一种矩形流道涡轮与正倾叶片及其成型方法及涡轮钻具

1.本技术涉及涡轮钻具的领域，尤其是涉及一种矩形流道涡轮及其正倾叶片的成型方法及涡轮钻具。


背景技术：

2.涡轮钻具是一种重要的井下动力钻具。涡轮钻具本身的全金属结构使其具有较好的耐温性，是高温深井的钻井作业的必备工具；涡轮钻具本身较小的横向振动，保证其取心的质量较好，钻进形成的井眼光滑便于下放测井仪器；涡轮钻具本身高转速的特点，配合孕镶金刚石钻头在硬岩地层中取得了较好的应用效果。
3.现有的涡轮钻具广泛采用二维叶片，多数叶形存在输出扭矩较小的缺点，限制了其在钻井工程中的应用。一方面通过设置大扭矩叶片增大扭矩，但部分大扭矩叶形由于结构原因，使涡轮钻具水力效率过低且转速过高。另一方面通过设置井下减速器，可以减少转速增大扭矩，但减速器价格昂贵，维护修理困难，且储油密封结构限制了其在高温井中的应用。
4.针对上述中的相关技术，发明人认为涡轮钻具中最主要的工作部件是涡轮定子和转子，涡轮定子、转子叶栅的水力性能决定了涡轮钻具的性能，而叶片截面型线的造型设计在涡轮叶栅的设计中最为重要。经过几十年的发展，涡轮叶片仅仅通过局部的型线修改很难大幅度提高输出扭矩。


技术实现要素：

5.为了提高涡轮钻具的输出扭矩，本技术提供一种涡轮及叶片及其成型方法及涡轮钻具。
6.本技术提供的一种涡轮叶片，采用如下的技术方案：
7.第一方面，本技术提供一种涡轮叶片，采用如下的技术方案：
8.一种涡轮叶片，在轴向横截面上叶片为扇形，叶片之间的流道在不同半径处的宽度相等成为矩形叶片的切向方向的有效宽度随所处半径增大而连续增大，；叶片包括转子叶片和定子叶片，两者呈镜像对称布置，其中转子叶片为无叶冠叶片；轴向横截面为垂直于钻具轴向的平面。
9.优选的，叶片在不同半径位置处的切向截面上的线型包括设计叶形线、叶顶叶形线、叶根叶形线；设计叶形线为为半径r0处设计平面上的叶形线、叶顶叶形线为半径r2处叶顶平面上的叶形线，叶根叶形线为半径r1处叶根平面上的叶形线；切向截面为垂直于径向的平面；
10.所述叶顶叶形线和叶根叶形线任意相同高度对应的两点的连线经过设计叶形线；叶顶叶形线和叶根叶形线沿轴向的有效高度均等于设计叶形线沿轴向的有效高度；
11.优选的，叶片由叶顶叶形线向叶根叶形线放样形成，放样实体向流道内侧延伸后必然汇聚为一条直线段，该放样汇聚线段与钻具轴线平行，两者的径向偏移距离为：
[0012][0013]
优选的，叶片在涡轮中的布置形式相对于钻具轴线为正倾，倾斜程度由汇聚线切向偏移距决定；叶片实体沿切向方向的位置随所处半径增大而连续向正向偏移，叶片的放样汇聚线相对于钻具轴线的切向位置为反向；倾斜方向的正向为涡轮叶片的出口所指向的切向方向。
[0014]
优选的，设计切向平面为半径r0处的截面，设计叶形线的坐标为相对于钻具轴线的已知系列数据y(r0)＝f(x)，叶顶平面所在半径为r2，叶根平面所在半径为r1，汇聚线径向偏移距为权利要求3所述er，汇聚线切向偏移距为权利要求4所述e
t
，则叶顶叶形线与叶根叶形线分别为：
[0015]
叶顶：
[0016]
叶根：
[0017]
第二方面，本技术提供一种涡轮，采用如下的技术方案：
[0018]
一种涡轮，包括钻具轴线和涡轮叶片，所述涡轮叶片沿钻具轴线周向等间隔设置有多个，任一涡轮叶片的叶顶叶形线和叶根叶形线沿径向方向放样并延长后汇聚为一条与钻具轴线平行的直线段。等间隔设置的涡轮叶片之间的流道为矩形，该矩形流道宽度为：
[0019]bc
＝2er·
sin(θb/2)
[0020]
优选的，bc大于0，小于设计叶形线宽度b
p
。
[0021]
优选的，定子与转子的台肩宽度大幅减小，叶片的径向长度随之增加；无叶冠转子叶片的径向长度大于定子叶片。
[0022]
第三方面，本技术提供一种涡轮叶片的放样成型方法，采用如下的技术方案：
[0023]
步骤一、确定设计叶形轮廓线在设计切向平面上的坐标y(r0)＝f(x)；
[0024]
