RU2322563C1 - Turbodrill turbine - Google Patents
Turbodrill turbine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2322563C1 RU2322563C1 RU2006133635/03A RU2006133635A RU2322563C1 RU 2322563 C1 RU2322563 C1 RU 2322563C1 RU 2006133635/03 A RU2006133635/03 A RU 2006133635/03A RU 2006133635 A RU2006133635 A RU 2006133635A RU 2322563 C1 RU2322563 C1 RU 2322563C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blade
- turbine
- stator
- rotor
- ratio
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Настоящее предлагаемое изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к исполнению главного узла конструкций многоступенчатых турбобуров - осевой турбины.The present invention relates to technical means for drilling oil and gas wells, in particular, to the execution of the main assembly of multistage turbodrills - an axial turbine.
Известны конструкции аксиальных турбин, в которых «пространство, занимаемое рабочим потоком, находится между коаксиальными цилиндрическими (или коническими) поверхностями» (Шумилов П.П. «Турбинное бурение нефтяных скважин, часть 1. Гидромеханическая база турбинного бурения». ОНТИ. НКТП. СССР, Москва 1936, Ленинград, стр.18, §7, рис.2). Здесь рассматривается соотношение радиальных высот лопаток, характеризующее степень радиального сжатия каналов, с точки зрения удовлетворения условиям неразрывности потока и вытекающим из этого требованиям связи коэффициентов сжатия потока в статоре и роторе с конструктивными углами профилей лопаток.Axial turbine designs are known in which “the space occupied by the workflow is between coaxial cylindrical (or conical) surfaces” (Shumilov PP “Turbine drilling of oil wells,
Известна турбина турбобура по патенту РФ на изобретение №1263013, в которой венец, содержащий лопаточный аппарат, имеет параллельные с лопаточным аппаратом перепускные гидравлические каналы, при этом поверхность, ограничивающая вышерасположенный лопаточный аппарат со стороны перепускных каналов, имеет образующую, наклоненную сверху вниз в сторону от перепускных каналов к лопаточному аппарату. В рассматриваемой системе предполагается использование лопаточного аппарата с крутоизогнутым профилем лопаток (высокоциркулятивная турбина), обеспечивающим функциональную зависимость перепада давления на ступени турбины от частоты вращения, в результате чего осуществляется переток части промывочной жидкости по перепускным каналам и снижается разгонная частота вращения турбины.Known turbo-drill turbine according to the RF patent for invention No. 1263013, in which the crown containing the blade apparatus has hydraulic bypass channels parallel to the blade apparatus, while the surface bounding the upstream blade apparatus from the side of the bypass channels has a generatrix inclined from top to bottom from bypass channels to the scapular apparatus. In the system under consideration, it is proposed to use a blade apparatus with a steeply curved profile of the blades (high-circulation turbine), which provides a functional dependence of the pressure drop on the turbine stages on the rotation frequency, as a result of which part of the washing liquid flows over the bypass channels and the acceleration speed of the turbine is reduced.
Известна ступень давления турбины турбобура по патенту РФ на изобретение №2174584, в которой статорный лопаточный венец имеет внутреннюю поверхность большего диаметра, описанную радиусом, центр которого расположен со стороны оси ступени давления. Такое исполнение уменьшает проходную площадь сечения лопаточного венца у выходных кромок его лопаток, что способствует снижению утечки рабочей жидкости в кольцевом зазоре без ободного ротора в условиях работы на растворах, содержащих инертный плакирующий наполнитель.A known pressure stage of a turbo-drill turbine according to the RF patent for invention No. 2174584, in which the stator blade has an inner surface of a larger diameter, described by a radius, the center of which is located on the side of the axis of the pressure stage. This design reduces the passage area of the cross section of the blade rim at the outlet edges of its blades, which helps to reduce leakage of the working fluid in the annular gap without a rim rotor under conditions of work on solutions containing an inert cladding filler.
