拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件的制作方法

文档序号:5162242阅读:210来源:国知局
拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,包括定子和转子,定子与转子的中心轴线共线;定子包括定子本体、定子叶片和定子叶冠,转子包括转子本体、转子叶片和转子叶冠,定子叶冠的内壁与转子本体外壁同轴套装,若干个定子叶片沿周向倾斜设置于定子叶冠外壁与定子本体内壁之间;若干个转子叶片沿周向倾斜设置于转子本体外壁与转子叶冠内壁之间,且定子叶片与转子叶片的倾斜方向相同。本实用新型能够降低涡轮钻具转速,使涡轮钻具工作转速区域变窄,提高了涡轮钻具的过载能力。
【专利说明】拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及石油、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钻具,尤其是一种拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件, 属于机械制造【技术领域】。

【背景技术】
[0002] 涡轮钻具是工业应用最早的一种井下液动马达,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。涡轮钻具是石油矿场常用的一种井下 动力钻具。由于由现有多级涡轮定转子组合件构成的涡轮钻具转速过高,钻头轴承或牙齿 磨损过快,一趟钻的进尺和纯钻时间比转盘钻井低很多。
[0003] 鉴于上述现有涡轮钻井技术存在的缺点,本技术设计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,以期实现一种压降低、空转转速和工作转速 低、工作扭矩适中的拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种制动扭矩大、水力损失小的拉伸楔子形叶片制动级 定转子组合件。
[0005] 为达到上述目的,本实用新型提出一种拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,包 括同轴套装的定子和转子,所述定子与所述转子的中心轴线共线;所述定子包括同轴设置 的圆筒状定子本体、若干个定子叶片和圆环状定子叶冠,所述转子包括同轴设置的圆筒状 转子本体、若干个转子叶片和圆环状转子叶冠,所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁 同轴套装,若干个所述定子叶片沿周向倾斜设置于所述定子叶冠外壁与所述定子本体内壁 之间;若干个所述转子叶片沿周向倾斜设置于所述转子本体外壁与所述转子叶冠内壁之 间。
[0006] 如上所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其中,所述定子叶片中心线和转 子叶片中心线在等径圆柱面上的展开线均为直线,该直线与通过定子和转子的等值子午面 形成倾斜角;所述定子叶片的倾斜角与所述转子叶片的倾斜角倾斜方向相同;在同一等径 圆柱面上,所述定子叶片的倾斜角与所述转子叶片的倾斜角大小相等。
[0007] 如上所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其中,所述定子叶片的轮廓线包 括定子叶顶、定子叶底、定子叶片压力面和定子叶片吸力面,所述转子叶片的外轮廓线包括 转子叶顶、转子叶底、转子叶片压力面和转子叶片吸力面,所述定子叶片和转子叶片的拉伸 截面各有一个,所述定子叶片的拉伸截面为所述定子叶底或定子叶顶与其等径圆柱面的截 面;所述转子叶片的拉伸截面为所述转子叶底或转子叶顶与其等径圆柱面的截面。
[0008] 如上所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其中,所述定子叶片和转子叶片 的拉伸引导线各有一条,所述定子叶片的拉伸引导线为沿所述定子本体的径向垂直于所述 定子叶片的后缘中点的直线;所述转子叶片的拉伸引导线为沿所述转子本体的径向垂直于 所述转子叶片的前缘中点的直线。
[0009] 如上所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其中,各所述定子叶片或各所述 转子叶片的周向厚度沿各自径向大小相等。
[0010] 如上所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其中,各所述定子叶片或各转子 叶片的轴向高度沿各自径向大小相等。