步骤二、根据设计给定的叶片数z计算出汇聚线径向偏移距；
[0025][0026]
步骤三、设定汇聚线切向偏移距e
t
，在叶片轴向高度范围内逐点计算出叶顶平面与叶根平面的叶形线坐标，各点连接后为叶形线；
[0027]
叶顶：
[0028]
叶根：
[0029]
步骤四、从叶顶叶形线向叶根叶形线放样，得到叶片实体。
[0030]
第四方面，本技术提供一种涡轮钻具，采用如下的技术方案：
[0031]
一种涡轮钻具，包括使用上述方案中的涡轮作为动力节。
[0032]
综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
[0033]
1.避免了采用复杂且不耐高温的涡轮减速器结构，仅通过叶片结构的优化，而在不附加其它额外部件的情况下，改善了涡轮的输出性能与水力效率；
[0034]
2.相对于涡轮叶片扭转成型方法：需要计算多个半径位置的叶形线，计算量大、参数多导致不易控制最终叶片外形；叶片表面为三维曲面，加工困难的问题。而本方案的叶片为准三维结构，仅需计算叶顶与叶根两处半径位置的叶形线，叶片表面为二维曲面，设计成本和加工成本较低；
[0035]
3.避免通过增加涡轮钻具长度的方式增加输出的作用力，相对与增加涡轮钻具长度的低水力效率而言，本方案的效率更高；
[0036]
4.在钻具尺寸相同的条件下，本方案减小台肩的尺寸而增大叶片的尺寸，进而增大流体驱动的作用面积，有利于提高涡轮钻具的输出扭矩；
[0037]
5.相邻两个叶片之间形成的流道间隙沿半径方向宽度相等，在本方案中转子叶片和定子叶片均为矩形流道正倾叶片，矩形流道叶片的受力分布偏向外缘，具有更大的力臂使得涡轮输出扭矩增大，正倾叶片调整流体压强沿半径的变化梯度减小，减小了径向二次流动使得水力效率提高；
[0038]
6.本技术方案便于提高涡轮钻具的输出扭矩和水力效率，降低涡轮钻具的设计难度和加工成本。
附图说明
[0039]
图1a为本技术实施例的矩形流道正倾叶片涡轮副定子级剖分示意图；
[0040]
图1b为本技术实施例的矩形流道正倾叶片涡轮副定子级轴向视图；
[0041]
图2为本技术实施例的矩形流道正倾叶片涡轮副转子级示意图；
[0042]
图3为本技术实施例的矩形流道正倾叶片结构示意图；
[0043]
图4为本技术实施例的叶片汇聚线径向偏移距计算示意图；
[0044]
图5为本技术实施例的设计叶形线坐标及汇聚线位置示意图；
[0045]
图6a为本技术实施例的涡轮的正倾叶片具有矩形流道示意图；
[0046]
图6b为传统叶片具有矩形横截面及扇形流道示意图；
[0047]
图7a为本技术实施例的涡轮副具有窄台肩及无叶冠转子示意图；
[0048]
图7b为传统涡轮副具有宽台肩及有叶冠转子示意图。
[0049]
附图标记说明：
[0050]
1、涡轮副定子；1
′
、传统叶片涡轮副定子；101、定子主体；102、定子叶冠；103、定子台肩；
[0051]
2、涡轮副转子；2
′
、传统叶片涡轮副转子；201、转子主体；202、转子叶冠；203、转子台肩；
[0052]
3、矩形流道正倾叶片；301、叶顶叶形线；302、叶根叶形线；303、理论外侧放样延伸部分；304、理论内侧放样延伸部分；305、设计叶形线；306、放样汇聚线段；307、汇聚线径向偏移距；308、汇聚线切向偏移距；
[0053]
401、钻具轴线；402、流道外缘圆柱面；403、流道内缘圆柱面；404、汇聚线偏移平面；405、叶顶切向平面；406、叶根切向平面；407、设计切向平面；408、矩形流道。
具体实施方式
[0054]
以下结合附图1-7对本技术作进一步详细说明。
[0055]
本技术实施例公开一种矩形流道涡轮与正倾叶片及其成型方法及涡轮钻具。参照图1a，一种涡轮包括涡轮副定子1，涡轮副定子1的轴线定义为钻具轴线401。涡轮副定子1包括定子叶冠102，定子叶冠102为圆环结构，定子叶冠102上固设有定子叶片，在本实施例中定子叶片与定子叶冠102与定子主体101一体成型，定子叶片沿钻具轴线401的周向等间隔均布有多个。定子叶片远离定子叶冠102的一端固设有定子主体101，定子主体101用于与钻具外壳安装配合，实现涡轮副定子1的连接固定。
