专利名称：一种涡轮定转子组合件及涡轮马达的制作方法
技术领域：
本本实用新型涉及石油、天然气、煤层气、页岩气开采等领域的连续油管钻井或地质、铁路、电力、通讯等领域的微小井眼或孔眼的连续油管钻进用井下动力钻具，尤其是一种流体推动的涡轮钻具的定转子组合件及涡轮马达，属于机械制造技术领域。
背景技术：
微小井眼钻井或钻孔技术是一项目前正处于试验和研发阶段的钻井或钻孔新技术，由于该技术是适应钻井或钻孔成本逐渐增加和环保观念不断提升而发展起来的一种高效率、低成本、低污染的钻进技术因而引起了国内外的广泛关注。从井眼或孔眼尺寸上看，微小井眼或孔眼是继常规井眼或孔眼和小井眼或孔眼之后发展的一个新阶段。由于井眼或孔眼尺寸小，现有的井下工具不再适用，较小的横向尺寸加大了井下工具的开发难度，特别是微小井眼钻进底部钻具组合。井下动力钻具是微小井眼钻进底部钻具组合不可或缺的工 具之一。涡轮钻具是工业应用最早的一种井下动力钻具，由涡轮马达、万向轴和传动轴三部分构成，其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。从历史上看，涡轮钻具在前苏联一直作为其石油工业主要的钻井工具，涡轮钻井进尺占总钻井进尺80%以上，目前涡轮钻具依然是俄罗斯及西方发达国家石油矿场常用的一种井下动力钻具。我国20世纪50年代从前苏联引进涡轮钻具生产技术后，发展缓慢，未能在工矿现场得到很好应用，其重要原因之一是由于涡轮钻具具有转速高、扭矩小、压降高、型号单一、工作寿命短等缺陷，与我国钻井装备与工具发展水平不相适应。目前国内没有可用于微小井眼连续油管钻进的微小尺寸涡轮马达，而且随着涡轮马达外径尺寸的减小，输出转速会增大，扭矩减小，结构越来越复杂。涡轮马达是涡轮钻具的动力部分，涡轮定子和转子的设计是涡轮马达设计的核心。有鉴于上述现有技术存在的缺点，本设计人基于从事相关科研及现场经验和专业知识，积极加以改进和创新，以期实现一种低压降、高扭矩、水力效率高且尺寸微小的涡轮定转子组合件。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种低压降、高扭矩、水力效率高且尺寸微小的涡轮定转子组合件。本实用新型的另一目的是提供一种结构简单、压降低、扭矩大、效率高、使用寿命长、适用于微小井眼连续油管钻进的涡轮马达。为达到上述目的，本实用新型提出一种涡轮定转子组合件，包括转子和定子，所述转子包括圆筒状的转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，所述若干个转子叶片沿所述转子本体的外圆周表面均匀布设，所述转子叶冠套接于所述转子叶片的外缘；所述定子包括圆筒状的定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，所述若干个定子叶片沿所述定子本体的内圆周表面均匀布设，所述定子叶冠的外壁所述定子叶片的内缘相连接，所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁相套合。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述转子采用的材料为铸钢或不锈钢或合金钢或碳素结构钢。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述定子采用的材料为铸钢或不锈钢或合金钢或碳素结构钢。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述定子及所述转子的轴向高度为L =20mm 36mm,所述定子的外径为Dse = 50mm 60mm,所述转子的内径为Dh = 18mm 28mm。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述转子叶冠的轴向高度L1与所述定子叶冠轴向高度L2相等，为L1 = L2 = 8mm 12mm ;所述转子叶片的轴向高度L3与所述定子叶片的轴向高度L4相等，为L3 = L4 = 7mm Ilmm,且L1 = L2 > L3 = L4。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述转子叶冠的内圆周直径等于所述定子本体的内圆周直径且所述转子叶冠的内圆周直径和所述定子本体的内圆周直径构成流道外SD1，所述流道外SD1 = 41mm 51mm ;所述转子本体的外圆周直径等于所述定子叶冠的外圆周直径且所述转子本体的外圆周直径和所述定子叶冠的外圆周直径构成流道内径D2，所述流道内径D2 = 27mm 37mm ;所述流道外径D1与所述流道内径仏的算术平均值为平均流道直径，所述平均流道直径D = (DjD2) /2 = 34. Omm 44. Omm ;所述流道外径D1与所述流道内径D2之差的一半为流道宽度h，所述流道宽度h = (D1-D2)/2 = 7. Omm 12.0mm。