[0011] 如上所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其中,所述定子叶片后缘的拉伸 引导线指向所述定子本体的半径方向;所述转子叶片前缘的拉伸引导线指向所述转子本体 的半径方向。
[0012] 本实用新型的定子叶片及转子叶片的叶型均为拉伸形成,叶片前缘薄、叶片后缘 厚,即定子叶片为由在定子叶底等径圆柱面上的叶片三维设计曲面沿后缘中点叶片曲面径 向垂线拉伸到叶顶等径圆柱面形成,或定子叶片为由在定子叶顶等径圆柱面上的叶片三维 设计曲面沿后缘中点叶片曲面径向垂线拉伸到叶底等径圆柱面形成;转子叶片为由在转子 叶底等径圆柱面上的叶片三维设计曲面沿前缘中点叶片曲面径向垂线拉伸到叶顶等径圆 柱面形成,或转子叶片为由在转子叶顶等径圆柱面上的叶片三维设计曲面沿前缘中点叶片 曲面径向垂线拉伸到叶底等径圆柱面形成。每一叶片形似一楔子。所述定子叶片和转子 叶片的拉伸截面各有一个,分别是在定子叶底或叶顶等径圆柱面上的叶片三维设计曲面、 在转子叶底或叶顶等径圆柱面上的叶片三维设计曲面;所述定子叶片和转子叶片的拉伸引 导线也各有一条,分别是经过定子叶片后缘中点的叶片曲面径向垂线、经过转子叶片前缘 中点的叶片曲面径向垂线。所述定子叶片或转子叶片的周向厚度沿拉伸引导线不变、轴向 高度沿径向相等。所述定子叶片中心线或转子叶片中心线在等径圆柱面上的展开线均为 直线,该直线与等值子午面形成倾斜角(又称安装角);与定子、转子同中心轴线的等径圆 柱面上的定子叶片倾斜角与转子叶片倾斜角,方向相同,大小相等,且沿径向相等。所述定 子叶片后缘拉伸引导线、转子叶片前缘拉伸引导线均指向半径方向。所述定子或转子叶片 压力面和吸力面与等I值(I值是涡轮制动级定转子叶片前缘与后缘之间任一与定子或转 子轴线垂直的平面与前缘和后缘的相对位置;当该平面与前缘最高点处于相同位置时I = 〇.〇,当该平面与后缘最高点处于相同位置时I = 1.0)子午面的两条相贯直线与定子或转 子半径方向平行。
[0013] 所述定子叶片和转子叶片的拉伸引导线除前述经过定子叶片后缘中点的叶片曲 面径向垂线、经过转子叶片前缘中点的叶片曲面径向垂线外各有另一条:它们分别是是经 过定子叶片后缘上除后缘中点外的其它任何一点的叶片曲面径向垂线、经过转子叶片前缘 上除前缘中点外的其它任何一点的叶片曲面径向垂线。
[0014] 本实用新型具有以下特点和优点:
[0015] 本实用新型拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件结构简单、制动扭矩大、水力损 失小,一定数量拉伸水力制动级定转子与一定数量涡轮定转子组合装配在一起可以显著降 低涡轮钻具空转转速及工作转速,提高涡轮钻具的工作时间、过载能力、在低转速下工作的 稳定性和涡轮钻井进尺。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 在此描述的附图仅用于解释目的,而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的 范围。另外,图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的,用于帮助对本实用新型的理 解,并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新 型的导下,可以根据具体情况选择各种可能的状和比例尺寸来实施本实用新型。
[0017] 图1为本实用新型拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件实施例一剖面结构示意 图;
[0018] 图2为本实用新型实施例的定子剖面结构示意图;
[0019] 图3为本实用新型实施例的定子立体结构示意图;
[0020] 图4为本实用新型实施例的定子叶片沿叶顶等径圆柱面展开示意图;
[0021] 图5为本实用新型实施例的定子沿I = 0. 5的等值子午面剖切示意图;
[0022] 图6为本实用新型实施例的转子剖面结构示意图;
[0023] 图7为本实用新型实施例的转子立体结构示意图;
[0024] 图8为本实用新型实施例的转子叶片沿叶顶等径圆柱面展开示意图;
[0025] 图9为本实用新型实施例的转子沿I = 0. 5的等值子午面剖切示意图;
[0026] 图10为本实用新型拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件实施例的立体局部剖切 结构示意图。
[0027] 附图标记说明:
