一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及到用于石油天然氣鉆井工程中的一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，它由導(dǎo)輪、向心葉輪、主軸、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體、殼緊固部件構(gòu)成。所述導(dǎo)輪沿圓周布置有環(huán)形平板葉柵，環(huán)形平板葉柵由若干片平板葉片組成；所述向心葉輪為閉式葉輪，向心葉輪沿圓周布置有環(huán)形向心葉柵，環(huán)形向心葉柵由若干片向心葉片組成，向心葉片的截面具有特定的翼型形狀。鉆井液在流過(guò)向心葉輪流道時(shí)，由于受到流道的作用其速度大小和方向均會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)環(huán)形向心葉柵中的每個(gè)向心葉片產(chǎn)生沿圓周方向的升力；在導(dǎo)輪和向心葉輪之間設(shè)有螺旋密封以提高容積效率。本發(fā)明所需鉆井液工作流量小，轉(zhuǎn)速高，適合于小井眼、研磨性地層的鉆進(jìn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到用于石油天然氣鉆井工程中的一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，屬于石油天然氣鉆井設(shè)備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]在石油天然氣鉆井工程中，渦輪鉆具廣泛應(yīng)用于超深井、水平井、斜井等的鉆進(jìn)過(guò)程。渦輪節(jié)是渦輪鉆具中將鉆井液能量轉(zhuǎn)為機(jī)械能的核心部件，而在渦輪節(jié)中，起到轉(zhuǎn)化鉆井液能量作用的關(guān)鍵部件是由定轉(zhuǎn)子組成的透平?，F(xiàn)使用的渦輪鉆具其渦輪節(jié)均采用的是軸流式透平，即渦輪節(jié)中的定子和轉(zhuǎn)子葉柵均為軸流式的。根據(jù)反轉(zhuǎn)離心泵可作液力透平能量回收裝置的工程技術(shù)知，設(shè)計(jì)液力式的向心透平在原理上是可行的，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究知，與軸流式透平渦輪節(jié)相比，相同尺寸的向心透平式渦輪節(jié)其啟動(dòng)流量要??；且在相同流量下，向心透平式渦輪節(jié)其輸出轉(zhuǎn)速比基于軸流式渦輪節(jié)輸出轉(zhuǎn)速要高。
[0003]現(xiàn)代油氣鉆井工程向深井、超深井發(fā)展，鉆井工程中面臨著破碎超硬地層的問(wèn)題。根據(jù)鉆井工程的實(shí)踐，研磨破巖是一種破碎超硬地層十分有效的方式，而研磨破巖需要鉆頭高速旋轉(zhuǎn)；另一方面，為了滿(mǎn)足環(huán)保和節(jié)省鉆井成本的要求，小井眼鉆井技術(shù)不斷地運(yùn)用于實(shí)際鉆井工程中，由于井眼截面的減小，允許通過(guò)的鉆井液流量也減小，故這就要求井下動(dòng)力鉆具能在小流量條件下工作。因此，現(xiàn)代油氣鉆井技術(shù)發(fā)展要求井下動(dòng)力鉆具能在小流量條件下產(chǎn)生高轉(zhuǎn)速。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于為滿(mǎn)足現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展需求，提供一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，適用于小井眼的鉆進(jìn)和研磨性地層的鉆進(jìn)。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，由導(dǎo)輪、向心葉輪、主軸、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體、殼緊固部件構(gòu)成。