CN204140257U

CN204140257U - 点投影楔子形叶片制动级定转子组合件

Info

Publication number: CN204140257U
Application number: CN201420365743.4U
Authority: CN
Inventors: 谭春飞
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2024-07-03

Abstract

本实用新型提供了一种点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，所述定子叶片和所述转子叶片呈宽度由上至下及由叶底至叶顶逐渐增大的楔形，若干个所述定子叶片沿周向倾斜设置于所述定子叶冠外壁至所述定子本体内壁之间；若干个所述转子叶片沿周向倾斜设置于所述转子本体外壁至所述转子叶冠内壁之间，且所述定子叶片与所述转子叶片的倾斜角大小相等、倾斜方向相同。定子叶片和转子叶片均为点投影形成。本实用新型水力损失小、制动扭矩大，一定数量点投影楔子形叶片制动级定转子与一定数量涡轮级定转子组合装配在一起可显著提高涡轮钻具的工作时间、过载能力、在低转速下工作的稳定性和涡轮钻井进尺。

Description

点投影楔子形叶片制动级定转子组合件

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气、煤层气、页岩气开采等领域的钻探或地质、铁路、电力、通讯等领域的钻进用井下涡轮钻具，尤其是一种点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，属于机械制造技术领域。

背景技术

涡轮钻具是工业应用最早的一种井下液动马达，它的作用是将工作液的液体压力能量转变为机械能量，驱动钻头转动以破碎井底岩石。涡轮钻具是石油矿场常用的一种井下动力钻具。由于由现有多级涡轮定转子组合件构成的涡轮钻具转速太高，钻头轴承或牙齿磨损太快，一趟钻的进尺和纯钻时间比转盘钻井低很多。

鉴于上述现有涡轮钻井技术存在的缺点，本人基于长期从事相关科研及现场试验，对现有技术积极加以改进和创新，以期实现一种压降低、空转转速和工作转速低、工作扭矩适中的涡轮钻具。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种制动扭矩大、水力损失小的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，包括同轴套装的定子和转子，所述定子与所述转子的中心线共线；所述定子包括同轴设置的圆筒状定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，所述转子包括同轴设置的圆筒状转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁同轴套装，所述定子叶片和所述转子叶片呈宽度由上至下及由叶底至叶顶逐渐增大的楔形，若干个所述定子叶片沿周向倾斜设置于所述定子叶冠外壁至所述定子本体内壁之间；若干个所述转子叶片沿周向倾斜设置于所述转子本体外壁至所述转子叶冠内壁之间。

如上所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其中，所述定子叶片中心线和转子叶片中心线在等径圆柱面上的展开线均为直线，该直线与通过定子和转子的等值子午面形成倾斜角；在同一等径圆柱面上的所述定子叶片的倾斜角与所述转子叶片的倾斜角，大小相等。

如上所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其中，在同一等径圆柱面上的定子叶片倾斜角与转子叶片倾斜角，方向相同；在不同等径圆柱面上的定子叶片倾斜角或转子叶片倾斜角，沿径向大小相等。

如上所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其中，每个所述转子叶片的压力面和吸力面与经过该转子叶片的等值子午面相交并形成两条第一相贯直线，所述两条第一相贯直线相交，其中，位于所述转子中心线上的交点为第一交点，所述第一交点位于转子叶片前缘最高点在转子中心线上的垂直投影点和转子叶片后缘最低点在转子中心线上的垂直投影点之间，且该第一交点是唯一的；每个所述定子叶片的压力面和吸力面与经过该定子叶片的等值子午面相交并形成两条第二相贯直线，所述两条第二相贯直线相交，其中，位于所述定子中心线上的交点为第二交点，所述第二交点位于定子叶片前缘最高点在定子中心线上的垂直投影点和定子叶片后缘最低点在定子中心线上的垂直投影点之间，且该第二交点是唯一的。

如上所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其中，所述定子叶片的轴向高度沿所述定子的径向由内向外逐渐增大，且所述定子叶片的轴向高度与其对应等径圆柱面半径成正比；所述转子叶片的轴向高度沿所述转子的径向由内向外逐渐增大，且所述转子叶片的轴向高度与其对应的等径圆柱面半径成正比。

如上所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其中，所述定子叶片的周向厚度沿所述定子的径向由内向外逐渐增大，所述转子叶片的周向厚度沿所述转子的径向由内向外逐渐增大。

