CN103334864A

CN103334864A - 一种具有水力制动级定转子组件的涡轮马达

Info

Publication number: CN103334864A
Application number: CN2013102692943A
Authority: CN
Inventors: 谭春飞
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明公开了一种具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，包括涡轮定转子组件和水力制动级定转子组件、涡轮主轴及涡轮壳体，所述涡轮定转子组件由多个沿轴向顺序排列的涡轮定转子单元构成，所述水力制动级定转子组件由多个沿轴向顺序排列的水力制动级定转子单元构成，每个所述涡轮定转子单元包括同轴套装的涡轮转子和涡轮定子，每个所述水力制动级定转子单元包括同轴套装的水力制动级转子和水力制动级定子，所述涡轮定转子组件和所述水力制动级定转子组件沿轴向相邻接，且各所述涡轮转子和各所述水力制动级转子分别固装于所述涡轮主轴上。本发明具有空转转速和工作转速低、过载能力强、工作稳定、寿命长和涡轮钻井行程进尺多的优点。

Description

一种具有水力制动级定转子组件的涡轮马达

技术领域

本发明涉及石油、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马达，尤其是一种具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，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，涡轮钻井行程进尺和纯钻时间比转盘钻井低很多。研究表明：一定数量水力制动级定转子组合件与一定数量涡轮定转子组合件装配在一起可以显著降低涡轮钻具整机的空转转速及工作转速，提高涡轮马达的过载能力和工作平稳性，较大程度提高涡轮钻具的工作寿命和涡轮钻井进尺。

目前国内没有具水力制动级定转子的涡轮钻具钻井矿场实践。

鉴于上述现有涡轮钻井技术存在的缺点，本发明专利发明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，以期实现一种空转转速和工作转速低、过载能力强、工作稳定、寿命长和涡轮钻井行程进尺多的涡轮钻具。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、空转转速和工作转速低、过载能力强、工作稳定、寿命长和涡轮钻井行程进尺多的具有水力制动级定转子组件的涡轮马达。

为达到上述目的，本发明提出一种具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，包括涡轮定转子组件和水力制动级定转子组件、涡轮主轴及涡轮壳体，所述涡轮定转子组件由多个沿轴向顺序排列的涡轮定转子单元构成，所述水力制动级定转子组件由多个沿轴向顺序排列的水力制动级定转子单元构成，每个所述涡轮定转子单元包括同轴套装的涡轮转子和涡轮定子，每个所述水力制动级定转子单元包括同轴套装的水力制动级转子和水力制动级定子，所述涡轮定转子组件和所述水力制动级定转子组件沿轴向相邻接，且各所述涡轮转子和各所述水力制动级转子分别固装于所述涡轮主轴上。

如上所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其中，所述涡轮定转子单元的涡轮转子包括圆筒状的涡轮转子本体、若干个涡轮转子叶片和圆环状涡轮转子叶冠，所述若干个涡轮转子叶片沿所述涡轮转子本体的外圆周表面均匀布设，所述涡轮转子叶冠套接于所述涡轮转子叶片的外缘；所述涡轮定子包括圆筒状的涡轮定子本体、若干个涡轮定子叶片和圆环状涡轮定子叶冠，所述若干个涡轮定子叶片沿所述涡轮定子本体的内圆周表面均匀布设，所述涡轮定子叶冠的外壁与所述涡轮定子叶片的内缘相连接，所述涡轮定子叶冠的内壁与所述涡轮转子本体外壁同轴套合，所述涡轮转子叶片与所述涡轮定子叶片相对于所述涡轮转子和所述涡轮定子的中心轴倾斜设置，且所述涡轮转子叶片与所述涡轮定子叶片的倾斜方向相反。

如上所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其中，所述水力制动级定转子单元的所述水力制动级转子包括圆筒状的水力制动级转子本体、若干个水力制动级转子叶片和圆环状水力制动级转子叶冠，所述若干个水力制动级转子叶片沿所述水力制动级转子本体的外圆周表面均匀布设，所述水力制动级转子叶冠套接于所述水力制动级转子叶片的外缘；所述水力制动级定子包括圆筒状的水力制动级定子本体、若干个水力制动级定子叶片和圆环状水力制动级定子叶冠，所述若干个水力制动级定子叶片沿所述水力制动级定子本体的内圆周表面均匀布设，所述水力制动级定子叶冠的外壁与所述水力制动级定子叶片的内缘相连接；所述水力制动级定子叶冠的内壁与所述水力制动级转子本体外壁同轴套合，所述水力制动级定子叶片及所述水力制动级转子叶片的叶型均为直叶片，且所述水力制动级定子叶片中心线及所述水力制动级转子叶片中心线分别与垂直于所述水力制动级转子及水力制动级定子的轴线的平面形成倾角，所述水力制动级定子叶片倾角与所述水力制动级转子叶片的倾角大小相等，方向相同。