[0056]
同一涡轮副定子1上的所有定子叶片远离钻具轴线401的表面所在圆环面为流道外缘圆柱面402，同一涡轮副定子1上的所有定子叶片朝向钻具轴线401的表面所在圆环面为流道内缘圆柱面403。
[0057]
定子叶片为矩形流道正倾叶片3。矩形流道正倾叶片3沿远离钻具轴线401方向的放样部分为理论外侧放样延伸部分303，矩形流道正倾叶片3沿朝向钻具轴线401方向的放样部分为理论内侧放样延伸部分304，理论内侧放样延伸部分304位于流道内缘圆柱面403与钻具轴线401之间。
[0058]
为了便于直观理解，参照图1b，理论内侧放样延伸部分304随半径不断减小而汇聚为一条直线段。该放样汇聚线306与钻具轴线401平行，为描述两者的相对位置关系，取一垂直于钻具轴线401的横截面作为汇聚线偏移平面404。叶片径向为钻具轴线401到设计叶形线305的垂线方向，叶片切向为垂直于上述垂线的方向。
[0059]
在汇聚线偏移平面404上，放样汇聚线306与钻具轴线401距离的径向分量为汇聚线径向偏移距307，放样汇聚线306与钻具轴线401距离的切向分量为汇聚线切向偏移距308。等流道叶片3的具体叶形情况在下述内容中描述。
[0060]
参照图2，一种涡轮还包括涡轮副转子2，涡轮副转子2包括转子主体201，转子主体201与涡轮钻具输出轴配合，实现涡轮副转子2的连接固定。涡轮副转子2还包括转子叶片，转子叶片在固定于转子主体201外侧面，转子叶片在本实施例中与转子主体201一体成型，转子叶片沿转子主体201周向等间隔均布有多个，转子叶片在本实施例中为无叶冠叶片，转子叶片为矩形流道正倾叶片3。
[0061]
参照图3，矩形流道正倾叶片3的叶根切向平面406为所处半径等于流道内缘圆柱面半径r1且垂直于径向的平面；矩形流道正倾叶片3的叶顶切向平面405为所处半径等于流道外缘圆柱面半径r2且垂直于径向的平面；矩形流道正倾叶片3的设计切向平面407为所处半径等于流道几何平均半径r1+r2/2且垂直于径向的平面。
[0062]
矩形流道正倾叶片3与叶根切向平面406相交的轮廓线为叶根叶形线302，矩形流道正倾叶片3与叶顶切向平面405相交的轮廓线为叶顶叶形线301。任一涡轮叶片的叶顶叶形线305向叶根叶形线306放样并延长后汇聚为一条与钻具轴线401平行的直线段，叶根叶形线306和叶顶叶形线305之间的放样过程线位于矩形流道正倾叶片3的表面。
[0063]
参照图4，矩形流道正倾叶片3沿钻具轴线401的周向等间隔布置多个，相邻两个叶片间的空隙为矩形流道408。由叶片数z决定的相邻两叶片的径向之间夹角为叶片周向间距角θb，矩形流道宽度为bc。设计叶形线沿的宽度为b
p
，由叶顶叶形线向叶根叶形线放样并延长后得到汇聚线，放样汇聚线段306与设计叶形线间的径向距离为放样三角形高度h
l
，放样
三角形的顶角角度为θ
l
。设计叶形线半径位置r0与放样三角形高度h
l
的差值为汇聚线径向偏移距307。通过计算汇聚线径向偏移距307控制叶片间流道为矩形：
[0064][0065]
矩形流道408的宽度为：
[0066]bc
＝2er·
sin(θb/2)
[0067]
参照图5，钻具轴线401方向定义为x轴，x轴正方向为轴向指向钻头方向。垂直于钻具轴线401且平行于设计切向平面407定义为y轴，y轴正方向指向叶片出口的切向方向。设计叶形线305的半径位置为r0，设计叶形线307在x轴上的高度位置定义为x；设计叶形线307在不同x高度位置时对应的y轴位置定义为y。
[0068]
叶顶叶形线301和叶根叶形线302沿涡轮轴向的有效高度均等于设计叶形线305沿涡轮轴向的有效长度叶顶叶形线301沿切向的有效长度大于叶根叶形线302沿切向的有效长度。
[0069]