本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，包括同轴套装的转子和定子，所述转子包括圆筒状的转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，在所述转子本体的一端外周设有径向凸出的凸台，所述若干个转子叶片沿所述凸台的外圆周表面均匀布设，所述转子叶冠套接于所述转子叶片的叶顶；所述定子包括圆筒状的定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，所述若干个定子叶片沿所述定子本体的内圆周表面均匀布设，所述定子叶冠的外壁与所述定子叶片的叶底相连接；所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁同轴套合；所述定子叶片及所述转子叶片的叶型均为点投影形成，叶片前缘与叶底薄、叶片后缘与叶顶厚，即定子叶片为由在定子某S值(0≤S≤1)等径圆柱面上的叶片三维设计曲面投影到定子中心线(即轴线)上一特定点所形成的实心锥体，经叶底等径圆柱面(S＝0.0)和叶顶等径圆柱面(S＝1.0)切割形成；转子叶片为由在转子某S值(0.0≤S≤1.0)等径圆柱面上的叶片三维设计曲面投影到转子中心线上一特定点所形成的实心锥体，经叶底等径圆柱面(S＝0.0)和叶顶等径圆柱面(S＝1.0)切割形成。该特定点位于叶片前缘最高点在定子或转子中心线上的垂直投影点和叶片后缘最低点在定子或转子中心线上的垂直投影点之间。每一叶片形似一楔子。

所述定子或转子叶片的轴向高度，沿径向(由内向外)逐渐增大，与等径圆柱面半径成正比。所述定子叶片中心线或转子叶片中心线在等径圆柱面上的展开线均为直线，该直线与垂直于所述定子或转子轴线的平面形成倾斜角；等径圆柱面上的定子叶片倾斜角与转子叶片倾斜角，方向相同，大小相等。所述定子叶片或转子叶片的周向厚度沿径向(由内向外)逐渐增大。所述定子叶片或转子叶片与任一等I值(I值是涡轮叶片前缘与后缘之间任一与定子或转子轴线垂直的平面与前缘和后缘的相对位置，当该平面与前缘最高点处于相同位置时I＝0.0，当该平面与后缘最高点处于相同位置时I＝1.0)子午面相交，叶片压力面和吸力面与子午面相交形成两条直线，即定子或转子叶片压力面和吸力面与等值子午面的相贯线为直线；只有当子午面经过特定点时，两条相贯直线的延长线与定子或转子轴线相交于同一点，且指向半径方向。所述定子叶片或转子叶片与任意两个等径圆柱面相切，叶片前缘与等径圆柱面相交形成的两条前缘相贯线具有相似性、叶片后缘与等径圆柱面相交形成的两条后缘相贯线也具有相似性。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和优点：

本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件水力损失小、制动扭矩大、结构简单，一定数量点投影楔子形叶片制动级定转子与一定数量涡轮定转子组合装配在一起可以显著降低涡轮钻具空转转速及工作转速，提高涡轮钻具的工作时间、过载能力、在低转速下工作的稳定性和涡轮钻井进尺。

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实用新型公开的范围。另外，图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，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实用新型。

图1为本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件实施例(特定点为I＝0.5时的等值子午面与定子或转子轴线的交点)的二维平面结构示意图；

图2为本实用新型实施例的定子剖面结构示意图；

图3为本实用新型实施例的定子立体结构示意图；

图4为本实用新型实施例的定子叶片沿叶顶等径圆柱面S＝1.0展开示意图；

图5为本实用新型实施例的定子沿I＝0.5的等值子午面剖切示意图；

图6为本实用新型实施例的转子剖面结构示意图；

图7为本实用新型实施例的转子立体结构示意图；

图8为本实用新型实施例的转子叶片沿叶顶等径圆柱面S＝1.0展开示意图；

图9为本实用新型实施例的转子沿I＝0.5的等值子午面剖切示意图；

图10为本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件实施例的三维立体结构示意图；

附图标记说明：

1-转子；101-转子本体；102-转子叶片；103-转子叶冠；104-凸台；105-转子叶片吸力面；106-转子叶片压力面；107-转子叶顶；108-转子叶底；109-转子叶片前缘；110-转子叶片后缘；111-第一相贯线；112-第一交点；113-转子中心线；

2-定子；201-定子本体；202-定子叶片；203-定子叶冠；204-定子叶片压力面；205-定子叶片吸力面；207-定子叶顶；208-定子叶底；209-定子叶片前缘；210-定子叶片后缘；211-第二相贯线；212-第二交点；213-定子中心线。

