CN111946538A - 一种井下水力涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下水力涡轮，包括安装环和叶片环，所述叶片环装配固定于所述安装环中，所述安装环用以适配不同水力性能的所述叶片环并与所述叶片环一同适配于不同尺寸的驱动轴或工具壳体。上述井下水力涡轮将涡轮分为装配式安装固定的安装环和叶片环，钻井液的冲蚀作用主要发生在叶片环的叶片，当安装环或叶片环磨损后，可以很方便的拆除并更换新的安装环或叶片环，未磨损的部分可反复利用，从而进一步延长使用寿命，提高抗冲蚀性能，进而保障井下工具的性能。

Description

一种井下水力涡轮

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井装备技术领域，特别涉及一种井下水力涡轮。

背景技术

井下水力涡轮是一种常见的井下工具动力部件；涡轮能高效的将钻井液中蕴含的流体压力能转化为旋转的机械能，并通过传动轴输出给做功元件(比如钻头、发电机转子等)。

井下水力涡轮大都采用轴流式多级设计，每级涡轮包含一个定子叶轮和一个转子叶轮，由于井下水力涡轮的工作介质是钻井液，俗称“泥浆”，其中包含着大量固相颗粒物，涡轮很容易受到“冲蚀”破坏。当流体携带着固相颗粒高速冲击涡轮叶片表面时，固相颗粒所携带的动量会在叶片表面转化为巨大的冲击力，破坏叶片表面材料并使其剥落脱离叶片表面，久而久之在叶片表面形成各种“冲蚀”沟槽，甚至造成叶片的断裂失效；而叶片的受损直接影响到涡轮级的动力输出，进而影响到整个井下工具的性能。

因此，如何能够提供一种保障井下工具的性能的抗冲蚀性能好和使用寿命长的井下水力涡轮是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下水力涡轮，将涡轮分为装配式安装固定的安装环和叶片环，钻井液的冲蚀作用主要发生在叶片环的叶片，当安装环或叶片环磨损后，可以很方便的拆除并更换新的安装环或叶片环，未磨损的部分可反复利用，从而进一步延长使用寿命，提高抗冲蚀性能，进而保障井下工具的性能。

为实现上述目的，本发明提供一种井下水力涡轮，包括安装环和叶片环，所述叶片环装配固定于所述安装环中，所述安装环用以适配不同水力性能的所述叶片环并与所述叶片环一同适配于不同尺寸的驱动轴或工具壳体。

优选地，所述叶片环和所述安装环装配到位后通过螺纹连接并填充密封胶，或通过花键连接并填充密封胶，或通过螺栓连接并填充密封胶，或通过焊接连接。

优选地，所述安装环设有对所述叶片环进行轴向限位的止退台阶。

优选地，所述叶片环的外圆以及所述安装环的内圆均加工有若干个销钉槽，所述叶片环和所述安装环通过在所述销钉槽中安装销钉以实现周向限位，所述销钉及所述叶片环与所述安装环的接触表面均涂有金属密封胶。

优选地，所述销钉槽和所述销钉的截面形状相吻合且为圆形或方形。

优选地，所述井下水力涡轮具体为定子涡轮，包括定子安装环和定子叶片环，所述定子安装环用以适配于工具壳体，所述定子安装环的内圆加工有定子安装环销钉槽，所述定子叶片环的外圆加工有定子叶片环销钉槽，定子销钉安装于所述定子安装环销钉槽和所述定子叶片环销钉槽，所述定子安装环的内周侧设有对所述定子叶片环进行轴向限位的定子止退台阶。

优选地，所述井下水力涡轮具体为转子涡轮，包括转子安装环和转子叶片环，所述转子安装环用以适配于驱动轴，所述转子安装环的内圆加工有转子安装环销钉槽，所述转子叶片环的外圆加工有转子叶片环销钉槽，转子销钉安装于所述转子安装环销钉槽和所述转子叶片环销钉槽，所述转子安装环的外周侧设有对所述转子叶片环进行轴向限位的转子止退台阶。

优选地，所述安装环和所述叶片环采用不同的两种材料，所述安装环采用耐冲蚀和耐磨损性能低、成本低且易于机械加工的金属或合金材料制成，所述叶片环采用耐冲蚀和耐磨损性能高、成本高且不易于机械加工的金属或合金材料制成；所述安装环和/或所述叶片环的加工方式为机械加工、精铸或增材制造。