矩形流道叶片的倾斜程度由放样汇聚线段306与钻具轴线401间的切向距离e
t
决定，叶片实体随所处半径增大而连续向y轴正向偏移，叶片的放样汇聚线段306相对于钻具轴线401的位置处于y轴负向。
[0070]
半径为r0处的设计叶形线305的坐标为已知系列数据y(r0)＝f(x)。根据放样汇聚线段306与钻具轴线401的相对位置，计算叶顶叶形线301与叶根叶形线302分别为：
[0071]
叶顶：
[0072]
叶根：
[0073]
参照图6a，矩形流道正倾叶片3的切向方向的有效宽度随所处半径增大而连续增大，叶片位置随所处半径增大而连续向切向正向偏移。有效宽度意思为在不同高度处的叶片宽度不同，相邻叶片沿钻具轴向的投影的间隙为等宽度的矩形流道。随着半径增大，矩形流道正倾叶片3的厚度以及弯曲程度增大。涡轮的矩形流道正倾叶片3通过加宽外边缘形成矩形流道的准三维叶片，以及通过偏移放样汇聚线段306使叶片向正向倾斜的形式提高叶片的输出扭矩与水力效率。
[0074]
为便于对比，参照图6b，现有的直叶片的轴向投影为矩形，使相邻叶片间隙的流道在涡轮流道外缘圆柱面402处宽度很大，近似为三角形，现有直叶片的切向尺寸不随半径变化，涡轮叶片外边缘稀疏，输出扭矩与水力效率低。
[0075]
参照图7a，矩形流道涡轮副的定子台肩103与转子台肩203的宽度小于现有涡轮，在满足加工工艺的条件下取台肩宽度的最小值。台肩宽度减小所节约的径向空间用于增大叶片的径向长度，其中无叶冠转子叶片的径向长度大于定子叶片。由于叶片长度增加，转子叶片与流体的作用面积增大，有利于增大涡轮钻具的输出扭矩。
[0076]
为便于对比，参照图7b，现有的涡轮定转子副具有较大的台肩宽度，导致钻具内的流道径向尺寸狭小。传统涡轮转子2
′
具有转子叶冠202，进一步压缩了流道空间，挤占了叶片的径向有效长度，输出扭矩低且流动阻力大。
[0077]
本技术实施例一种涡轮叶片的实施原理为：
[0078]
叶片弯曲程度增大时，液流的环向速度改变量越大。根据动量定理，转子叶片将获得更大的水力驱动力。由于矩形流道叶片3的叶形弯曲程度随半径增大，矩形流道叶片3所受的水力作用力在外缘较大。参考图6a和图6b的轴向投影，矩形流道叶片3的受力分布偏向外缘，具有更大的力臂使得输出扭矩增大。流体在通过设有多级叶片的涡轮节时产生旋转运动，由此产生了离心力，使涡轮叶栅部分的流体压强随半径增大而增大，易产生无益于驱动钻具的径向二次流动。流道外缘402处压强最大，但此处存在定子主体101与转子叶冠202之间的环形空间，导致该部分流体径向泄露而不产生有效功。正倾的涡轮叶片3可以减小外缘402处流体压强，增大内缘403处压强，减小了二次流动与径向泄露损失。因此放样成型方法可以优化涡轮叶片的输出扭矩与水力效率。
[0079]
本技术实施例还公开一种涡轮钻具。涡轮钻具包括上述描述中的涡轮，通过选取不同参数满足将涡轮作为钻具进行钻进作业中对破岩能力的要求。
[0080]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种涡轮叶片，其特征在于：在轴向横截面上叶片为扇形，叶片之间的流道在不同半径处的宽度相等成为矩形；叶片包括转子叶片和定子叶片，两者呈镜像对称布置，其中转子叶片为无叶冠叶片；轴向横截面为垂直于钻具轴向的平面。2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片，其特征在于：叶片在不同半径位置处的切向截面上的线型包括设计叶形线(305)、叶顶叶形线(301)、叶根叶形线(302)；设计叶形线(305)为半径r0处设计平面(407)上的叶形线、叶顶叶形线(301)为半径r2处叶顶平面(405)上的叶形线，叶根叶形线(302)为半径r1处叶根平面(406)上的叶形线；设计切向平面半径r0等于涡轮流道几何平均半径(r1+r2)/2；切向平面为垂直于径向的平面。3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片，其特征在于：叶片由叶顶叶形线(301)向叶根叶形线(302)放样形成，放样实体向流道内侧延伸(304)后必然汇聚为一条直线段(306)，该放样汇聚线段(306)与钻具轴线(401)平行，两者的径向偏移距离(307)为：e