所述導(dǎo)輪沿圓周布置有環(huán)形平板葉柵，環(huán)形平板葉柵由若干片平板葉片組成；每相鄰兩個(gè)平板葉片之間的空隙，即為供鉆井液流動(dòng)的導(dǎo)輪流道，導(dǎo)輪流道沿導(dǎo)輪中心向邊緣延伸，同時(shí)由導(dǎo)輪進(jìn)口向?qū)л喅隹谘由?，?shí)現(xiàn)了把流進(jìn)導(dǎo)輪的鉆井液引導(dǎo)到向心葉輪進(jìn)口處的功能；導(dǎo)輪流道的寬度沿導(dǎo)輪徑向方向由中心向邊緣逐漸增大，沿導(dǎo)輪的軸線方向由導(dǎo)輪進(jìn)口到導(dǎo)輪出口逐漸減小，這使得導(dǎo)輪流道截面積沿鉆井液流動(dòng)方向保持不變，從而避免了鉆井液在導(dǎo)輪流道中加速而帶來(lái)的速度損失。
[0007]所述向心葉輪采用了閉式葉輪結(jié)構(gòu)，用以提高向心葉輪在能量轉(zhuǎn)化時(shí)的效率。向心葉輪沿圓周布置有環(huán)形向心葉柵，環(huán)形向心葉柵由若干片向心葉片組成，向心葉片的截面具有特定的翼型形狀。鉆井液在流過(guò)向心葉輪流道時(shí)，由于受到流道的作用其速度大小和方向均會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)環(huán)形向心葉柵中的每個(gè)向心葉片產(chǎn)生沿圓周方向的升力，每個(gè)葉片產(chǎn)生的升力對(duì)向心葉輪的中心軸線均產(chǎn)生同一方向的力矩，這些力矩疊加起來(lái)即為鉆井液流過(guò)向心葉輪流道時(shí)對(duì)環(huán)形向心葉柵產(chǎn)生的總力矩。在該總力矩的作用下，向心葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)了將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為向心葉輪機(jī)械能的功能。在向心葉輪中，將向心葉輪流道寬度設(shè)計(jì)為沿向心葉輪徑向方向從邊緣向中心逐漸收斂，沿軸線方向從進(jìn)口到出口保持不變，以達(dá)到有利于鉆井液能量轉(zhuǎn)化又盡可能減小速度損失的目的。受流道的約束，鉆井液在向心葉輪流道中的流動(dòng)既沿徑向流動(dòng)，又沿軸向流動(dòng)，但轉(zhuǎn)化鉆井液能量的過(guò)程主要是鉆井液在向心葉輪流道的徑向流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而鉆井液在向心葉輪流道的軸向流動(dòng)則對(duì)向心葉輪產(chǎn)生了與流動(dòng)方向相反的軸向力，該軸向力與向心葉輪因進(jìn)出口壓差產(chǎn)生的軸向力方向相反，這就起到了減小軸向載荷的效果，有利于提高整過(guò)渦輪節(jié)的使用壽命。
[0008]由一個(gè)導(dǎo)輪和一個(gè)向心葉輪就組成了單級(jí)向心透平，但是單級(jí)向心透平所產(chǎn)出的扭矩不能滿(mǎn)足實(shí)際工程需要，需在渦輪節(jié)中安裝若干級(jí)向心透平，從而組成多級(jí)向心透平。
[0009]此外，為了提高向心透平的容積效率，在向心葉輪與導(dǎo)輪之間的縫隙處設(shè)置了螺旋密封，以盡可能地減少鉆進(jìn)液通過(guò)此縫隙漏失。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于:1.所需鉆井液工作流量小，適用于小井眼的鉆進(jìn)；2.轉(zhuǎn)速高，適用于研磨性地層的鉆進(jìn)；3.軸向載荷小，有利于提高整過(guò)渦輪節(jié)的使用壽命。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是圖1中A-A的剖面圖；
[0013]圖3是圖1中B-B的剖面圖；
[0014]圖4是圖1中I的局部放大圖。
[0015]圖中:1.上接頭，2.壓緊軸，3.軸調(diào)節(jié)套，4.殼調(diào)節(jié)套，5.上扶正軸承，6.導(dǎo)輪，7.向心葉輪，8.主軸，9.下扶正軸承，10.殼體，11.分流套，12.開(kāi)槽套，13.止推軸承組，14.下接頭，15.平板葉片，16.向心葉片，17.導(dǎo)輪流道，18.向心葉輪流道，19.導(dǎo)輪進(jìn)口，20.導(dǎo)輪出口，21.向心葉輪進(jìn)口，22.向心葉輪出口。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案作具體說(shuō)明。