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述定子叶片的进口角为a 2k，所述转子叶片的进口角为31,，且(^1;= i3lk = 80° 100° ;所述定子叶片的出口角为alk，所述转子叶片的出口角为β21 ，且Qlk= β21 = 20° 40° ;所述定子叶片与所述转子叶片的前缘半径为A,后缘半径为r2,安装角为β丨，且;T1 = O. 5謹 I. 2謹，r2 = O. 3謹 O. 8謹；β χ=45。 75。。如上所述涡轮定转子组合件，其中，所述定子叶片与所述转子叶片的叶片个数相等，且分别设有12 20个；相邻的两个所述定子叶片或相邻的两个所述转子叶片之间的节距 t = 5. Omm ~ 11. Omnin本实用新型还提供了一种涡轮马达，所述涡轮马达包括涡轮马达主轴和涡轮马达壳体，在所述涡轮马达主轴上套接有如上所述的涡轮定转子组合件。如上所述涡轮马达，其中，所述涡轮定转子组合件沿轴向叠置有多个，形成多级涡轮定转子组合件，该多级涡轮定转子组合件为50级 250级涡轮定转子组合件。与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和优点I、本实用新型涡轮定转子组合件径向尺寸小，且压降低、扭矩大、水力效率高。2、本实用新型涡轮马达结构简单、压降低、扭矩大、效率高、使用寿命长，适用于微小井眼连续油管钻进。
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，图I为本实用新型涡轮定转子组合件的结构示意图；图2为本实用新型的定子剖面结构示意图；[0023]图3为本实用新型的定子立体结构示意图；图4为本实用新型的定子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图；图5为本实用新型的转子剖面结构示意图；图6为本实用新型的转子立体结构示意图；图7为本实用新型的转子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图； 图8为本实用新型涡轮马达实施例一剖面结构示意图；图9为本实用新型涡轮马达实施例二剖面结构示意图。附图标记说明现有技术I-转子；101-转子本体；102-转子叶片；103-转子叶冠；2-定子；201-定子本体；202_定子叶片；203_定子叶冠；31-Φ73πιπι涡轮马达主轴；32_Φ60· 3mm涡轮马达主轴；41-Φ73πιπι涡轮马达壳体；42_Φ60. 3mm涡轮马达壳体。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式
。请参考图I至图7，分别为本实用新型涡轮定转子组合件的结构示意图；定子剖面结构示意图；定子立体结构示意图；定子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图；转子剖面结构示意图；转子立体结构示意图；以及转子叶片沿流道平均直径柱面展开示意图。如图所示，本实用新型提出的涡轮定转子组合件，包括转子I和定子2，如图6所示，该转子I包括圆筒状的转子本体101、若干个转子叶片102和圆环状转子叶冠103，若干个转子叶片102沿转子本体101的外圆周表面均匀布设，转子叶冠103套接于转子叶片102的外缘，使得转子本体101、叶片102、转子叶冠103形成一体结构的转子1，使得涡轮马达主轴贯穿转子本体101并与转子I同步旋转。如图3所示，定子2包括圆筒状的定子本体201、若干个定子叶片202和圆环状定子叶冠203，若干个定子叶片202沿定子本体201的内圆周表面均匀布设，定子叶冠203的外壁与定子叶片202的内缘相连接，使得定子本体201、若干个定子叶片202和定子叶冠203形成一体结构的定子2。如图I所示，定子叶冠203的内壁与转子本体101外壁相套合，使得定子2与转子I配合安装。由于本实用新型采用上述结构设计，使得涡轮定转子组合件径向尺寸小，且压降低、扭矩大、水力效率高，有利于实现涡轮马达的微型化。进一步的，转子I和定子2采用的材料为铸钢或不锈钢或合金钢或碳素结构钢，从而进一步满足强度及使用寿命的要求。进一步的,如图1、2、5所示,定子2及转子I的轴向高度为L = 20mm 36mm,定子2的外径为Dse = 50mm 60mm,转子I的内径为Dri = 18mm 28_。