优选地，所述叶片环由碳化钨合金粉末通过增材制造制成，所述安装环由42CrMo通过机械加工制成；所述碳化钨合金粉末为镍基碳化坞粉末或铁基碳化坞粉末或钴基碳化坞粉末或铜基碳化坞粉末或混合粉末，所述混合粉末为镍、铁、钴和铜以一定的金属相占比和碳化坞粉末混合的粉末，所述金属相占比为0～100％。

优选地，所述镍基碳化坞粉末采用粒度为150微米和碳化坞粉末比例为40～50％的铸造球形碳化坞粉末。

相对于上述背景技术，本发明所提供的井下水力涡轮包括安装环和叶片环，叶片环装配于安装环，叶片环与安装环安装固定为一体，安装环用以适配不同水利性能的叶片环，安装环再与叶片环一同适配于不同尺寸的驱动轴或工具壳体，以构成可用的涡轮转子或涡轮定子；该井下水力涡轮通过叶片环以实现涡轮的基本作用，通过安装环以实现叶片环的安装作用，通过叶片环与安装环装配成一体以构成涡轮转子或涡轮定子；该井下水力涡轮将涡轮分为装配式安装固定的安装环和叶片环，钻井液的冲蚀作用主要发生在叶片环的叶片，当安装环或叶片环磨损后，可以很方便的拆除并更换新的安装环或叶片环，未磨损的部分可反复利用，从而进一步延长使用寿命，提高抗冲蚀性能，进而保障井下工具的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮的结构示意图；

图2为本发明第二种实施例提供的井下水力涡轮的结构示意图；

图3为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用螺纹连接的示意图；

图4为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用螺栓连接的示意图；

图5为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用花键连接的示意图；

图6为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用焊接连接的示意图；

图7为本发明实施例提供的多级涡轮在井下工具中的安装示意图。

其中：

1-定子销钉、2-定子叶片环销钉槽、3-定子安装环、4-定子叶片环、5-定子叶片、6-定子止退台阶、7-定子安装环销钉槽、8-转子安装环销钉槽、9-转子安装环、10-转子止退台阶、11-转子销钉、12-转子叶片环、13-转子叶片环销钉槽、14-转子叶片、15-安装螺栓、16-沉头螺钉通孔、17-螺纹孔、18-安装花键、19-花键槽、20-焊接材料、21-驱动轴、22-工具壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图7，其中，图1为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮的结构示意图，图2为本发明第二种实施例提供的井下水力涡轮的结构示意图，图3为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用螺纹连接的示意图，图4为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用螺栓连接的示意图，图5为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用花键连接的示意图，图6为本发明第一种实施例提供的井下水力涡轮采用焊接连接的示意图，图7为本发明实施例提供的多级涡轮在井下工具中的安装示意图。

在第一种具体的实施方式中，本发明提供的井下水力涡轮包括安装环和叶片环，叶片环装配固定于安装环中，安装环与叶片环采用组合安装的方式固定为一体，以构成可用的涡轮转子或涡轮定子。也就是说，涡轮采用装配固定的安装环和叶片环的组合方式，适用于涡轮的多种结构中，包括但不限于涡轮转子和涡轮定子这两种涡轮的具体结构；更具体地说，根据不同作用的涡轮，对应具有不同结构的叶片环，以及供不同结构的叶片环装配的安装环，安装环的作用在于适配不同水力性能的叶片环，在叶片环与安装环组合为一体的基础上，安装环再与叶片环一同适配于不同尺寸的驱动轴21或工具壳体22。

具体而言，根据涡轮结构的不同，示例性的，分为定子涡轮和转子涡轮，两种涡轮的结构不同，但同样适用于上述叶片环与安装环的设置方式。

换句话说，井下水力涡轮具体为定子涡轮，请参考图1，定子涡轮包括定子安装环3和定子叶片环4，定子叶片环4在定子安装环3中完成装配固定的基础上，定子安装环3安装固定于工具壳体22，且根据不同尺寸结构的工具壳体22可设置不同尺寸结构的定子安装环3，定子安装环3可适配不同尺寸结构的定子叶片环4。