具体实施方式

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

请参考图1至图10，图1为本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件实施例(特定点为I＝0.5时的等值子午面与定子或转子轴线的交点)的二维平面结构示意图；图2为本实用新型实施例的定子剖面结构示意图；图3为本实用新型实施例的定子立体结构示意图；图4为本实用新型实施例的定子叶片沿叶顶等径圆柱面S＝1.0展开示意图；图5为本实用新型实施例的定子沿I＝0.5的等值子午面剖切示意图；图6为本实用新型实施例的转子剖面结构示意图；图7为本实用新型实施例的转子立体结构示意图；图8为本实用新型实施例的转子叶片沿叶顶等径圆柱面S＝1.0展开示意图；图9为本实用新型实施例的转子沿I＝0.5的等值子午面剖切示意图；图10为本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件实施例的三维立体结构示意图。

如图1至图9所示，本实用新型点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，如图2至图5所示，定子2包括圆筒状的定子本体201、若干个定子叶片202和圆环状定子叶冠203，若干个定子叶片202沿定子本体201的内圆周表面均匀布设，定子叶冠203的外壁与定子叶片202的叶底相连接，使得定子本体201、若干个定子叶片202和定子叶冠203形成一体结构的定子2。如图6至图9所示，该转子1包括圆筒状的转子本体101、若干个转子叶片102和圆环状转子叶冠103，在转子本体101的一端外周设有径向凸出的凸台104，若干个转子叶片102沿转子本体101的外圆周表面均匀布设，转子叶冠103套接于转子叶片102的叶顶，使得转子本体101、叶片102、转子叶冠103形成一体结构的转子1。如图1所示，定子叶冠203的内壁与转子本体101外壁相套合，且定子本体201中心线213与转子本体101中心线113共轴，即定子叶冠203的内壁与转子本体101外壁同轴套合，使得定子2与转子1配合安装。

在本实用新型中，定子叶片202及转子叶片102均为点投影形成的叶片。如图3所示，定子叶片202邻接定子本体201的一侧为定子叶顶207，而其邻接定子叶冠203的一侧为定子叶底208。在定子叶顶207与定子叶底208之间具有任意多个与定子本体201和定子叶冠203共中心轴线的圆柱面，每个圆柱面称之为等径圆柱面。定子叶顶207与定子叶底208之间的任一等径圆柱面与定子叶顶207及定子叶底208的相对位置用S值表示，0≤S≤1.0：当等径圆柱面与定子叶底208所在圆柱面重合时S＝0.0，当等径圆柱面与定子叶顶207所在圆柱面重合时S＝1.0。相应的，如图7所示，转子叶片102邻接转子本体101的一侧为转子叶底108，而其邻接转子叶冠103的一侧为转子叶顶107，在转子叶顶107与转子叶底108之间具有任意多个与转子本体101和转子叶冠103共中心轴线的圆柱面，每个圆柱面也称之为等径圆柱面。转子叶顶107与转子叶底108之间的任一等径圆柱面与转子叶顶107及转子叶底108的相对位置用S值表示，0≤S≤1.0：当等径圆柱面与转子叶底108所在圆柱面重合时S＝0.0，当等径圆柱面与转子叶顶107所在圆柱面重合时S＝1.0。由于定子2与转子1上下共中心轴线套装叠合设置，因此在等S值的定子2上的等径圆柱面与转子1上的等径圆柱面为同一等径圆柱面。

在本实用新型中，与定子2和转子1的中心线垂直相交的平面称之为子午面。如图5所示，在定子叶片202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：当等值子午面与定子叶片202的上端相切时I＝0.0，当等值子午面与定子叶片202的下端相切时I＝1.0。相应的，如图9所示，在转子叶片102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，0.0≤I≤1.0。其中，等I值的子午面也称为等值子午面：当等值子午面与转子叶片102的上端相切时I＝0.0，当等值子午面与转子叶片102的下端相切时I＝1.0。