Как следует из рассмотрения приведенных аналогов, ни в одном из них при достижении поставленной цели не оговаривается возможность выполнения ступени турбины с пониженной осевой высотой, что крайне важно для многоступенчатых турбобуров с точки зрения повышения отдачи энергии с единицы осевой длины. Однако вышеприведенные конструктивные решения осевых турбин выбраны в качестве аналогов настоящего предлагаемого изобретения потому, что в них задействован принцип радиального сжатия потока, реализация которого в нашем случае дает новое положительное качество. При этом необходимо отметить, что ни в одном из приведенных источников нет указаний на какие-либо принципиально конкретные соотношения геометрических параметров, характеризующих радиальное сжатие межлопаточного канала, за исключением качественного определения местоположения основных его элементов.As follows from the consideration of the above analogues, in none of them, when achieving this goal, the possibility of performing a turbine stage with a reduced axial height is stipulated, which is extremely important for multistage turbodrills from the point of view of increasing energy transfer from a unit of axial length. However, the above design solutions of axial turbines are selected as analogues of the present invention because they involve the principle of radial flow compression, the implementation of which in our case gives a new positive quality. It should be noted that none of the sources cited indicates any fundamentally specific correlation of geometric parameters characterizing the radial compression of the interscapular channel, with the exception of a qualitative determination of the location of its main elements.
Известен шпиндельный секционный турбобур по патенту РФ на полезную модель №26586, в котором турбина с решеткой профилей лопаточного аппарата выполнена с лопатками статора и ротора, установленными таким образом, что величина относительного шага решетки (отношение шага решетки к хорде профиля лопатки) выбирается в пределах t'=0,92...0,98, причем эта величина тем больше, чем выше быстроходность турбины, а осевая высота решетки профилей лопаточного аппарата на 25...30% меньше, чем у стандартных турбин с решетками профилей того же типа и быстроходности. Принимается за прототип.Known spindle sectional turbo-drill according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 2658, in which a turbine with a lattice of blade profiles is made with stator and rotor blades installed in such a way that the relative lattice pitch (ratio of the lattice pitch to the blade profile chord) is selected within t '= 0.92 ... 0.98, and this value is greater, the higher the speed of the turbine, and the axial height of the lattice profiles of the blade apparatus is 25 ... 30% less than standard turbines with lattice profiles of the same type and fleet speed. It is taken as a prototype.
Определенные ограничения, связанные с условиями эксплуатации такой турбины, а именно требования к плотности рабочей жидкости и быстроходности самой турбины, снижают эффективность ее применения. В то же время требование выполнения достаточно высокой величины относительного шага решетки профилей турбины при снижении ее осевой высоты, связанное с необходимостью сохранения допустимой величины межлопаточного канала в условиях работы на грязных промывочных жидкостях (наличие шлама в буровом растворе), находится в противоречии с требованием сохранения оптимальной величины относительного шага решетки профилей, которая как известно («М.Т.Гусман и др. «Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров». М., «Недра», 1976. Стр.130, рис.63) находится в пределах t'=0,65...0,90.Certain restrictions associated with the operating conditions of such a turbine, namely the requirements for the density of the working fluid and the speed of the turbine itself, reduce its efficiency. At the same time, the requirement to fulfill a sufficiently high value of the relative step of the lattice of the turbine profiles while decreasing its axial height, which is associated with the need to maintain the permissible value of the interscapular channel under conditions of operation on dirty flushing fluids (the presence of cuttings in the drilling fluid), is in contradiction with the requirement to maintain the optimal values of the relative step of the profile lattice, which is known (“M.T.Gusman and others.“ Calculation, design and operation of turbodrills. ”M.,“ Nedra ”, 1976. P. 130, Fig. 63) on oditsya within t '= 0,65 ... 0,90.
Снижение относительного шага решетки при уменьшении осевой высоты ступени опасно с точки зрения возможности зашламления турбины, а увеличение относительного шага решетки (при сохранении шага уменьшенной по высоте решетки как в прототипе) приводит в общем случае к снижению окружной скорости и вращающего момента турбины, т.е. к снижению энергетических параметров турбобура в целом.A decrease in the relative step of the grate while decreasing the axial height of the stage is dangerous from the point of view of the possibility of clogging up the turbine, and an increase in the relative step of the grate (while maintaining the step reduced in height of the grate as in the prototype) generally leads to a decrease in the peripheral speed and torque of the turbine, i.e. . to reduce the energy parameters of the turbodrill as a whole.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание турбинного привода долота для бурения скважин, характеризующегося повышенной по сравнению с серийными турбобурами отдачей энергии с единицы осевой длины как минимум на 25-30%.The technical task of the invention is the creation of a turbine drive bit for drilling wells, characterized by increased compared with serial turbodrills energy transfer from a unit axial length of at least 25-30%.