与此类似的，井下水力涡轮具体为转子涡轮，请参考图2，转子涡轮包括转子安装环9和转子叶片环12，转子叶片环12在转子安装环9中完成装配固定的基础上，转子安装环9安装固定于驱动轴21，且根据不同尺寸结构的驱动轴21可设置不同尺寸结构的转子安装环9，转子安装环9可适配不同尺寸结构的转子叶片环12。

在多级涡轮在井下工具中的安装示意图中，如图7，直线箭头为泥浆的流入方向，旋转箭头为驱动轴21的轴旋转方向，井下水力涡轮大都采用轴流式多级设计，每级涡轮包含一个定子叶轮和一个转子叶轮，定子叶轮相对工具壳体22固定，转子叶轮相对驱动轴21固定。定子叶轮和转子叶轮通常包含若干涡轮叶片，叶片呈三维扭转形态，定子叶轮的叶片和转子叶轮的叶片扭转方向相反。定子叶轮布置在涡轮级的上游，定子叶轮叶片对钻井液的流动方向进行偏转，使流体获得周向旋转的速度分量，流体在获得这种周向角动量的同时必然对定子叶片5产生一个反作用扭矩，由于定子叶轮与工具壳体22固定，所以由工具壳体22最终承受这部分反作用扭矩。定子叶轮叶片通道内，钻井液流动速度的提高，使得钻井液的一部分静压能转化成为动压能。转子叶轮布置在涡轮级的下游，转子叶轮叶片的扭转方向与定子叶片5相反，这使得从定子叶轮出流的钻井液的周向速度分量得到反向的偏转，这种偏转使得流动角动量发生改变，从而对转子叶片14产生一个反作用扭矩，方向与定子叶片5反作用扭矩相反。由于转子叶轮相对驱动轴21固定，转子叶轮收到的钻井液的反作用扭矩最终输出给驱动轴21，当扭矩大于驱动轴21的负载时，驱动轴21便开始转动。转子叶片14的通道内，钻井液的静压和动压均下降，即总压转变为驱动轴21的旋转机械功输出。由于钻井液的不可压缩特性，井下水力涡轮组的每一级均采用同样的叶片设计，因此各级涡轮的流场均呈周期性，即每一级涡轮都产生同样的压降、输出同样的功率和扭矩。由于井下水力涡轮的工作介质是钻井液，即“泥浆”，其中包含着大量固相颗粒物，因此很容易受到“冲蚀”破坏。当流体携带者固相颗粒高速冲击涡轮叶片表面时，固相颗粒所携带的动量会在叶片表面转化为巨大的冲击力，破坏叶片表面材料并使其剥落脱离叶片表面，久而久之在叶片表面形成各种“冲蚀”沟槽，甚至造成叶片的断裂失效。而叶片的受损直接影响到涡轮级的动力输出，进而影响到整个井下工具的性能。

相较于现有技术中涡轮的叶片断裂失效即影响涡轮整体使用的问题，在本实施例中，无论是定子涡轮还是转子涡轮，该井下水力涡轮都可将涡轮分为装配式安装固定的安装环和叶片环，钻井液的冲蚀作用主要发生在叶片环的叶片，当安装环或叶片环磨损后，可以很方便的拆除并更换新的安装环或叶片环，未磨损的部分可反复利用，从而进一步延长使用寿命，提高抗冲蚀性能，进而保障井下工具的性能。

其中，叶片环和安装环的装配方式有多种，包括但不限于插销式，除此以外，叶片环与安装环之间采用螺纹连接，并填充密封胶；叶片环与安装环之间通过花键连接，并填充密封胶；叶片环与安装环之间通过螺栓连接，并填充密封胶；叶片环与安装环之间通过焊接连接。

请参考图3，在定子涡轮的螺纹连接形式中，定子安装环3的内周设置螺纹，定子叶片环4的外周设置螺纹，定子安装环3和定子叶片环4通过螺纹配合连接。其中，螺纹的旋向应当与定子涡轮受到的扭矩方向相同。如图所示的定子涡轮受到的扭矩方向是右旋的，则定子安装环3和定子叶片环4均采用右旋螺纹，相应的，配合该定子涡轮的涡轮转子则应当采用左旋螺纹。在此基础上，螺纹之间填充金属密封胶防止流体的泄漏。与此类似的，转子涡轮的设置形式与定子涡轮的设置形式类似，这里不再一一赘述。