如上所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其中，所述涡轮定转子组件位于所述水力制动级定转子组件的上方或下方。

如上所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其中，所述涡轮定转子组件的级数为50～300级，所述水力制动级定转子组件的级数为10～200级。

如上所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其中，所述涡轮壳体由多个涡轮节壳体通过螺纹串接而成。

如上所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其中，所述涡轮主轴由多个涡轮节主轴通过螺纹或花键串接而成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

与无水力制动级的涡轮马达相比，具水力制动级的涡轮马达具有空转转速和工作转速低、过载能力强、工作稳定、寿命长和涡轮钻井行程进尺多的特点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为本发明具水力制动级定转子的涡轮马达实施例一的结构示意图；

图2为本发明具水力制动级定转子的涡轮马达的扭矩～转速特性曲线；

图3为本发明实施例一的涡轮级定转子单元剖面结构；

图3-1为本发明实施例一的涡轮定子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图；

图3-2为本发明实施例一的涡轮转子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图；

图4为本发明实施例一的涡轮级转子立体结构示意图；

图5为本发明实施例一的涡轮级定子立体结构示意图；

图6为本发明实施例一的水力制动级定转子单元剖面结构；

图6-1为本发明实施例一的水力制动级定子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图；

图6-2为本发明实施例一的水力制动级转子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图；

图7为本发明实施例一的水力制动级转子立体结构示意图；

图8为本发明实施例一的水力制动级定子立体结构示意图；

图9为本发明具水力制动级定转子的涡轮马达实施例二的结构示意图。

附图标记说明：

100-涡轮定转子组件；110-涡轮定转子单元；1-涡轮转子；101-涡轮转子本体；102-涡轮转子叶片；103-涡轮转子叶冠；

2-涡轮定子；201-涡轮定子本体；202-涡轮定子叶片；203-涡轮定子叶冠；

300-水力制动级定转子组件；310-水力制动级定转子单元；3-水力制动级转子；301-水力制动级转子本体；302-水力制动级转子叶片；303-水力制动级转子叶冠；

4-水力制动级定子；401-水力制动级定子本体；402-水力制动级定子叶片；403-水力制动级定子叶冠；

5-涡轮主轴；

6-涡轮壳体；

I-涡轮马达无水力制动级时的扭矩～转速特性曲线；

II-涡轮马达水力制动级的阻力矩～转速特性曲线；

III-涡轮马达具水力制动级时的扭矩～转速特性曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例一

请参考图1至图8，为本发明具有水力制动级定转子组件的涡轮马达实施例一的结构示意图。

如图1所示，本发明提出的具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，包括涡轮定转子组件100(简称涡轮级)、水力制动级定转子组件200(简称水力制动级)、涡轮主轴5及涡轮壳体6，涡轮定转子组件100由多个沿轴向顺序排列的涡轮定转子单元110构成，水力制动级定转子组件300由多个沿轴向顺序排列的水力制动级定转子单元310构成，每个涡轮定转子单元110包括同轴套装的涡轮转子1和涡轮定子2，每个水力制动级定转子单元310包括同轴套装的水力制动级转子3和水力制动级定子4，涡轮定转子组件100与水力制动级定转子组件300沿轴向相邻接，且各涡轮转子1和各水力制动级转子3分别固装于涡轮主轴5上。

如图2所示，曲线I代表涡轮马达无水力制动级时的扭矩～转速特性曲线，曲线II代表水力制动级的阻力矩～转速特性曲线，曲线III即为具有水力制动级涡轮马达主轴实际输出的扭矩～转速特性曲线，可由涡轮级产生的扭矩与水力制动级产生的阻力矩的几何和简单确定。可以看出，具有水力制动级的涡轮马达的空转转速n′_max与无水力制动级的涡轮马达的空转转速n_max相比有较大幅度降低(降低幅度与水力制动级定转子的级数成正比)，即涡轮马达的过载能力

