、推力轴承14外圈等零件的外圆周与壳体12的内圆周相配合。壳体12内圆周的上、下两端均有内螺纹，壳体12上端内螺纹与上接头2的下端外螺纹相配合，壳体12下端内螺纹与下接头15的上端外螺纹相配合，通过上接头2下端和下接头15上端的螺纹联接，对壳体12中与壳体12内圆周相配合的所有零件进行紧固定位（参见附图1—6）。

该液力悬挂涡轮节可根据涡轮节水力载荷的不同，可设置一组、两组或多组动盘4与静盘3组合；工作时，由上接头2上端的锥形螺纹与钻杆柱相联，下接头15的下端锥形螺纹与支承节或下一根涡轮节相联，花键套与支承节或下一根涡轮节上的花键接头相联。工作过程中，高压钻井液由上接头2进入该液力悬挂涡轮节；这一过程中，由于涡轮组件上端的高压钻井液液体压强大于涡轮组件下端的液体压强，从而高压钻井液在形成涡轮组件上端形成高压区，在涡轮组件下端形成低压区；由此使高压钻井液在涡轮定子、转子组件上端分成流量不同的两路：即，大部分高压液体经过静盘3扇形通孔21继续下行并冲击涡轮组件的叶栅，将液体压能转换成转子转动的机械能，由此通过涡轮转子10带动涡轮轴5转动。小部分高压液体经外凸台17与静盘3圆周内壁之间和内凸台20与动盘4圆周外壁之间之间设置的间隙进入至密封腔室22。其中，由于间隙的节流降压作用，高压液体在密封腔室22内形成低压区，同时由于密封腔室22与径向孔18、环形槽19、径向连通孔24和中心孔23相互连通构成了低压流体通道，进入至密封腔室22（低压区）的钻井液经径向孔18、环形槽19、径向连通孔24进入至涡轮轴5的中心孔23内，最终经上径向斜孔25与涡轮组件下端低压区的钻井液汇合。即，完成冲击涡轮组件的钻井液经上径向斜孔25进入至中心孔23内，与封腔室22（低压区）经径向孔18、环形槽19、径向连通孔24进入至涡轮轴5的中心孔23的钻井液汇合（参见附图7；其中实心箭头所指为高压液体流动方向，空心箭头所指为低压液体流动方向）。

这一过程中；由于低压流体通道使动盘4、静盘5之间密封腔室22内部的液体压强小于涡轮定子、转子组件上部的液体压强，从而使动盘4外凸台17下端面的液体压强大于动盘4外凸台17上端面的液体压强，由此使动盘4受到向上的作用力，该作用力与涡轮轴5所受的水力载荷方向相反，由此可有效降低推力轴承14所受的轴向载荷，进而改善推力轴承14的工作状况，降低推力轴承14磨损程度，减小推力轴承14发生破裂失效的机率，由此提高了该涡轮节的工作寿命。

完成冲击涡轮组件的钻井液经上径向斜孔25进入至中心孔23内，与封腔室22（低压区）经径向孔18、环形槽19、径向连通孔24进入至涡轮轴5的中心孔23的钻井液汇合后，经中心孔23继续下行，然后经下径向斜孔26流出；流出的钻井液经下接头15与花键套16之间的环空继续下行进入支承节或下一根涡轮节内。

Claims (4)

1.一种液力悬挂涡轮节，它由壳体（12）、上接头（2）、下接头（15）、涡轮轴（5）、静盘（3）和动盘（4）构成；其特征在于：壳体（12）的一端螺纹安装有上接头（2）；壳体（12）的另一端螺纹安装有下接头（15）；壳体（12）内通过间隔设置的上扶正轴承（8）、下扶正轴承（11）和推力轴承（14）活动安装有涡轮轴（5）；涡轮轴（5）的一端螺纹安装有花键接头（1），涡轮轴（5）的另一端螺纹安装有花键套（16）；花键接头（1）与上扶正轴承（8）之间的涡轮轴（5）上固装有动盘（4），与动盘（4）对应的壳体（12）内壁上设置有静盘（3）；上扶正轴承（8）与下扶正轴承（11）之间的涡轮轴（5）上装有涡轮组件；

所述的动盘（4）为管状，动盘（4）内圆周与涡轮轴（5）相配合，动盘（4）外圆周上设置有外凸台（17），外凸台（17）上方的动盘（4）圆周上均布有多个径向孔（18），与径向孔（18）对应的动盘（4）圆周内壁上设置有环形槽（19），径向孔（18）与环形槽（19）相通；

所述的静盘（3）为管状，静盘（3）外圆周与壳体（12）内圆周相配合，静盘（3）内壁圆周上设置有内凸台（20）；

所述的静盘（3）圆周外壁与内壁之间轴向开有多个扇形通孔（21），以构成钻井液循环通道；

所述的外凸台（17）与内凸台（20）呈错位状设置，外凸台（17）与静盘（3）圆周内壁之间和内凸台（20）与动盘（4）圆周外壁之间设置有间隙；

所述涡轮轴（5）为中段带有凸起台阶的柱形变径体，涡轮轴（5）的中心部位设置有中心孔；与环形槽（19）对应的涡轮轴（5）上设置有径向连通孔（24），径向连通孔（24）一端与环形槽（19）连通；径向连通孔（24）另一端与中心孔（23）连通；

所述的推力轴承（14）上方的涡轮轴（5）上设置有上径向斜孔（25），上径向斜孔（25）与中心孔（23）连通；推力轴承（14）下方的花键套（16）上设置有下径向斜孔（26），下径向斜孔（26）与花键套（16）的中心孔连通。

2.根据权利要求1所述的一种液力悬挂涡轮节，其特征在于：所述的涡轮组件包括涡轮转子（10）和涡轮定子（9），涡轮转子（10）与涡轮轴（5）配合连接，涡轮定子（9）与壳体（12）内壁固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种液力悬挂涡轮节，其特征在于：所述的上径向斜孔（25）下方的涡轮轴（5）上设置分割套（13），分割套（13）与涡轮轴（5）滑动密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种液力悬挂涡轮节，其特征在于：所述的上扶正轴承（8）与动盘（4）和静盘（3）之间的涡轮轴（5）上设置外套圈（7）和内套圈（6），以对上扶正轴承（8）与动盘（4）和静盘（3）进行轴向限位。