请参考图4，在定子涡轮的螺栓连接形式中，定子叶片环4的周侧设置沉头螺钉通孔16，定子安装环3的周侧设置螺纹孔17，定子叶片环4的主体部分套在定子安装环3的内部，定子叶片环4的周侧和定子安装环3的周侧重叠，安装螺栓15依次穿入沉头螺钉通孔16和螺纹孔17，定子安装环3和定子叶片环4通过螺栓固定连接。其中，定子安装环3和定子叶片环4之间，以及螺纹孔17内都采用金属密封胶进行密封。在此基础上，为了进一步防止松脱，安装螺栓15可以加弹簧垫圈。与此类似的，转子涡轮的设置形式与定子涡轮的设置形式类似，这里不再一一赘述。

请参考图5，在定子涡轮的花键连接形式中，定子安装环3的内周设置花键槽19，定子叶片环4的外周设置安装花键18，定子安装环3和定子叶片环4通过花键配合连接；与此类似的，安装花键18和花键槽19还可调换在定子安装环3和定子叶片环4上的安装位置。其中，定子安装环3和定子叶片环4的接触面以及花键槽19内都施加金属密封胶进行密封处理。与此类似的，转子涡轮的设置形式与定子涡轮的设置形式类似，这里不再一一赘述。

请参考图6，在定子涡轮的焊接连接形式中，定子安装环3和定子叶片环4的周侧重叠，重叠处设置焊接材料20，定子安装环3和定子叶片环4通过焊接固定连接。与此类似的，转子涡轮的设置形式与定子涡轮的设置形式类似，这里不再一一赘述。

在叶片环与安装环采用插销式装配时，叶片环的外圆以及安装环的内圆均加工有若干个销钉槽，若干个包括一个以及多于一个，叶片环外圆的销钉槽和安装环内圆的销钉槽一一对应成组，每组销钉槽中设置销钉，使得在销钉槽中安装销钉进而实现叶片环和安装环装配到位且周向限位，防止叶片环和安装环的相对转动；为了保障叶片环与安装环之间的密封性，叶片环与安装环之间涂抹有金属密封胶，为了避免因开设销钉槽而导致密封性变差，销钉涂抹有金属密封胶。

其中，销钉槽和销钉的截面形状相吻合，截面形状的设置包括但不限于圆形或方形等，还可为其他形状，同应属于本实施例的说明范围。

在本实施例中，在井下水力涡轮具体为定子涡轮的实施例中，定子叶片环4设有若干定子叶片5，定子安装环3的内圆加工有定子安装环销钉槽7，定子叶片环4的外圆加工有定子叶片环销钉槽2，定子销钉1安装于定子安装环销钉槽7和定子叶片环销钉槽2。

与此类似的，在井下水力涡轮具体为转子涡轮的实施例中，转子叶片环12设有若干转子叶片14，转子叶片14的偏转方向与定子叶片5的偏转方向相反，转子安装环9的内圆加工有转子安装环销钉槽8，转子叶片环12的外圆加工有转子叶片环销钉槽13，转子销钉11安装于转子安装环销钉槽8和转子叶片环销钉槽13。

在此基础上，安装环设有止退台阶，止退台阶的作用在于供叶片环在安装环中装配时，提供安装定位的作用，使得叶片环与止退台阶抵靠时，二者装配到位且轴向限位，止退台阶和销钉共同作用实现整体的装配固定。当涡轮级工作时，钻井液对叶片环会产生轴向的下推力，止退台阶的另一个作用是作为叶片环的支承面，防止叶片环在强大的流体轴推力作用下被冲走，通过止退台阶将轴推力传递给安装环，进而作用到驱动轴21或者工具壳体22上。

在本实施例中，在井下水力涡轮具体为定子涡轮的实施例中，定子叶片环4以内轴套于外环的形式装配于定子安装环3中，定子叶片环4相当于内圈的轴，定子安装环3相当于外圈的环，定子安装环3的内周侧设有用以对定子叶片环4进行轴向限位的定子止退台阶6。

与此类似的，在井下水力涡轮具体为转子涡轮的实施例中，转子叶片环12以外环套于内轴的形式装配于转子安装环9中，转子叶片环12相当于外圈的环，转子安装环9相当于内圈的轴，转子安装环9的外周侧设有用以对转子叶片环12进行轴向限位的转子止退台阶10。