如图2至图9所示，定子叶片202和转子叶片102呈宽度由上至下及由叶底至叶顶逐渐增大的楔形，若干个定子叶片202沿周向倾斜设置于定子叶冠203外壁至定子本体201内壁之间；若干个转子叶片102沿周向倾斜设置于转子本体101外壁至转子叶冠103内壁之间，定子叶片202及转子叶片102均为点投影形成的叶片(下文会详细说明)，且定子叶片202的中心线213及转子叶片102的中心线113分别与垂直于转子1及定子2的轴线的平面形成一倾斜角(又称安装角)，且在同一等径圆柱面上的定子叶片倾斜角β_l2与转子叶片倾斜角β_l1，方向相同，大小相等。在不同等径圆柱面上的定子叶片倾斜角或转子叶片倾斜角，沿径向大小相等。如图4和图8所示，定子叶片和转子叶片的前缘和后缘(在某特定S值的等径圆柱面上的前缘圆弧半径为r₂₁和r₁₁，后缘圆弧半径为r₂₂和r₁₂，且r₂₁≤r₂₂、r₁₁≤r₁₂)与压力面、吸力面相切，这样可以大大降低制动级的水力损失。

如图1、图5和图9所示，定子叶片202及转子叶片102均为点投影形成的叶片，每个所述转子叶片的压力面106和吸力面105与经过该转子叶片的等值子午面相交并形成两条第一相贯直线111，所述两条第一相贯直线111相交，其中，位于所述转子中心线113上的交点为第一交点112，所述第一交点112位于转子叶片前缘最高点在转子中心线上的垂直投影点和转子叶片后缘最低点在转子中心线上的垂直投影点之间，且第一交点112是唯一的；每个所述定子叶片的压力面204和吸力面205与经过该定子叶片的等值子午面相交并形成两条第二相贯直线211，所述两条第二相贯直线211相交，其中，位于所述定子中心线213上的交点为第二交点212，所述第二交点212位于定子叶片前缘最高点在定子中心线上的垂直投影点和定子叶片后缘最低点在定子中心线上的垂直投影点之间，且第二交点212是唯一的。

进一步的，如图2、图6所示，定子叶片202的轴向高度沿定子2的径向由内向外逐渐增大，且定子叶片202的轴向高度与其对应等径圆柱面半径成正比；转子叶片102的轴向高度沿转子1的径向由内向外逐渐增大，且转子叶片102的轴向高度与其对应的等径圆柱面半径成正比。

进一步的，如图3、图7所示，定子叶片202的周向厚度沿定子2的径向由内向外逐渐增大，转子叶片102的周向厚度沿转子1的径向由内向外逐渐增大。

进一步的，如图1、图2及图6所示，本实用新型点投影楔子形叶片制动级定子2及转子1的轴向高度为L＝20～60mm；制动级定子外径为D_se＝50～300mm，制动级转子内径为D_ri＝20～200mm。为便于安装和使用，制动级定子的外径D_se与涡轮级定子外径相同，水力制动级转子的内径D_ri与涡轮级转子内径相同。

进一步的，如图1、图2及图6所示，点投影楔子形叶片制动级转子叶冠103的内圆环通道及定子本体201的内圆周壁构成流体流道。转子叶冠103的内圆周直径D_r1等于定子本体201的内圆周直径D_s1，即该定转子组合的流道外径D₁＝D_r1＝D_s1；转子本体101的凸台104外圆周直径D_r2等于定子叶冠203的外圆周直径D_s2，即该定转子组合的流道内径D₂＝D_r2＝D_s2；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；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＝5.0～100.0mm。

进一步的，如图3和图7所示，点投影楔子形叶片制动级定子叶片202的叶片个数n₂与转子叶片101的叶片个数n₁分别为n₁＝10～60个，n₂＝10～60个，以满足不同工况需求。

进一步的，如图4和图8所示，点投影楔子形叶片制动级定子叶片202及转子叶片102都是通过点投影生成的，且定子叶片202安装角β_l2与转子叶片102安装角β_l1相等，取值范围10°≤β_l1＝β_l2≤90°。转子叶冠103的轴向高度为L₁，定子叶冠203轴向高度为L₂，即L₁＝8～20mm、L₂＝8～20mm；转子叶片102的轴向高度为H₁，H₁＝7～19mm、定子叶片202的轴向高度为H₂，H₂＝7～19mm；转子叶片102压力面106与吸力面105之间的夹角为定子叶片202压力面204与吸力面205之间的夹角为相邻两个定子叶片202之间的节距t₂或相邻两个转子叶片101之间的节距t₁分别为t₁＝3.0～10.0mm，t₂＝3.0～10.0mm,节距t₁与节距t₂可以取不同值。