[0028] 1-转子;101-转子本体;102-转子叶片;103-转子叶冠;104-凸台;105-转子 叶片吸力面;106-转子叶片压力面;107-转子叶顶;108-转子叶底;109-转子叶片前缘; 110-转子叶片后缘。
[0029] 2-定子;201-定子本体;202-定子叶片;203-定子叶冠;204-定子叶片压力面; 205-定子叶片吸力面;207-定子叶顶;208-定子叶底;209-定子叶片前缘;210-定子叶片 后缘。

【具体实施方式】
[0030] 结合附图和本实用新型【具体实施方式】的描述,能够更加清楚地了解本实用新型的 细节。但是,在此描述的本实用新型的【具体实施方式】,仅用于解释本实用新型的目的,而不 能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下,技术人员可以构想 基于本实用新型的任意可能的变形,这些都应被视为属于本实用新型的范围。
[0031] 请参考图1至图10,图1为本实用新型拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件实施 例的剖面结构示意图;图2为本实用新型实施例的定子剖面结构示意图;图3为本实用新 型实施例的定子立体结构示意图;图4为本实用新型实施例的定子叶片沿叶顶等径圆柱面 展开不意图;图5为本实用新型实施例的定子沿I = 0. 5的等值子午面剖切不意图;图6为 本实用新型实施例的转子剖面结构示意图;图7为本实用新型实施例的转子立体结构示意 图;图8为本实用新型实施例的转子叶片沿叶顶等径圆柱面展开示意图;图9为本实用新 型实施例的转子沿I = 〇. 5的等值子午面剖切示意图;图10为本实用新型拉伸楔子形叶片 制动级定转子组合件实施例的立体局部剖切结构示意图。
[0032] 如图1至图10所示,本实用新型提出的拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,包 括同轴套装的定子2和转子1,定子2与转子1的中心轴线共线;如图2至图5所示,定子2 包括同轴设置的圆筒状定子本体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 的叶底相连接,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。若干个定子叶片202沿定子本体201周向倾斜设置于所述定子叶冠203外壁与定子 本体201内壁之间。如图6至图9所示,转子1包括同轴设置的圆筒状转子本体101、若干 个转子叶片102和圆环状转子叶冠103,在转子本体101的一端外周设有径向凸出的凸台 104,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的叶顶,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。如 图1所示,定子叶冠203的内壁与转子本体101外壁同轴套装,且定子本体201与转子本体 101中轴线共轴,即定子叶冠203的内壁与转子本体101外壁同轴套合,使得定子2与转子 1配合安装。
[0033] 在本实用新型中,定子叶片202及转子叶片102的叶型均为拉伸形成。如图3所 示,定子叶片202邻接定子本体201的一侧为定子叶顶207,而其邻接定子叶冠203的一侧 为定子叶底208。在定子叶顶207与定子叶底208之间具有任意多个与定子本体201和 定子叶冠203共中心轴线的圆柱面,每个圆柱面称之为等径圆柱面。定子叶顶207与定子 叶底208之间的任一等径圆柱面与定子叶顶207及定子叶底208的相对位置用S值表示, 0彡S彡1. 0 :当等径圆柱面与定子叶底208所在圆柱面重合时S = 0. 0,当等径圆柱面与 定子叶顶207所在圆柱面重合时S = 1.0。相应的,如图7所示,转子叶片102邻接转子本 体101的一侧为转子叶底108,而其邻接转子叶冠103的一侧为转子叶顶107,在转子叶顶 107与转子叶底108之间具有任意多个与转子本体101和转子叶冠103共中心轴线的圆柱 面,每个圆柱面也称之为等径圆柱面。转子叶顶107与转子叶底108之间的任一等径圆柱 面与转子叶顶107及转子叶底108的相对位置用S值表示,0彡S彡1. 0 :当等径圆柱面与 转子叶底108所在圆柱面重合时S = 0. 0,当等径圆柱面与转子叶顶107所在圆柱面重合时 S = 1. 0。由于定子2与转子1上下共中心轴线套装叠合设置,因此在等S值的定子2上的 等径圆柱面与转子1上的等径圆柱面为同一等径圆柱面。