除此以外，安装环和/或叶片环的材质为合金材料，合金材料为耐冲蚀的合金材料；安装环和/或叶片环的加工方式为机械加工、精铸或增材制造。

示例性的，安装环和叶片环采用不同的两种材料，安装环采用耐冲蚀和耐磨损性能低、成本低且易于机械加工的金属或合金材料制成，叶片环采用耐冲蚀和耐磨损性能高、成本高且不易于机械加工的金属或合金材料制成；安装环和/或叶片环的加工方式为机械加工、精铸或增材制造。

在现有的井下水力涡轮的材质选择和加工方式中，由于涡轮叶片具有复杂的几何曲面外形，制造难度大，一般来说，常用的方法包括机械加工和精铸，而传统的涡轮设计都是普通的铸钢产品，耐冲蚀性能差。其中，机械加工方法，即利用5轴车铣加工中心，直接将一块锻件加工为涡轮。精铸方法，即制作涡轮模具，通过铸造方式得到涡轮毛坯，再根据需要适当机加工内外圆和配合端面得到最终的涡轮产品。这种方法是目前制作井下水力涡轮最常见的方法。尽管模具的制作成本比较高，但是当大批量生产时，涡轮的制造成本就可以非常低。采用精铸的方法，涡轮叶片的复杂型面虽然达不到5轴机加的加工精度，但是仍然足够满足井下涡轮所需要的制造精度。但是，当所需要的涡轮数量不大时，则模具的制造成本凸显，甚至超过5轴机加的方式。

还可通过增材制造方式得到涡轮，即“3D打印”制造得到涡轮。这种方式是近年来新出现的一种产品制造工艺，且越来越得到工业界的重视和广泛应用，所能实现的打印材料也不断在丰富，从树脂材料到普通金属甚至到高温合金都已经逐步实现产业化的规模。3D打印制造工艺具有传统工艺所不具备的一些特殊优点。首先是制造周期大大缩短，所谓“所见即所得”，在电脑里完成的CAD产品模型，可以直接传输给3D打印机进行打印，真正实现设计与制造的无缝对接。其次是没有任何对于叶片几何形状复杂程度的限制，3D打印可以轻松实现传统5轴机加和精铸方法无法实现的任意的复杂造型，而且产品几何复杂程度的增加通常不会给3D打印增加任何制造成本。最后是打印得到的金属材质的机械性能优越，由于打印过程通常是在精密且严格受控的打印舱内进行，产品的内部致密性会远高于传统的铸造产品，甚至接近与金属锻件的水平。尽管3D打印工艺相比传统工艺具有上述一些突出的优势，但目前3D打印尚无法全面替代传统制造工艺。3D打印采用的粉末具有一定的颗粒度限制，导致打印出的产品表面粗糙度较高，达不到机加和铸造的水平；其次是3D打印粉末有一定制造成本，设备也比较昂贵，尽管无需制造模具，但是大批量制造时，其平均成本可能会高于铸造产品。

在本实施例中，为解决上述问题，叶片环由碳化钨合金粉末通过增材制造制成，安装环由42CrMo通过机械加工制成，既能使涡轮叶片具有超强的抗冲蚀性能，同时制造成本又能满足大批量生产。

示例性的，叶片环由碳化钨合金粉末通过增材制造制成，安装环由42CrMo通过机械加工制成；碳化钨合金粉末为镍基碳化坞粉末或铁基碳化坞粉末或钴基碳化坞粉末或铜基碳化坞粉末或混合粉末，混合粉末为镍、铁、钴和铜以金属相占比和碳化坞混合的粉末，金属相占比大于0小于100％。

需要说明的是，其他的颗粒直径和碳化坞比例同样可行，作为一种优选的方案，镍基碳化坞粉末采用粒度为大于0微米小于500微米和碳化坞粉末比例为大于0小于100％的铸造球形碳化坞粉末。

更进一步的，镍基碳化坞粉末采用粒度为150微米和碳化坞粉末比例为40～50％的铸造球形碳化坞粉末。

在定子叶片环4和转子叶片环12打印完成后，对叶片环的内外圆以及前后两侧端面打磨，直至满足安装公差精度要求，在定子叶片环4的外圆加工定子叶片环销钉槽2，在转子叶片环12的内圆加工转子叶片环销钉槽13，定子叶片环销钉槽2与转子叶片环销钉槽13的数量相等或者不等。与此相对的，通过机械加工制作出定子安装环3和转子安装环9，包括车内外圆和车端面的流程，定子止退台阶6在定子安装环3内径较大一端的内径圆柱面上，转子止退台阶10在转子安装环9外径较小一端的外径圆柱面上，分别加工与定子叶片环4和转子叶片环12上定子叶片环销钉槽2和转子叶片环销钉槽13数量相等、截面形状与位置一致的定子安装环销钉槽7和转子安装环销钉槽8。