提高了；具有水力制动级的涡轮马达空转时(n＝n′_max)涡轮级产生的扭矩M_I与水力制动级产生的阻力矩M_II大小相等，符号相反，涡轮马达主轴实际扭矩为0；具有水力制动级的涡轮马达制动时(n＝0)涡轮级产生的扭矩M_I＝M_max，水力制动级产生的阻力矩M_II＝0，涡轮马达主轴实际扭矩最大，为M_max。具有水力制动级的涡轮马达可以在

至

范围内的转速下稳定工作。

进一步的，如图1、3、4、5所示，涡轮定转子单元110的涡轮转子1包括圆筒状的涡轮转子本体101、若干个涡轮转子叶片102和圆环状涡轮转子叶冠103，若干个涡轮转子叶片102沿涡轮转子本体101的外圆周表面均匀布设，涡轮转子叶冠103套接于涡轮转子叶片102的外缘；涡轮定子2包括圆筒状的涡轮定子本体201、若干个涡轮定子叶片202和圆环状涡轮定子叶冠203，若干个涡轮定子叶片202沿涡轮定子本体201的内圆周表面均匀布设，涡轮定子叶冠203的外壁与涡轮定子叶片202的内缘相连接，涡轮定子叶冠203的内壁与涡轮转子本体101外壁同轴套合，涡轮转子叶片102与涡轮定子叶片202呈叶片状，即叶栅形，涡轮转子叶片102与涡轮定子叶片202呈叶片相对于涡轮转子和所述涡轮定子的中心轴AA’倾斜设置，且涡轮转子叶片102与涡轮定子叶片202的倾斜方向相反。

进一步的，如图1、3、4、5所示，涡轮定子2的外径与水力制动级定子4的外径相同，涡轮定转子组件100中的涡轮定子2和水力制动级定转子组件300中的水力制动级定子4依次固定在同一涡轮壳体6内；涡轮转子1的内径与水力制动级转子2的内径相同，涡轮定转子组件100中的涡轮转子1和水力制动级定转子组件300中的水力制动级转子3依次固定在同一涡轮主轴5上。

进一步的，如图6、7、8所示，水力制动级定转子单元310的水力制动级转子3包括圆筒状的水力制动级转子本体301、若干个水力制动级转子叶片303和圆环状水力制动级转子叶冠303，若干个水力制动级转子叶片303沿水力制动级转子本体301的外圆周表面均匀布设，水力制动级转子叶冠303套接于水力制动级转子叶片303的外缘。水力制动级定子4包括圆筒状的水力制动级定子本体401、若干个水力制动级定子叶片402和圆环状水力制动级定子叶冠403，若干个水力制动级定子叶片402沿水力制动级定子本体401的内圆周表面均匀布设，水力制动级定子叶冠403的外壁与水力制动级定子叶片402的内缘相连接。水力制动级定子叶冠403的内壁与水力制动级转子本体301外壁同轴套合，水力制动级定子叶片402及水力制动级转子叶片302的叶型均为直叶片，且水力制动级定子叶片402中心线及水力制动级转子叶片302中心线分别与垂直于水力制动级转子3及水力制动级定子4的轴线的平面形成倾角(即安装角)，水力制动级定子叶片402倾角β₂与水力制动级转子叶片302的倾角大小β₁相等，方向相同。

在本发明中，由于水力制动级转子叶片302与水力制动级定子叶片402的安装角相同，水力制动级转子3的叶片302相当于水力制动级定子4的叶片402的延长，当水力制动级定转子3与涡轮定转子1安装在同一根主轴5上，工作液流经涡轮定转子组件100时，涡轮转子1旋转而产生扭矩，水力制动级转子3被带动旋转。由于水力制动级定子叶片402的倾斜方向与涡轮定子叶片202或涡轮转子叶片102的倾斜方向是相反的，因此从水力制动级定子4流出的工作液将对水力制动级转子叶片302的旋转起阻碍作用，亦即对涡轮主轴5不仅不能产生工作扭矩，而且要消耗扭矩，从而使涡轮主轴5的转速有所降低。同时，水力制动级转子3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。

在本实施例中，涡轮定转子组件100位于水力制动级定转子组件300上方，涡轮定转子组件100的级数为200级，水力制动级定转子组件300的级数为50级，具有水力制动级定转子组件的涡轮马达的空转转速n′_max降低为无水力制动级的涡轮马达的空转转速n_max的72.7％～80％。