进一步的，如图1、2、5所示，转子叶冠103的轴向高度L1与定子叶冠203轴向高度L2相等,其值为L1 = L2 = 8mm 12mm ;转子叶片102的轴向高度L3与定子叶片202的轴向高度L4相等,其值为L3 = L4 = 7mm IImm,且L1 = L2 > L3 = L4,以保证转子叶片102安装于转子叶冠103内，而定子叶片202安装于定子叶冠203内。[0041]进一步的，如图1、2、5所示，转子叶冠103的内环通道及定子本体201的内周壁构成液体流道。转子叶冠103的内圆周直径等于定子本体201的内圆周直径且转子叶冠103的内圆周直径和定子本体201的内圆周直径构成流道外径D1，该流道外径D1 = 41mm 51mm ;转子本体101的外圆周直径等于定子叶冠203的外圆周直径且转子本体101的外圆周直径和定子叶冠203的外圆周直径构成流道内径D2,该流道内径D2 = 27mm 37mm ;流道外径D1与流道内径D2的算术平均值为平均流道直径，该平均流道直径D = (DfD2) /2 =34. Omm 44. Omm ;流道外径D1与流道内径D2之差的一半为流道宽度h，该流道宽度h =(D1-D2) /2 = 7. Omm 12. 0mm。进一步的，如图4、7所示，定子叶片202的进口角为a 2k，转子叶片102的进口角为i3lk，且cia = i3lk = 80° 100° ;定子叶片202的出口角为alk，转子叶片102的出口角为β21 ，且alk= Pa = 20° 40° ;定子叶片202与转子叶片102的前缘半径为r1;后缘半径为r2,安装角为β丨，且:T1 = O. 5mm I. 2mm, r2 = O. 3mm O. 8mm ; β ι = 45° 75°。其中，定子叶片和转子叶片(叶栅)的进口角、出口角、前缘半径、后缘半径、安装角的定义为本领域的公知技术，在此不再进行说明。 进一步的，定子叶片202与转子叶片102的叶片个数相等，且分别设有12 20个，从而满足不同工况的需求。如图4、7所示，相邻的两个定子叶片202或相邻的两个转子叶片102之间的节距t = 5. Omm 11. 0_。综上所述，本实用新型通过上述的结构设计，大幅度减小了涡轮定转子组合件径向尺寸，且具有结构简单、压降低、扭矩大、水力效率高的优点，有利于实现涡轮马达的微型化。如图8、9所示，分别为本实用新型涡轮马达实施例一剖面结构示意图和实施例二剖面结构示意图。如图8所示，本实用新型还提供了一种涡轮马达，该涡轮马达包括涡轮马达主轴和涡轮马达壳体，在涡轮马达主轴上套接有如上所述的涡轮定转子组合件。其中，涡轮定转子组合件沿轴向叠置有多个，形成多级涡轮定转子组合件。进一步的，多级涡轮定转子组合件为50级 250级涡轮定转子组合件。作为本实用新型涡轮马达一种可选的实施例，如图8所示，本实用新型提出一种主要由50级 250级微小尺寸涡轮定转子组合件、涡轮马达主轴31及涡轮马达壳体41等组成的Φ73_涡轮马达，适用于大于Φ88. 9_微小井眼或孔眼的连续油管钻进用涡轮钻具及底部钻具组合。多级涡轮转子由转子压紧螺母压紧在涡轮马达主轴31上，多级涡轮定子由外壳两端接头压紧在涡轮马达壳体41内。作为本实用新型涡轮马达另一种可选的实施例，如图9所示，本实用新型提出一种主要由50级 250级微小尺寸涡轮定转子组合件、涡轮马达主轴32及涡轮马达壳体42等组成的Φ60. 3_涡轮马达，适用于大于Φ73. Omm微小井眼或孔眼的连续油管钻进用涡轮钻具及底部钻具组合。多级涡轮转子由转子压紧螺母压紧在涡轮马达主轴32上，多级涡轮定子由外壳两端接头压紧在涡轮壳体42内。本实施例与上述实施例的不同之处在于，上述实施例中的涡轮定转子组合件及涡轮马达尺寸相对较大，功率、扭矩相对较大，适合相对较大尺寸的微小井眼或孔眼的连续油管钻进用涡轮钻具及底部钻具组合；而本实施例中的涡轮定转子组合件及涡轮马达尺寸相对较小，功率、扭矩相对较小，适合相对较小尺寸的微小井眼或孔眼的连续油管钻进用涡轮钻具及底部钻具组合。以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式
，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的 前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