在此基础上，制作相应的定子销钉1和转子销钉11，材料可以为42CrMo或其他钢合金材料。在定子叶片环4的外圆、定子安装环3的内圆、定子销钉1表面均匀涂抹适量金属密封胶，将定子叶片环4从定子安装环3带有定子安装环销钉槽7的一端推入(定子叶片5尾缘端首先推入)，直到叶片环与安装环的止退台阶互相接触，转动定子叶片环4使得叶片环和安装环的销钉槽对齐，插入销钉。从而完成涡轮定子的装配。

与此类似的，在转子叶片环12的内圆、转子安装环9的外圆、转子销钉11表面均匀涂抹适量金属密封胶，将转子叶片环12从转子安装环9带有转子安装环销钉槽8的一端推入(转子叶片14尾缘端首先推入)，直到叶片环与安装环的止退台阶互相接触，转动转子叶片环12使得叶片环与安装环的销钉槽对齐，插入销钉，从而完成涡轮转子的装配。

实际工作中，当钻井液流经涡轮定子和转子时，产生的轴向推力分别由定子止退台阶6和转子止退台阶10承载；产生的周向扭矩分别由定子销钉1和转子销钉11承载；金属密封胶的作用是避免钻井液从叶片环和安装环之间泄漏，同时也稳定叶片环，避免与安装环之间产生相对位移和振动。叶片环与安装环之间连接可靠且牢固。

当叶片环采用碳化钨合金时，对于井下水力涡轮，钻井液的冲蚀作用主要发生在叶片环的叶片周围，采用碳化坞合金材料制造叶片环，使得抗冲蚀性能相比钢质涡轮得到至少10倍的极大提高，从而大大延长涡轮使用寿命；当叶片环和安装环分别采用增材制造也即3D打印和机械加工制作时，由于只需要对占涡轮整体体积仅20％～30％的叶片环进行3D打印，剩余的70％～80％的涡轮部分则仅通过最简单的机械加工即可完成，所以涡轮的制造成本相比采用整体3D打印方式大大降低，能满足大批量工业生产；当不同材料的叶片环和安装环先分离制作再组合装配时，实际工作中，由于轴承的磨损，涡轮的定转子之间会发生接触和摩擦，本发明提出的构造，使得摩擦出现在叶片环和安装环之间，由于叶片环的碳化坞材料比安装环的钢材具有更高的耐磨性，所以材料的磨损只出现在安装环表面，当安装环磨损后，可以很方便的拆除，更换新的安装环，而3D打印制造的叶片环则可以多次反复利用，从而进一步延长涡轮的平均使用寿命；在安装环采用钢材和机械加工时，安装环为钢制的环形构件，加工十分便捷，成本也低，既可作为通用部件适配不同水力性能的涡轮叶片环，又能帮助同一尺寸的涡轮叶片环适配不同尺寸的驱动轴21和工具壳体22。

第一，传统的井下水力涡轮制造工艺，无论是数控机加还是精铸，其基体材料都是钢。如果采用一些表面处理方法，诸如渗碳、喷丸等等，涡轮叶片的表面硬度可以得到一定程度的增加，但是硬面深度十分有限，且增加了叶轮的制造成本和制作周期。而碳化坞合金基体比传统的钢合金材料具有十分优越的抗冲蚀性能，所以采用这种材料制作的3D打印水力涡轮，将比传统精铸方式得到的钢制涡轮具有更长的使用寿命。

第二，利用碳化坞合金材料和3D打印工艺，可以制造抗冲蚀性能和井下使用寿命均远高于钢基体材料的涡轮，但是受到制造成本限制，无法适用于大批量生产。而针对水力涡轮的特殊结构，本发明提出了一种先分解再装配的设计思路，将涡轮分解为两个部分，即几何形状规则的安装环和几何形状复杂的叶片环；前者可以采用普通的钢合金材料，用最简单的机械加工方法进行批量制造；后者可以采用碳化坞合金材料，通过先进的3D打印工艺，进行批量制造。最后通过装配方式将两者组装起来。从而即保证了涡轮整体具有高抗冲蚀性能，又满足了大批量生产的低成本要求。