另外，涡轮定子2和水力制动级定子4依次固定在同一涡轮壳体6内，或不同涡轮节壳体内，涡轮壳体6由多个涡轮节壳体通过螺纹串接而成。涡轮级转子1和水力制动级转子3依次固定在同一涡轮主轴5上，或不同涡轮主轴上，涡轮主轴5由多个涡轮节主轴通过螺纹或花键等连接方式串接而成。

综上所述，本发明通过上述结构设计，使得具水力制动级的涡轮马达空转转速和工作转速低、制动扭矩不变、过载能力提高，因而工作稳定性提高，工作寿命延长，涡轮钻井行程钻速提高，能扩大涡轮钻井的应用范围。

实施例二

请参考图9，为本发明具水力制动级定转子的涡轮马达实施例二的结构示意图。如图9所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，涡轮定转子组件100位于水力制动级定转子组件300下方。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，包括涡轮定转子组件和水力制动级定转子组件、涡轮主轴及涡轮壳体，其特征在于：所述涡轮定转子组件由多个沿轴向顺序排列的涡轮定转子单元构成，所述水力制动级定转子组件由多个沿轴向顺序排列的水力制动级定转子单元构成，每个所述涡轮定转子单元包括同轴套装的涡轮转子和涡轮定子，每个所述水力制动级定转子单元包括同轴套装的水力制动级转子和水力制动级定子，所述涡轮定转子组件和所述水力制动级定转子组件沿轴向相邻接，且各所述涡轮转子和各所述水力制动级转子分别固装于所述涡轮主轴上。

2.如权利要求1所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其特征在于：所述涡轮定转子单元的涡轮转子包括圆筒状的涡轮转子本体、若干个涡轮转子叶片和圆环状涡轮转子叶冠，所述若干个涡轮转子叶片沿所述涡轮转子本体的外圆周表面均匀布设，所述涡轮转子叶冠套接于所述涡轮转子叶片的外缘；所述涡轮定子包括圆筒状的涡轮定子本体、若干个涡轮定子叶片和圆环状涡轮定子叶冠，所述若干个涡轮定子叶片沿所述涡轮定子本体的内圆周表面均匀布设，所述涡轮定子叶冠的外壁与所述涡轮定子叶片的内缘相连接，所述涡轮定子叶冠的内壁与所述涡轮转子本体外壁同轴套合，所述涡轮转子叶片与所述涡轮定子叶片相对于所述涡轮转子和所述涡轮定子的中心轴倾斜设置，且所述涡轮转子叶片与所述涡轮定子叶片的倾斜方向相反。

3.如权利要求1或2所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其特征在于：所述水力制动级定转子单元的所述水力制动级转子包括圆筒状的水力制动级转子本体、若干个水力制动级转子叶片和圆环状水力制动级转子叶冠，所述若干个水力制动级转子叶片沿所述水力制动级转子本体的外圆周表面均匀布设，所述水力制动级转子叶冠套接于所述水力制动级转子叶片的外缘；所述水力制动级定子包括圆筒状的水力制动级定子本体、若干个水力制动级定子叶片和圆环状水力制动级定子叶冠，所述若干个水力制动级定子叶片沿所述水力制动级定子本体的内圆周表面均匀布设，所述水力制动级定子叶冠的外壁与所述水力制动级定子叶片的内缘相连接；所述水力制动级定子叶冠的内壁与所述水力制动级转子本体外壁同轴套合，所述水力制动级定子叶片及所述水力制动级转子叶片的叶型均为直叶片，且所述水力制动级定子叶片中心线及所述水力制动级转子叶片中心线分别与垂直于所述水力制动级转子及水力制动级定子的轴线的平面形成倾角，所述水力制动级定子叶片倾角与所述水力制动级转子叶片的倾角大小相等，方向相同。

4.如权利要求1所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其特征在于：所述涡轮定转子组件位于所述水力制动级定转子组件的上方或下方。

5.如权利要求1所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其特征在于：所述涡轮定转子组件的级数为50～300级，所述水力制动级定转子组件的级数为10～200级。

6.如权利要求1所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其特征在于：所述涡轮壳体由多个涡轮节壳体通过螺纹串接而成。

7.如权利要求1所述具有水力制动级定转子组件的涡轮马达，其特征在于：所述涡轮主轴由多个涡轮节主轴通过螺纹或花键串接而成。