r
＝r
0-h
l
式中：h
l
为放样三角形高度，mm；b
p
为设计叶形线宽度，mm，可通过cad方法测得；θ
l
为放样三角形顶角，
°
；θ
b
为叶片周向间距角，
°
；z为设置叶片数，个。4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片，其特征在于：叶片在涡轮中的布置形式相对于钻具轴线(401)为正倾，倾斜程度由汇聚线切向偏移距e
t
(308)决定；叶片实体沿切向方向的位置随所处半径增大而连续向正向偏移，叶片的放样汇聚线(306)相对于钻具轴线(401)的切向位置为反向；倾斜方向的正向为涡轮叶片的出口所指向的切向方向。5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片，其特征在于：设计切向平面(407)为半径r0处的截面，设计叶形线(305)的坐标为相对于钻具轴线(401)的已知系列数据y(r0)＝f(x)，叶顶平面(405)所在半径为r2，叶根平面(406)所在半径为r1，汇聚线径向偏移距(307)为权利要求3所述e
r
，汇聚线切向偏移距(308)为权利要求4所述e
t
，则叶顶叶形线(301)与叶根叶形线(302)分别为：(302)分别为：。6.一种涡轮，其特征在于：包括钻具轴线(401)和权利要求5中的涡轮叶片，所述涡轮叶片沿钻具轴线(401)周向等间隔设置有多个，任一涡轮叶片的叶顶叶形线(301)和叶根叶形线(302)沿径向方向放样并延长后汇聚为一条与钻具轴线(401)平行的直线段(306)。7.根据权利要求6所述的一种涡轮，其特征在于：定子与转子的台肩宽度大幅减小，台肩宽度减小后的径向空间用于增大叶片的径向长度；无叶冠转子叶片的径向长度大于定子叶片。8.根据权利要求6所述的一种涡轮，其特征在于：沿钻具轴线(401)周向等间隔设置的
涡轮叶片之间的流道为矩形，该矩形流道(408)宽度为：b
c
＝2e
r
·
sin(θ
b
/2)式中：e
r
为汇聚线径向偏移距，mm；θ
b
为叶片周向间距角，
°
；b
c
应小于设计叶形线(305)宽度b
p
且应大于0。9.一种涡轮叶片的放样成型方法，其特征在于：步骤一、确定设计叶形轮廓线在设计切向平面上的坐标y(r0)＝f(x)；步骤二、根据设计给定的叶片数z计算出汇聚线径向偏移距；步骤三、设定汇聚线切向偏移距e
t
，在叶片轴向高度范围内逐点计算出叶顶平面与叶根平面的叶形线坐标，各点连接后为叶形线；平面的叶形线坐标，各点连接后为叶形线；步骤四、从叶顶叶形线向叶根叶形线放样，得到叶片实体。10.一种涡轮动力钻具，其特征在于：使用所述权利要求6中的涡轮作为动力节。

技术总结
本申请涉及一种涡轮叶片及涡轮及涡轮叶片的成型方法及涡轮钻具，其叶片轴向横截面为扇形，由此控制叶片之间的流道在不同半径处的宽度相等，叶片在构造上属于正向倾斜；所述转子叶片为无叶冠叶片，且定子与转子的台肩宽度大幅减小，整体加大涡轮节内的流道；涡轮叶片沿钻具轴线周向等间隔设置有多个，任一涡轮叶片的叶顶叶形线和叶根叶形线沿径向方向放样并延长后汇聚为一条与钻具轴线平行的直线段。所述涡轮及涡轮叶片在减小流动阻力的同时增大了流体驱动面积。本申请具有提高涡轮钻具的扭矩与水力效率的效果。扭矩与水力效率的效果。扭矩与水力效率的效果。


技术研发人员：王瑜 何宇光 张德龙 周辉峰 孔令镕 高玉林 张凯 凌雪
受保护的技术使用者：中国地质大学（北京）
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2023/6/27