在本实施例中，本发明采用装配的方式，采用碳化坞合金制作受冲蚀最严重的转子叶片14及其叶片环如定子叶片环4或转子叶片环12，而将不易受冲蚀又占据整个涡轮最大比例部分的安装环如定子安装环3或转子安装环9做成普通的钢环，这样既实现了涡轮整体的耐冲蚀性能的大幅提升(具有和整体碳化坞涡轮几乎一样的耐冲蚀性能，而比传统铸钢涡轮能提升10倍以上的耐冲蚀性)，又大大降低了制造的成本(比整体式碳化坞涡轮制造成本降低70％以上)，缩短制造周期。该井下水力涡轮既能让涡轮具有纯碳化坞合金涡轮的高抗冲蚀性，又能比纯碳化坞合金涡轮显著的减少制造成本，缩短制造周期。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的井下水力涡轮进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种井下水力涡轮，其特征在于，包括安装环和叶片环，所述叶片环装配固定于所述安装环中，所述安装环用以适配不同水力性能的所述叶片环并与所述叶片环一同适配于不同尺寸的驱动轴(21)或工具壳体(22)。

2.根据权利要求1所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述叶片环和所述安装环装配到位后通过螺纹连接并填充密封胶，或通过花键连接并填充密封胶，或通过螺栓连接并填充密封胶，或通过焊接连接。

3.根据权利要求1所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述安装环设有对所述叶片环进行轴向限位的止退台阶。

4.根据权利要求3所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述叶片环的外圆以及所述安装环的内圆均加工有若干个销钉槽，所述叶片环和所述安装环通过在所述销钉槽中安装销钉以实现周向限位，所述销钉及所述叶片环与所述安装环的接触表面均涂有金属密封胶。

5.根据权利要求4所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述销钉槽和所述销钉的截面形状相吻合且为圆形或方形。

6.根据权利要求5所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述井下水力涡轮具体为定子涡轮，包括定子安装环(3)和定子叶片环(4)，所述定子安装环(3)用以适配于工具壳体(22)，所述定子安装环(3)的内圆加工有定子安装环销钉槽(7)，所述定子叶片环(4)的外圆加工有定子叶片环销钉槽(2)，定子销钉(1)安装于所述定子安装环销钉槽(7)和所述定子叶片环销钉槽(2)，所述定子安装环(3)的内周侧设有对所述定子叶片环(4)进行轴向限位的定子止退台阶(6)。

7.根据权利要求5所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述井下水力涡轮具体为转子涡轮，包括转子安装环(9)和转子叶片环(12)，所述转子安装环(9)用以适配于驱动轴(21)，所述转子安装环(9)的内圆加工有转子安装环销钉槽(8)，所述转子叶片环(12)的外圆加工有转子叶片环销钉槽(13)，转子销钉(11)安装于所述转子安装环销钉槽(8)和所述转子叶片环销钉槽(13)，所述转子安装环(9)的外周侧设有对所述转子叶片环(12)进行轴向限位的转子止退台阶(10)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述安装环和所述叶片环采用不同的两种材料，所述安装环采用耐冲蚀和耐磨损性能低、成本低且易于机械加工的金属或合金材料制成，所述叶片环采用耐冲蚀和耐磨损性能高、成本高且不易于机械加工的金属或合金材料制成；所述安装环和/或所述叶片环的加工方式为机械加工、精铸或增材制造。

9.根据权利要求8所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述叶片环由碳化钨合金粉末通过增材制造制成，所述安装环由42CrMo通过机械加工制成；所述碳化钨合金粉末为镍基碳化坞粉末或铁基碳化坞粉末或钴基碳化坞粉末或铜基碳化坞粉末或混合粉末，所述混合粉末为镍、铁、钴和铜以一定的金属相占比和碳化坞粉末混合的粉末，所述金属相占比为0～100％。

10.根据权利要求9所述的井下水力涡轮，其特征在于，所述镍基碳化坞粉末采用粒度为150微米和碳化坞粉末比例为40～50％的铸造球形碳化坞粉末。

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