Решение технической задачи достигается тем, что турбина турбобура, содержащая 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 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, характеризуется тем, что 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.The solution to the technical problem is achieved by the fact that the turbo-drill turbine contains stators and rotors with blade crowns, the axial height of which is 25-30% lower than turbines with grilles of the profile of the same type and speed, the relative pitch of which does not fall outside the range of optimal values (0.65 ... 0.9), with the values of the relative step of the lattice of the stator and rotor profiles up to 0.92 ... 0.98 or more, it is characterized by the fact that the inner surfaces of the blade crowns at the stator are larger, at the rotor - smaller diameters are conical so that radial height of the vanes at the outlet of the stator and the rotor to the radial height of the vanes at the inlet of which is in the range 0.9 ... 0.65, and the smaller, the larger the relative step turbine with reduced axial height.
Сущность изобретения заключается в том, что в новой турбине пониженная высота ступени сочетается с оптимальным относительным шагом решетки. Турбина выполняется с нормальным с точки зрения «прозрачности» лопаточным аппаратом, как обычные серийные турбины, и, имея пониженную высоту, обеспечивает возможность размещения в тех же осевых габаритах турбобура значительно большего числа ступеней, что соответственно позволяет увеличить выходную мощность и момент вращения. При этом форма лопаток и все геометрические параметры ступени не предъявляют каких-либо существенных дополнительных требований к технологии изготовления турбин.The essence of the invention lies in the fact that in a new turbine, a reduced step height is combined with an optimal relative grid pitch. The turbine is carried out with a normal vane apparatus in terms of “transparency”, like conventional serial turbines, and, having a reduced height, makes it possible to place a significantly larger number of stages in the same axial dimensions of the turbodrill, which accordingly allows to increase the output power and torque. Moreover, the shape of the blades and all the geometric parameters of the stage do not impose any significant additional requirements on the technology for manufacturing turbines.
В разреженном лопаточном аппарате новой турбины уменьшенной осевой высоты ухудшение отклоняющей способности разреженного лопаточного венца (и статора, и ротора) компенсируется местным увеличением осевой скорости потока на выходе лопаток в допустимых пределах (не приводящих к ухудшению кпд турбины) за счет регламентируемого сжатия потока.In a rarefied blade apparatus of a new turbine with a reduced axial height, the deterioration of the deflecting ability of a rarefied blade blade (both the stator and rotor) is compensated by a local increase in the axial flow velocity at the blade outlet within acceptable limits (not leading to a deterioration in turbine efficiency) due to the regulated flow compression.
Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено следующее:The invention is illustrated by figures, which depict the following:
Фиг.1 - продольное сечение турбобура (фрагмент);Figure 1 is a longitudinal section of a turbodrill (fragment);
Фиг.2 - решетки профилей статора и ротора;Figure 2 - lattice profiles of the stator and rotor;
Фиг.3 - фрагмент решетки профилей;Figure 3 - fragment lattice profiles;
Фиг.4 - треугольники скоростей.Figure 4 - triangles of speeds.