权利要求1.ー种涡轮定转子组合件，包括转子和定子，其特征在于，所述转子包括圆筒状的转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，所述若干个转子叶片沿所述转子本体的外圆周表面均匀布设，所述转子叶冠套接于所述转子叶片的外缘；所述定子包括圆筒状的定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，所述若干个定子叶片沿所述定子本体的内圆周表面均匀布设，所述定子叶冠的外壁所述定子叶片的内缘相连接，所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁相套合。
2.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在于所述转子采用的材料为铸钢或不锈钢或合金钢或碳素结构钢。
3.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在于所述定子采用的材料为铸钢或不锈钢或合金钢或碳素结构钢。
4.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在于所述定子及所述转子的轴向高度为L = 20mm 36mm,所述定子的外径为Dse = 50mm 60mm,所述转子的内径为Dh =18mm 28mm。
5.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在于所述转子叶冠的轴向高度L1与所述定子叶冠轴向高度L2相等，为L1 = L2 = 8mm 12mm ;所述转子叶片的轴向高度L3与所述定子叶片的轴向高度L4相等，为L3 = L4 = 7mm Ilmm,且L1 = L2 > L3 = L4。
6.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在于所述转子叶冠的内圆周直径等于所述定子本体的内圆周直径且所述转子叶冠的内圆周直径和所述定子本体的内圆周直径构成流道外径D1,所述流道外径D1 = 41mm 51mm ;所述转子本体的外圆周直径等于所述定子叶冠的外圆周直径且所述转子本体的外圆周直径和所述定子叶冠的外圆周直径构成流道内径D2，所述流道内径D2 = 27mm 37mm ;所述流道外径D1与所述流道内径D2的算木平均值为平均流道直径，所述平均流道直径D = (DJD2)/2 = 34. Omm 44. Omm ;所述流道外径D1与所述流道内径D2之差的一半为流道宽度h，所述流道宽度h = (D1-D2) /2 = 7. Omm 12. Omnin
7.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在干所述定子叶片的进口角为a2k，所述转子叶片的进口角为Plk，且aa = Plk = 80° 100° ;所述定子叶片的出口角为a lk，所述转子叶片的出口角为0；^，且a ik= Pa = 20。 40° ;所述定子叶片与所述转子叶片的前缘半径为巧，后缘半径为r2,安装角为@丨,且;T1 = 0. 5mm I. 2mm, r2 = 0. 3mm = 75°。
8.如权利要求I所述涡轮定转子组合件，其特征在于所述定子叶片与所述转子叶片的叶片个数相等，且分别设有12 20个；相邻的两个所述定子叶片或相邻的两个所述转子叶片之间的节距t = 5. Omm 11. 0_。
9.ー种涡轮马达，其特征在于所述涡轮马达包括涡轮马达主轴和涡轮马达壳体，在所述涡轮马达主轴上套接有如权利要求I至8中任一项所述的涡轮定转子组合件。
10.如权利要求9所述涡轮马达，其特征在于所述涡轮定转子组合件沿轴向叠置有多个，形成多级涡轮定转子组合件，所述多级涡轮定转子组合件为50级 250级涡轮定转子组合件。
专利摘要本实用新型公开了一种涡轮定转子组合件，包括转子和定子，转子包括圆筒状的转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠，转子叶片沿转子本体的外圆周表面均匀布设，转子叶冠套接于转子叶片的外缘；定子包括圆筒状的定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠，若干个定子叶片沿定子本体的内圆周表面均匀布设，定子叶冠的外壁定子叶片的内缘相连接，定子叶冠的内壁与转子本体外壁相套合。本实用新型还提供了一种具有上述涡轮定转子组合件的涡轮马达。本实用新型结构简单、压降低、扭矩大、效率高、使用寿命长、适用于微小井眼连续油管钻进作业。
文档编号F03B13/02GK202520472SQ201220188500
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者谭春飞 申请人:中国石油大学(北京)