RU131790U1 - Турбина турбобура - Google Patents

Abstract

Турбина турбобура, содержащая статор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, ротор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, при этом лопатки статорного венца и роторного венца имеют конструктивные углы, измеренные от плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины, до касательных к профилям лопаток на входе (α- статора и β- ротора) и выходе (α- статора и β- ротора) потока, лопатки турбины выполнены с переменными по их длине конструктивными углами на выходе из статора - αи на выходе из ротора β, при этом углы лопаток αи βна наружном диаметре лопаточного венца меньше, чем те же углы на внутреннем диаметре лопаточного венца, отличающаяся тем, что минимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины Dст.мин составляет на выходе Dст.мин=(0,94÷0,96)Dст.мах, где Dст.мах - максимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины, а максимальный внутренний диаметр Dр.мах проходного сечения ротора турбины составляет на выходе Dр.мах=(1,04-1,06)Dр.мин, где Dр.мин - минимальный наружный диаметр проходного сечения ротора турбины, при этом минимальный и максимальный диаметры проходного сечения статора и ротора турбины сопряжены плавной кривой.

Description

Полезная модель относится к техническим средствам, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно, к исполнению осевой турбины многоступенчатых турбобуров.

Известна турбина турбобура (Патент RU 2322563, МПК Е21В 4/02, опубл. 20.04.2008). Турбина турбобура содержит статоры и роторы с лопаточными венцами, осевая высота которых на 25-30% ниже, чем у турбин с решетками профиля того же типа и быстроходности, относительный шаг которых (отношение шага решетки профилей к хорде лопатки) не выходит за пределы диапазона оптимальных величин 0,65… 0,9, при величинах относительного шага решетки профилей статора и ротора до 0,92… 0,98 и более. Внутренние поверхности лопаточных венцов у статора - большего, у ротора - меньшего диаметров выполнены коническими так, что отношение радиальных высот лопаток на выходе из статора и из ротора к радиальным высотам этих же лопаток на входе в них находится в пределах 0,9-0,65 и тем меньше, чем больше величина относительного шага турбины с пониженной осевой высотой. Турбина обеспечивает повышенную отдачу энергии с единицы осевой длины турбобура, позволяя уменьшить осевую длину турбобура и увеличить его вращающий момент. К недостаткам данной турбины относится, постоянный профиль лопаток по их длине, который обеспечивает безударный режим работы турбины только в каком-либо одном сечении лопаток и не обеспечивает безударный режим в остальных сечениях профиля лопаток, что приводит к повышению гидравлических потерь и снижает КПД турбины.

Известна турбина турбобура (Патент RU 2403366, МПК Е21В 04/02, опубл. 10.11.2010), выбрана за прототип, содержащая статор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, ротор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, при этом лопатки статорного и роторного венцов имеют конструктивные углы, измеренные от плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины, до касательных к профилям лопаток на входе (α₂ - статора и β₁ - ротора) и выходе (α₁ - статора и β₂ - ротора) потока, лопатки турбины выполнены с переменными по их длине конструктивными углами на выходе из статора - α₁ и на выходе из ротора β₂, при этом углы лопаток α₁ и β₂ на наружном диаметре лопаточного венца меньше, чем те же углы на внутреннем диаметре лопаточного венца.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание турбины турбобура с повышенной жесткостью нагрузочной характеристики.

Поставленная задача решается за счет того, что в турбине турбобура, содержащей статор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, ротор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, при этом лопатки статорного и роторного венцов имеют конструктивные углы, измеренные от плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины, до касательных к профилям лопаток на входе (α₂ -статора и β₁ - ротора) и выходе (α₁ - статора и β₂ - ротора) потока, лопатки турбины выполнены с переменными по их длине конструктивными углами на выходе из статора - α₁ и на выходе из ротора β₂, при этом углы лопаток α₁ и β₂ на наружном диаметре лопаточного венца меньше, чем те же углы на внутреннем диаметре лопаточного венца, согласно полезной модели, минимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины Dст.мин составляет на выходе Dст.мин=(0,94÷0,96) Dст.мах, где Dст.мах - максимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины, а максимальный внутренний диаметр Dр.мах проходного сечения ротора турбины составляет на выходе Dр.мах=(1,04÷1.06) Dр.мин, где Dp.мин - минимальный наружный диаметр проходного сечения ротора турбины, при этом минимальный и максимальный диаметры проходного сечения статора и ротора турбины сопряжены плавной кривой.

В отличие от прототипа, выполнение минимального наружного диаметра проходного сечения статора турбины Dст.мин в соотношении на выходе Dcт.мин=(0,94÷0,96)Dст.мах и максимального внутреннего диаметра Dр.мах проходного сечения ротора турбины на выходе Dр.мax=(l,04÷1.06)Dр.мин, где Dp.мин - минимальный наружный диаметр проходного сечения ротора турбины, обеспечивает сужение гидравлического потока на выходе и проявление инжекционного эффекта, за счет чего увеличивается крутящий момент в тормозном режиме турбины. Жесткость нагрузочной характеристики турбобура с такой турбиной повышается, что положительно влияет на показатели бурения. При величинах меньше Dст.мин<0,94 Dст.мах и больше Dр.мах>1.06>Dр.мин растет перепад давления, а при величинах больше Dст.мин>0,96>Dст.мах и меньше Dр.мах<l,04<Dр.мин уменьшается эффект инжекции потока бурового раствора и уменьшается жесткость нагрузочной характеристики.