В корпусе 1 и на валу 2 турбобура размещены соответственно статоры 3 и роторы 4 осевой многоступенчатой турбины (Фиг.1). Лопаточные венцы статора и ротора содержат лопатки соответственно 5 и 6, решетки профилей которых (Фиг.2) характеризуются выходными α1 и входными α2 углами лопаток статора, входными β1 и выходными β2 углами лопаток ротора, высотами проточной части венцов статора hст и ротора hрт, хордами профиля лопаток статора bст и ротора bрт (отрезки, соединяющие входные и выходные кромки лопаток) и углами их наклона соответственно γст и γрт к плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины. Шаг решетки профиля - расстояние между соседними лопатками статора tст и ротора tрт.In the
Конструктивными параметрами статора и ротора являются также (Фиг.3): средний (расчетный) диаметр турбины D, радиальные высоты лопаток статора на входе в статор l2ст и на выходе из статора l1ст, то же для входа на лопатки ротора l1pт и на выходе из ротора l2рт. Внутренние поверхности 7 большего диаметра венцов статора и внутренние поверхности 8 меньшего диаметра венцов ротора, имея коническую форму, плавно (монотонно) уменьшают живые сечения проточных частей статоров и роторов от входа в лопаточные аппараты до выхода из них. При этом соотношение радиальных высот на выходе из лопаточного аппарата как статора, так и ротора к радиальным высотам на входе (l1ст/l2ст и l2рт/l1рт) находится в пределах 0,9...0,65 и тем меньше, чем больше величина относительного шага турбины с пониженной осевой высотой.The structural parameters of the stator and rotor are also (Figure 3): the average (calculated) diameter of the turbine D, the radial heights of the stator blades at the inlet of the stator l 2st and at the exit of the stator l 1st , the same for the entrance to the rotor blades l 1pt and exit from the rotor l 2rt . The inner surfaces 7 of the larger diameter of the crowns of the stator and the inner surfaces 8 of the smaller diameter of the crowns of the rotor, having a conical shape, smoothly (monotonously) reduce the living sections of the flowing parts of the stators and rotors from the entrance to the vanes to exit them. The ratio of the radial height at the outlet from the blading as the stator and rotor to the inlet radial height (l 1st Class / l and l 2pm 2st / l 1rt) is in the range 0.9 ... 0.65, and the smaller the the larger the relative pitch of the turbine with a reduced axial height.
Работа турбиныTurbine operation
Практикой конструирования турбин турбобуров установлено, что относительный шаг турбины имеет оптимальный диапазон значений (0,65...0,9), при которых энергетические параметра турбины и ее кпд не изменяются.The practice of designing turbo-drill turbines has established that the relative step of the turbine has an optimal range of values (0.65 ... 0.9) at which the energy parameters of the turbine and its efficiency do not change.
Известно также, что изменение осевой высоты решетки влечет необходимость изменения ее шага, т.е. уменьшение осевой высоты требует уменьшить шаг решетки, увеличить количество лопаток и тем самым запустить решетку до опасных с точки зрения ее зашламляемости значений.It is also known that a change in the axial height of the lattice entails the need to change its pitch, i.e. decreasing the axial height requires decreasing the grid pitch, increasing the number of blades and thereby starting the grid to dangerous values from the point of view of its sludge content.
Если выйти за пределы допустимых значений относительного шага, исходя из условия постоянства шага или выполнения его таким, при котором опасность зашламления решетки сводится к минимуму, т.е. увеличить относительный шаг решетки, то возникает опасность провала потока в лопаточном аппарате, снижения кпд турбины. Как следует из полигонов скоростей (Фиг.4), увеличенный межлопаточный канал при относительном шаге больше оптимального вызывает отклонение скорости C' 1 на выходе из статора от расчетной, задаваемой конструктивными углами лопатки скорости C1, что приводит к снижению рабочей частоты вращения (U'опт) и величины вращающего момента. Прокачиваемый через турбину расход рабочей жидкости Q определяет величину осевой скорости Cz=Q/πcDlχ, гдеIf we go beyond the permissible values of the relative step, proceeding from the condition that the step is constant or if it is carried out in such a way that the risk of grating contamination is minimized, i.e. If the relative lattice pitch is increased, then there is a danger of a dip in the flow in the scapular apparatus and a decrease in turbine efficiency. As follows from the speed polygons (Figure 4), an increased interscapular channel with a relative pitch more than optimal causes a deviation of the speed C ' 1 at the exit of the stator from the calculated speed specified by the design angles of the blade of the blade C 1 , which leads to a decrease in the operating speed (U' wholesale ) and the magnitude of the torque. The flow rate of the working fluid Q pumped through the turbine determines the axial velocity value C z = Q / πcDlχ, where
D - средний (расчетный) диаметр турбины;D is the average (calculated) diameter of the turbine;
l - минимальная радиальная длина лопатки;l is the minimum radial length of the blade;
χ - коэффициент стеснения проточной части лопаток. Снижение величин l на выходе из решетки путем выполнения конических поверхностей статора и ротора определяет повышение осевой скорости Cz до такой величины C'z, при которой вектор C''1 обеспечивает восстановление первоначально заданной скорости (Uопт) и соответственно вращающего момента, равного вращающему моменту исходной турбины.χ - coefficient of tightness of the flowing part of the blades. The decrease in the values of l at the exit from the grating by means of the conical surfaces of the stator and rotor determines an increase in the axial speed C z to a value C ' z at which the vector C'' 1 ensures the restoration of the initially specified speed (U opt ) and, accordingly, a torque equal to the torque the moment of the initial turbine.