[0017]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，由導(dǎo)輪6、向心葉輪7、主軸8、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體10、殼緊固部件構(gòu)成。如圖1、圖2、圖4所示，所述導(dǎo)輪6沿圓周布置有環(huán)形平板葉柵，平板葉柵由若干片平板葉片15組成；每相鄰兩個(gè)平板葉片15之間的空隙，即為供鉆井液流動(dòng)的導(dǎo)輪流道17 ;導(dǎo)輪流道17沿導(dǎo)輪6中心向邊緣延伸，同時(shí)由導(dǎo)輪進(jìn)口 19向?qū)л喅隹?20延伸，實(shí)現(xiàn)了把流進(jìn)導(dǎo)輪6的鉆井液引導(dǎo)到向心葉輪進(jìn)口 21處的功能；導(dǎo)輪流道17的寬度沿導(dǎo)輪6徑向方向由中心向邊緣逐漸增大，沿導(dǎo)輪6的軸線方向由導(dǎo)輪進(jìn)口 19到導(dǎo)輪出口 20逐漸減小，這使得導(dǎo)輪流道17截面積沿鉆井液流動(dòng)方向保持不變。
[0018]如圖1、圖3、圖4所示，所述向心葉輪7采用了閉式葉輪結(jié)構(gòu)，在向心葉輪7的圓周布置有環(huán)形向心葉柵；環(huán)形向心葉柵由若干片向心葉片16組成，向心葉片16的截面設(shè)計(jì)為特定的翼型形狀，使鉆井液流過(guò)向心葉輪流道18時(shí)，對(duì)環(huán)形向心葉柵中的每個(gè)向心葉片16產(chǎn)生沿圓周方向的升力；每個(gè)向心葉片16產(chǎn)生的升力對(duì)向心葉輪7的中心軸線均產(chǎn)生同一方向的力矩，從而形成鉆井液流過(guò)向心葉輪流道18時(shí)對(duì)向心葉輪7產(chǎn)生的扭矩，向心葉輪7在該扭矩作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為向心葉輪7的機(jī)械能。為了利于鉆井液能量轉(zhuǎn)化又盡可能減小速度損失，將向心葉輪流道18寬度設(shè)計(jì)為沿向心葉輪7徑向方向從邊緣向中心逐漸收斂，沿軸線方向從向心葉輪進(jìn)口 21到向心葉輪出口 22保持不變。
[0019]由一個(gè)導(dǎo)輪6和一個(gè)向心葉輪7組成的單級(jí)向心透平所產(chǎn)出的扭矩不能滿(mǎn)足實(shí)際工程需要，故在渦輪節(jié)中安裝若干級(jí)向心透平，從而組成多級(jí)向心透平。
[0020]此外，為了提高向心透平的容積效率，如圖4所示，在向心葉輪7與導(dǎo)輪6之間的縫隙處設(shè)置了螺旋密封，螺旋開(kāi)設(shè)在向心葉輪7上，以提高向心透平的容積效率。
[0021]多級(jí)向心透平的向心葉輪7安裝在主軸8上，故向心葉輪7產(chǎn)生的動(dòng)力就傳遞到了主軸8上，主軸8下端的螺紋用以連接下部鉆具，從而就將動(dòng)力傳遞到了下部鉆具中，直至傳遞到鉆頭。主軸8上半部分為實(shí)心的，下半部分則開(kāi)有供鉆井液流動(dòng)的中心孔和分流孔。
[0022]由于向心葉輪7在工作時(shí)，因進(jìn)出口始終存在壓差而要產(chǎn)生向下的軸向力，又因制造和裝配的原因始終存在有偏心距，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)離心力，故需要采用承載部件來(lái)承受這兩類(lèi)載荷。承載部件包括止推軸承13、上扶正軸承5、下扶正軸承9，均安裝在主軸8上。如圖1所示，止推軸承組13安裝主軸8的下部用以承受軸向力；上扶正軸承5在主軸8上的安裝位置是緊挨著最上面一級(jí)向心葉輪7，下扶正軸承9在主軸8上的安裝位置是緊鄰最下面一級(jí)向心葉輪7，用以承受離心力。由于止推軸承組13在工作時(shí)，鉆井液可以進(jìn)入其中的，但是鉆井液同時(shí)將磨粒介質(zhì)帶入止推軸承組13中，為了盡可能減少被帶入的磨粒介質(zhì)，采用了引流部件，即分流套11和開(kāi)槽套12，將鉆井液引入到主軸8的分流孔，使鉆井液通過(guò)主軸8中心孔或主軸8末端的分流孔流出渦輪節(jié)。