进一步的，如图5和图9所示，所述定子叶片202或转子叶片102与值为0.5的等值子午面相切，叶片压力面和吸力面与某一等值子午面相交形成两条相惯线，且两条相惯线的延长线与定子或转子轴线相交于同一点，即定子或转子叶片压力面和吸力面与等值子午面的相贯线均指向半径方向。定子叶片202厚度与转子叶片101厚度沿径向逐渐增大。值得指出的是，前述定子叶片和转子叶片的前缘半径、后缘半径、叶片安装角、等径圆柱面、等值子午面的定义为本领域的公知技术，在此不再进行说明。

本实用新型在使用时，点投影楔子形叶片制动级转子1的叶片102等同于定子2的叶片202在轴向的旋转延长(定子叶片与转子叶片的安装角相同)，当水力制动级定转子组合件与涡轮级定转子组合件安装在同一根主轴上，工作液流经定转子组合件时，涡轮级转子旋转而产生扭矩，水力制动级转子被带动旋转。由于制动级定子叶片的倾斜方向与涡轮级定子叶片的倾斜方向是相反的，因此从制动级定子流出的工作液将对制动级转子叶片的旋转起阻碍作用，亦即对涡轮钻具主轴不仅不能产生工作扭矩，而且要消耗扭矩，从而使主轴的转速有所降低。同时，制动级转子转动时有如轴流泵的工作轮，能协助钻井泵对工作液体加压，起到调节系统压力的作用(降低总压降)。

综上所述，本实用新型通过上述结构设计，使得点投影楔子形叶片制动级定转子组合件能降低涡轮钻具转速，使涡轮钻具工作转速区域变窄，提高了涡轮钻具的过载能力。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本实用新型进行解释，以便于能够更好地理解本实用新型，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本实用新型的限制，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

1.一种点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，包括同轴套装的定子和转子，所述定子与所述转子的中心线共线；所述定子包括同轴设置的圆筒状定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，所述转子包括同轴设置的圆筒状转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁同轴套装，其特征在于：所述定子叶片和所述转子叶片呈宽度由上至下及由叶底至叶顶逐渐增大的楔形，若干个所述定子叶片沿周向倾斜设置于所述定子叶冠外壁至所述定子本体内壁之间；若干个所述转子叶片沿周向倾斜设置于所述转子本体外壁至所述转子叶冠内壁之间。

2.如权利要求1所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其特征在于：所述定子叶片中心线和转子叶片中心线在等径圆柱面上的展开线均为直线，该直线与通过定子和转子的等值子午面形成倾斜角；在同一等径圆柱面上的所述定子叶片的倾斜角与所述转子叶片的倾斜角，大小相等。

3.如权利要求1或2所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其特征在于：在同一等径圆柱面上的定子叶片倾斜角与转子叶片倾斜角，方向相同；在不同等径圆柱面上的定子叶片倾斜角或转子叶片倾斜角，沿径向大小相等。

4.如权利要求1或2所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其特征在于：每个所述转子叶片的压力面和吸力面与经过该转子叶片的等值子午面相交并形成两条第一相贯直线，所述两条第一相贯直线相交，其中，位于所述转子中心线上的交点为第一交点，所述第一交点位于转子叶片前缘最高点在转子中心线上的垂直投影点和转子叶片后缘最低点在转子中心线上的垂直投影点之间，且该第一交点是唯一的；每个所述定子叶片的压力面和吸力面与经过该定子叶片的等值子午面相交并形成两条第二相贯直线，所述两条第二相贯直线相交，其中，位于所述定子中心线上的交点为第二交点，所述第二交点位于定子叶片前缘最高点在定子中心线上的垂直投影点和定子叶片后缘最低点在定子中心线上的垂直投影点之间，且该第二交点是唯一的。

5.如权利要求1或2所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其特征在于：所述定子叶片的轴向高度沿所述定子的径向由内向外逐渐增大，且所述定子叶片的轴向高度与其对应等径圆柱面半径成正比；所述转子叶片的轴向高度沿所述转子的径向由内向外逐渐增大，且所述转子叶片的轴向高度与其对应的等径圆柱面半径成正比。

6.如权利要求1或2所述的点投影楔子形叶片制动级定转子组合件，其特征在于：所述定子叶片的周向厚度沿所述定子的径向由内向外逐渐增大，所述转子叶片的周向厚度沿所述转子的径向由内向外逐渐增大。