Аналогичный процесс имеет место в роторе при восстановлении заданной рабочей характеристики.A similar process takes place in the rotor when restoring a given operating characteristic.
Предлагаемая турбина применима для использования в современных конструкциях многоступенчатых турбобуров, обеспечивая повышенную отдачу энергии с единицы осевой длины турбобура, позволяя либо на 25...30% снизить осевую длину турбобура, либо на столько же увеличить его вращающий момент. При этом изготовление и использование предлагаемой турбины не привносит дополнительных по сравнению с серийными турбобурами сложностей в технологию ее производства и обслуживание.The proposed turbine is applicable for use in modern designs of multi-stage turbodrills, providing increased energy transfer from a unit of the axial length of the turbodrill, allowing either 25 ... 30% to reduce the axial length of the turbodrill, or increase its torque by the same amount. At the same time, the manufacture and use of the proposed turbine does not introduce additional difficulties as compared to serial turbodrills in the technology of its production and maintenance.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006133635/03A RU2322563C1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Turbodrill turbine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006133635/03A RU2322563C1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Turbodrill turbine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2322563C1 true RU2322563C1 (en) | 2008-04-20 |
Family
ID=39454061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006133635/03A RU2322563C1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Turbodrill turbine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2322563C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104454024A (en) * | 2014-10-22 | 2015-03-25 | 西南石油大学 | Multi-level centripetal turbine type turbine section |
| CN109763781A (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-17 | 西南石油大学 | A kind of high-efficient pressurizing speed-raising well system for complicated bad ground |
-
2006
- 2006-09-21 RU RU2006133635/03A patent/RU2322563C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104454024A (en) * | 2014-10-22 | 2015-03-25 | 西南石油大学 | Multi-level centripetal turbine type turbine section |
| CN109763781A (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-17 | 西南石油大学 | A kind of high-efficient pressurizing speed-raising well system for complicated bad ground |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2309297C2 (en) | Wheel for submersible pump | |
| US6854517B2 (en) | Electric submersible pump with specialized geometry for pumping viscous crude oil | |
| RU2479746C2 (en) | Hydraulic machine impeller, hydraulic machine containing such impeller, and energy conversion plant equipped with such hydraulic machine | |
| CN1034525C (en) | Impulse turbine with drum rotor, and improvements to such turbines | |
| US9631518B2 (en) | Exhaust diffuser and method for manufacturing an exhaust diffuser | |
| EP2317077A2 (en) | Turbine airfoil-sidewall integration | |
| CN105473823A (en) | Blade or vane arrangement for a gas turbine engine | |
| RU2322563C1 (en) | Turbodrill turbine | |
| RU2244164C1 (en) | Multistage submerged axial pump | |
| US7448455B2 (en) | Turbodrill with asymmetric stator and rotor vanes | |
| WO2013026666A1 (en) | Exhaust diffuser and method for manufacturing an exhaust diffuser | |
| Lugovaya et al. | Revisited designing of intermediate stage guide vane of centrifugal pump | |
| RU63468U1 (en) | STEP OF SUBMERSIBLE MULTISTAGE CENTRIFUGAL PUMP | |
| CN103939008B (en) | Line projection's blade activation level rotor composite member | |
| WO2023284483A1 (en) | Centrifugal pump | |
| EP3168416B1 (en) | Gas turbine | |
| RU102662U1 (en) | TURBINE TURBO DRILL | |
| RU2403366C1 (en) | Turbine of turbodrill | |
| US11781556B2 (en) | High energy density turbomachines | |
| RU2269631C1 (en) | Turbodrill turbine | |
| RU178527U1 (en) | CENTRIFUGAL COMPRESSOR OPERATING WHEEL | |
| RU2614709C1 (en) | Low-pressure compressor of gas turbine engine of aviation type | |
| RU2249728C2 (en) | Centrifugal multistage pump | |
| RU2256081C1 (en) | Axial-flow turbine stage and multi-stage turbine | |
| RU204975U1 (en) | Multistage centrifugal pump |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190922 |