[0023]為了便于裝配，上扶正軸承5、多級(jí)向心葉輪7、開(kāi)槽套12、下扶正軸承9、止推軸承13與主軸8之間均采用了間隙配合，故它們與主軸8之間均是松動(dòng)的，為了使這些零部件與主軸8不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用了軸緊固部件將這些零部件與主軸緊固為一體。軸緊固件包括壓緊軸2和軸調(diào)節(jié)套3。將軸調(diào)節(jié)套3套入到主軸8上，將壓緊軸2旋入到主軸8上端螺紋處壓軸調(diào)節(jié)套3，由此產(chǎn)生一個(gè)軸向壓緊力。該軸向力通過(guò)軸調(diào)節(jié)套3和上扶正軸承5內(nèi)圈傳遞到向心葉輪7的輪轂端面上，并通過(guò)下扶正軸承9內(nèi)圈、開(kāi)槽套12、止推軸承13 —直傳遞到安裝止推軸承13的主軸8軸肩上，從而實(shí)現(xiàn)了把向心葉輪7與主軸8緊固為一體的目的，使得向心葉輪7所產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞到了主軸8上。
[0024]渦輪節(jié)中所有零件均安裝在殼體10內(nèi)，隨主軸8旋轉(zhuǎn)的零件與不隨主軸8旋轉(zhuǎn)的零件在徑向上有間隙，以避免碰撞和摩擦。不隨主軸8旋轉(zhuǎn)的零件被殼緊固部件，即上接頭1、下接頭14和殼調(diào)節(jié)套4，壓緊在殼體10內(nèi)，此外，通過(guò)上接頭I把渦輪節(jié)和上部鉆具連接在一起，通過(guò)下接頭14把渦輪節(jié)和下部鉆具組合連接在一起，鉆壓和反扭矩也由此傳遞到上部或下部鉆具中。
【權(quán)利要求】
1.一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，由導(dǎo)輪(6)、向心葉輪(7)、主軸(8)、承載部件、引流部件、軸緊固部件、殼體(10)、殼緊固部件構(gòu)成，其特征在于:所述導(dǎo)輪(6)沿圓周布置有環(huán)形平板葉柵，環(huán)形平板葉柵由若干片平板葉片(15)組成；導(dǎo)輪流道(17)的寬度沿導(dǎo)輪(6)徑向方向由中心向邊緣逐漸增大，沿導(dǎo)輪(6)的軸線方向由導(dǎo)輪進(jìn)口(19)到導(dǎo)輪出口(20)逐漸減小，這使得導(dǎo)輪流道(17)截面積沿鉆井液流動(dòng)方向保持不變；所述向心葉輪(7)采用了閉式葉輪結(jié)構(gòu)，在向心葉輪(7)的圓周布置有環(huán)形向心葉柵，環(huán)形向心葉柵由若干片向心葉片(16)組成，向心葉片(16)的截面設(shè)計(jì)為特定的翼型形狀,使鉆井液流過(guò)向心葉輪流道(18)時(shí),對(duì)環(huán)形向心葉柵中的每個(gè)向心葉片(16)產(chǎn)生沿圓周方向的升力；每個(gè)向心葉片(16)產(chǎn)生的升力對(duì)向心葉輪(7)的中心軸線均產(chǎn)生同一方向的力矩，從而形成鉆井液流過(guò)向心葉輪流道18時(shí)對(duì)向心葉輪7產(chǎn)生的扭矩；向心葉輪流道(18)寬度設(shè)計(jì)為沿向心葉輪⑵徑向方向從邊緣向中心逐漸收斂，沿軸線方向從向心葉輪進(jìn)口(21)到向心葉輪出口(22)保持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，其特征在于:由一個(gè)導(dǎo)輪(6)和一個(gè)向心葉輪(7)組成的單級(jí)向心透平不能滿(mǎn)足實(shí)際工程需要，故在渦輪節(jié)中安裝了多級(jí)向心透平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多級(jí)向心透平式渦輪節(jié)，其特征在于:在向心葉輪(7)與導(dǎo)輪(6)之間的縫隙處設(shè)置了螺旋密封，螺旋開(kāi)設(shè)在向心葉輪(7)上，以提高向心透平的容積效率。
【文檔編號(hào)】F01D11/08GK104454024SQ201410568714
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】龔彥, 張曉東, 周權(quán), 龔川 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)