[0034] 在本实用新型中,与定子2和转子1的中心轴线垂直相交的平面称之为子午面。 如图5所示,在定子叶片202的上端(入口)和下端(出口)之间的子午面与上端及下端 的相对位置用I值表示,0 < I < 1. 0。其中,等I值的子午面称为等值子午面:当等值子 午面与定子叶片202的上端相切时I = 0. 0,当等值子午面与定子叶片202的下端相切时I =1.0。相应的,如图9所示,在转子叶片102的上端(入口)和下端(出口)之间的子午 面与上端及下端的相对位置用I值表示,〇. 〇 < I < 1. 0。其中,等I值的子午面也称为等 值子午面:当等值子午面与转子叶片102的上端相切时I = 0. 0,当等值子午面与转子叶片 102的下端相切时I = 1.0。
[0035] 如图2至图9所示,定子叶片202及转子叶片102均为拉伸形成的叶片,且定子叶 片202中心线及转子叶片102中心线分别与各自的等值子午面形成一倾斜角(又称安装 角),且等径圆柱面上的定子叶片倾斜角β 12与转子叶片倾斜角Pu,方向相同,大小相等, 且沿径向(由内向外)相等。
[0036] 进一步的,如图4、图8所示,定子叶片202沿其等径圆柱面的展开轮廓线呈一端厚 度大于另一端厚度的楔形;转子叶片102沿其等径圆柱面的展开轮廓线呈一端厚度大于另 一端厚度的楔形。其中,转子叶片前缘109、定子叶片前缘209较薄、转子叶片后缘110、定 子叶片后缘210较厚。
[0037] 进一步的,如图4、图8所示,在任一等径圆柱面上,定子叶片202的前缘209和后 缘210 (在叶顶等径圆柱面上的前缘圆弧半径为r21,后缘圆弧半径为r22,且r21彡r 22)分别 与吸力面205、压力面204的轮廓线相切;转子叶片102的前缘109和后缘110 (在叶顶等 径圆柱面上的前缘圆弧半径rn,后缘圆弧半径为r12,且rn彡r 12)分别与吸力面105、压力 面106的轮廓线相切。这样可以大大降低水力损失。
[0038] 进一步的,定子叶片202的外轮廓线包括定子叶顶207、定子叶底208、定子叶片 压力面204和定子叶片吸力面205 ;转子叶片102的外轮廓线包括转子叶顶107、转子叶底 108、转子叶片压力面106和转子叶片吸力面105。定子叶片202和转子叶片102的拉伸截 面各有一个,定子叶片202的拉伸截面为定子叶底208或定子叶顶207与其等径圆柱面的 截面;转子叶片102的拉伸截面为转子叶底108或转子叶顶107与其等径圆柱面的截面。
[0039] 进一步的,定子叶片202和转子叶片102的拉伸引导线各有一条,定子叶片202 的拉伸引导线为沿定子本体201的径向垂直于定子叶片202的后缘中点的直线;转子叶片 102的拉伸引导线为沿转子本体101的径向垂直于转子叶片102的前缘中点的直线。
[0040] 进一步的,各定子叶片202或各转子叶片102的周向厚度沿其拉伸引导线相等、轴 向高度沿各自径向相等。在本实施例中,如图1、图2及图6所示,拉伸楔子形叶片制动级定 子2及转子1的轴向高度为L = 20?60mm ;制动级定子外径为Dse = 50?300mm,制动级 转子内径为= 20?200_。
[0041] 进一步的,定子叶片后缘210的拉伸引导线指向定子本体201的半径方向;转子叶 片前缘109的拉伸引导线指向转子本体101的半径方向。
[0042] 进一步的,如图1、图2及图6所示,拉伸楔子形叶片制动级转子叶冠103的内圆环 通道及定子本体201的内圆周壁构成流体流道。转子叶冠103的内圆周直径等于定子 本体201的内圆周直径Dsl,即该定转子组合的流道外gDi = = Dsl ;转子本体101的凸 台104的外圆周直径1\2等于定子叶冠203的外圆周直径Ds2,即该定转子组合的流道内径 D2 = = Ds2 ;流道外径Di与流道内径D2的算术平均值为平均流道直径D ;流道外径Di与 流道内径D2之差的一半为流道宽度h =匕=hs,h = (Di-Dd/2 = 5. 0?100. 0mm。
[0043] 进一步的,如图3和图7所示,拉伸楔子形叶片制动级定子叶片202的叶片个数n2 与转子叶片101的叶片个数h分别为ηι = 10?60个,n2 = 10?60个,以满足不同工况 需求。
[0044] 进一步的,如图4和图8所示,拉伸楔子形叶片制动级定子叶片202及转子叶片 102都是通过拉伸生成的,且在任一等径圆柱面上定子叶片202的安装角β 12与转子叶片 102的安装角β u相等,取值范围10°彡β u = β 12彡90°。转子叶冠103的轴向高度为 Q,即1^山2 = 8?19mm ;定子叶冠203轴向高度为L2,即L2 = 8?19mm。转子叶片102的 轴向高度为氏,氏=8?19mm ;定子叶片202的轴向高度为H2, H2 = 8?19mm。转子叶片 102压力面106与吸力面105之间的夹角为外,〇°彡外5£1〇°;定子叶片202压力面204与 吸力面205之间的夹角为死,0°<死<10'相邻两个定子叶片202之间的节距t2或相邻 两个转子叶片101之间的节距h分别为h = 3. 0?10. 0mm,t2 = 3. 0?10. 0mm,节距心 与节距&可以取不同值。