Сопряжение плавной кривой минимального и максимального наружных диаметров статора и минимального и максимального внутренних диаметров ротора дает уменьшение гидросопротивлений и повышает КПД турбины. Плавный переход и отсутствие излома траектории движения рабочей жидкости обеспечивает снижение гидравлических потерь до минимума и повышение КПД турбины.

На фиг.1 показан разрез турбины турбобура.

На фиг.2 показан разрез статора турбины турбобура с минимальным Dст.мин и максимальным Dст.мах диаметрами проходного сечения лопаточного венца.

На фиг.3 показан разрез ротора турбины турбобура с минимальным Dр.мин и максимальным Dp.мах диаметрами проходного сечения лопаточного венца.

На фиг.4 показан профиль лопаток статорного и роторного венцов по сечениям а-а, b-b с углами α, β на входе и выходе потока.

На фиг.5 показано плавное сопряжение минимального и максимального диаметров проходного сечения лопаточного венца радиусами R1 и R2 (на примере статора).

Турбина (фиг.1) турбобура состоит из набора статоров 1 и роторов 2. Статоры 1 установлены в корпусе 3 турбобура, роторы 2 установлены на валу 4 турбобура. Лопатки статорного венца 5 и лопатки роторного венца 6 (фиг.4) имеют конструктивные углы соответственно α₁ и β₂, которые переменны по длине лопаток.

Турбина турбобура работает следующим образом. Буровой раствор подается с буровой установки через бурильные трубы (на фиг. не показаны) входит в статор 1 турбины по стрелке А (фиг.1) и выходит из него направленным закрученным потоком на ротор 2. Под действием закрученного потока бурового раствора ротор 2 вращается. Таким образом, при работе турбины буровой раствор, выходя из каждого предыдущего статорного венца 5, входит в каждый последующий роторный венец 6, вращает вал 4, который соединен с буровым долотом (не показано), за счет чего производится бурение скважины (не показано). Для максимального повышения КПД профиль лопаток статорного венца 5, роторного венца 6 выполнен с переменным сечением по длине, обеспечивая на рабочей частоте вращения безударный режим по всей длине лопатки.

Лопатки статорного венца 5 и лопатки роторного венца 6 имеют конструктивные углы (фиг.4), измеренные от плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины, до касательных к профилям лопаток на входе (α₂ - статора и β₁ - ротора) и выходе (α₁ - статора и (β₂ - ротора) потока. Как и в прототипе, лопатки турбины выполнены с переменными по их длине конструктивными углами на выходе из статора - α₁ и на выходе из ротора β₂, при этом углы лопаток α₁ и β₂ на наружном диаметре лопаточного венца меньше, чем те же углы на внутреннем диаметре лопаточного венца. Такое конструктивное исполнение повышает КПД турбины. Минимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины Dст.мин в соотношении на выходе Dст.мин=(0,94÷0,96)Dст.мах с максимальным внутренним диаметром Dp.мах проходного сечения ротора турбины на выходе Dp.мах=(l,04÷1.06)Dp.мин обеспечивает сужение гидравлического потока на выходе и проявление инжекционного эффекта, что дает повышение крутящего момента турбины.

Сопряжение максимального и минимального диаметров проходного статора и ротора выполнено по плавной кривой 7 (фиг.5, показано на примере статора), образованной радиусами R₁ и R₂, которые обеспечивают радиальное сжатие потока бурового раствора без значительного роста перепада давления на турбине.

Таким образом, выполнение предлагаемой полезной модели с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет повысить жесткость нагрузочной характеристики и повысить КПД, мощность турбины, устойчивость работы турбобура на забое, при этом механическая скорость бурения растет, производительность и экономическая эффективность бурения увеличиваются.

Claims (1)

1. Турбина турбобура, содержащая статор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, ротор, включающий лопаточный венец с внутренним и наружным диаметрами, при этом лопатки статорного венца и роторного венца имеют конструктивные углы, измеренные от плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины, до касательных к профилям лопаток на входе (α₂ - статора и β₁ - ротора) и выходе (α₁ - статора и β₂ - ротора) потока, лопатки турбины выполнены с переменными по их длине конструктивными углами на выходе из статора - α₁ и на выходе из ротора β₂, при этом углы лопаток α₁ и β₂ на наружном диаметре лопаточного венца меньше, чем те же углы на внутреннем диаметре лопаточного венца, отличающаяся тем, что минимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины Dст.мин составляет на выходе Dст.мин=(0,94÷0,96)Dст.мах, где Dст.мах - максимальный наружный диаметр проходного сечения статора турбины, а максимальный внутренний диаметр Dр.мах проходного сечения ротора турбины составляет на выходе Dр.мах=(1,04-1,06)Dр.мин, где Dр.мин - минимальный наружный диаметр проходного сечения ротора турбины, при этом минимальный и максимальный диаметры проходного сечения статора и ротора турбины сопряжены плавной кривой.

   

Images