[0045] 进一步的,如图5和图9所示,所述定子叶片或转子叶片与I = 0. 5的等值子午面 相切,定子或转子叶片压力面和吸力面与等值子午面的两条相贯直线与定子或转子半径方 向平行。
[0046] 本实用新型在使用时,拉伸楔子形叶片制动级转子1的叶片102等同于定子2的 叶片202在轴向的旋转延长(定子叶片与转子叶片的安装角相同),当水力制动级定转子组 合件与涡轮级定转子组合件安装在同一根主轴上,工作液流经定转子组合件时,涡轮级转 子旋转而产生扭矩,水力制动级转子被带动旋转。由于制动级定子叶片的倾斜方向与涡轮 级定子叶片的倾斜方向是相反的,因此从制动级定子流出的工作液将对制动级转子叶片的 旋转起阻碍作用,亦即对涡轮钻具主轴不仅不能产生工作扭矩,而且要消耗扭矩,从而使主 轴的转速有所降低。同时,制动级转子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(降低总压降)。
[0047] 综上所述,本实用新型通过上述结构设计,使得拉伸楔子形叶片制动级定转子组 合件能够降低涡轮钻具转速,使涡轮钻具工作转速区域变窄,提高了涡轮钻具的过载能力。 [〇〇48] 针对上述各实施方式的详细解释,其目的仅在于对本实用新型进行解释,以便于 能够更好地理解本实用新型,但是,这些描述不能以任何理由解释成是对本实用新型的限 制,特别是,在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合,从而组成其他实施 方式,除了有明确相反的描述,这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中,而并 不仅局限于所描述的实施方式。
【权利要求】
1. 一种拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,包括同轴套装的定子和转子,所述定子 与所述转子的中心轴线共线;所述定子包括同轴设置的圆筒状定子本体、若干个定子叶片 和圆环状定子叶冠,所述转子包括同轴设置的圆筒状转子本体、若干个转子叶片和圆环状 转子叶冠,所述定子叶冠的内壁与所述转子本体外壁同轴套装,其特征在于:若干个所述定 子叶片沿周向倾斜设置于所述定子叶冠外壁与所述定子本体内壁之间,若干个所述转子叶 片沿周向倾斜设置于所述转子本体外壁与所述转子叶冠内壁之间;所述定子叶片中心线和 转子叶片中心线在等径圆柱面上的展开线均为直线,该直线与通过定子和转子的等值子午 面形成倾斜角;所述定子叶片的倾斜角与所述转子叶片的倾斜角倾斜方向相同; 在同一等径圆柱面上,所述定子叶片的倾斜角与所述转子叶片的倾斜角大小相等; 所述定子叶片的外轮廓线包括定子叶顶、定子叶底、定子叶片压力面和定子叶片吸力 面,所述转子叶片的外轮廓线包括转子叶顶、转子叶底、转子叶片压力面和转子叶片吸力 面,所述定子叶片和转子叶片的拉伸截面各有一个,所述定子叶片的拉伸截面为所述定子 叶底或定子叶顶与其等径圆柱面的截面;所述转子叶片的拉伸截面为所述转子叶底或转子 叶顶与其等径圆柱面的截面; 所述定子叶片和转子叶片的拉伸引导线各有一条,所述定子叶片的拉伸引导线为沿所 述定子本体的径向垂直于所述定子叶片的后缘中点的直线;所述转子叶片的拉伸引导线为 沿所述转子本体的径向垂直于所述转子叶片的前缘中点的直线。
2. 如权利要求1所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其特征在于:各所述定子 叶片或各所述转子叶片的周向厚度沿各自径向大小相等。
3. 如权利要求1所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其特征在于:各所述定子 叶片或各所述转子叶片的轴向高度沿各自径向大小相等。
4. 如权利要求1所述拉伸楔子形叶片制动级定转子组合件,其特征在于:所述定子叶 片后缘的拉伸引导线指向所述定子本体的半径方向;所述转子叶片前缘的拉伸引导线指向 所述转子本体的半径方向。
【文档编号】F03B3/16GK203867763SQ201420269284
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】谭春飞 申请人:中国石油大学(北京)
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