一种涡轮钻具动力节及其涡轮级的制作方法

本实用新型涉及石油钻采井下设备技术领域，更具体地说，涉及一种涡轮级。本实用新型还提供一种包括上述涡轮级的涡轮钻具动力节。

背景技术：

涡轮钻具在20世纪20年代最早出现，并于50年代在前苏联得到广泛应用，至今俄罗斯仍然大规模采用涡轮钻具作为井下马达。涡轮钻具相比螺杆马达，具有转速高，功率大等特点，另外涡轮钻具为全钢结构，不像螺杆马达具有橡胶的定子部件，从而涡轮钻具更能适应井下的高温高压特点，耐腐蚀，工作寿命长。

传统的涡轮钻具一般分为动力节和支承节。动力节部分一般配有100级左右的涡轮级，每个涡轮级包括一个静止的定子叶轮和一个旋转的转子叶轮。钻井液流经定子叶片通道时，流动方向发生偏转，流动速度提高，静压下降，动压升高；当从定子叶片流出后，即进入转子叶片通道，转子叶片的弯曲方向与定子叶片刚好相反，从而对流体施加反向的偏转力，最终流体恢复轴向流出，其周向动量的改变产生了对转子叶片的反作用力，推动转子叶片旋转，输出轴功。支承节一般配有多级推力轴承，主要是承载流体对主轴和转子施加的推力。

传统涡轮钻具的动力节中，一般每隔20级至30级需要布置一个径向轴承，起到扶正主轴的作用。这类轴承分为两大类，第一类的摩擦副为橡胶-合金，第二类的摩擦副为合金-合金。相比较而言，第二类的性能和寿命优于第一类。但是相比动力节的其他部件来说，轴承仍然是寿命最短的部件，一般涡轮钻具在钻井工作完成以后的保养维护中，主要需要替换的就是轴承部件。对于涡轮钻具来说，每一级涡轮的定子和转子之间都留有很小的径向间隙，这个间隙必须由径向轴承来保持，一旦径向轴承出现磨损，涡轮的高速转子就和定子相接触，导致涡轮叶片的直接损坏和失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种涡轮级，可以代替传统的径向轴承承受径向载荷，提高了钻具的使用寿命、节约了使用成本。本实用新型还提供一种包括上述涡轮级的涡轮钻具动力节，其整体长度得到显著缩短，且结构简单、机械效率高、使用寿命长。

本实用新型提供一种涡轮级，包括转子和套装于所述转子外部的定子，所述转子设有转子内环，所述定子设有定子内环，还包括安装于所述定子内环的内侧面，且套装于所述转子内环的外侧面、用以承受径向载荷的一对内环摩擦副。

优选的，所述内环摩擦副包括喷涂于所述内侧面的第一硬质合金层，以及喷涂于所述外侧面的第二硬质合金层。

优选的，所述内环摩擦副具体为焊接于所述定子内环内侧面和/或焊接于所述转子内环外侧面的硬质合金套。

优选的，还包括焊接于所述第一硬质合金层或者所述第二硬质合金层内部的多个合金块，多个所述合金块均布于所述第一硬质合金层或者所述第二硬质合金层。

优选的，一对所述内环摩擦副开设有沿所述内环摩擦副的径向延伸的导流槽，所述导流槽为多个，多个所述导流槽沿所述内环摩擦副的周向均匀分布。

优选的，还包括安装于所述定子外环的内侧面以及所述转子外环的外侧面的一对外环摩擦副。

一种涡轮钻具动力节，包括机壳、主轴、套装于所述主轴的多个所述涡轮级，还包括套装于所述主轴、用以将上一级所述转子压紧于下一级所述转子的转子压紧机构；

还包括套装于所述主轴、用以将全部所述定子压紧于所述机壳的定子压紧机构。

优选的，所述转子压紧机构包括设于全部所述涡轮级的上部的整流帽，以及套装于所述主轴，且设于全部所述涡轮级下部的转子锁紧螺母，所述整流帽和所述转子锁紧螺母能够将上一级的所述转子压紧于下一级的所述转子上。

优选的，所述定子压紧机构具体为套装于所述整流帽，以及用以将全部所述定子压紧于所述机壳的定子锁紧螺母。

优选的，所述整流帽设有内螺纹，所述主轴设有外螺纹，所述整流帽与所述主轴螺纹连接。

与上述背景技术相比，本实用新型提供一种涡轮级，通过在定子内环的内侧面以及转子内环的外侧面安装一对内环摩擦副，来代替传统的径向轴承承受径向载荷。由于每一级涡轮的定子和转子之间都留有较小的径向间隙，此间隙通过径向轴承来保持，一旦径向轴承出现磨损，涡轮的高速转子就会与定子相接触，从而导致涡轮叶片的直接损坏，进而损坏涡轮钻具。由此，本实用新型的涡轮级，采用在定子和转子之间安装摩擦副，以此来代替径向轴承承受径向载荷，节省了径向轴承所占用的安装空间，并且可以有效的保护涡轮级和涡轮钻具，提高了涡轮级和涡轮钻具的使用寿命。

本实用新型还提供一种包括上述涡轮级的涡轮钻具动力节，由于具有上述涡轮级，使得钻具的整体长度显著缩短，从而使钻具下游的钻头到钻具上游的MWD(随钻测井工具)之间的距离也缩短，测井数据的及时性得以提高，整个BHA(井底总成)因而具有更好的导向性。另外，采用涡轮级替代传统径向轴承，使得整个动力节中轴承布置的数量和位置更为灵活，在总长度限定的条件下，在动力节布置更多的带有径向轴承的涡轮级不会改变动力节的动力输出性能，反而能使径向载荷分布更均匀，更加有利于提高主轴的稳定性以及延长涡轮级摩擦副的使用寿命。最后，由于传统径向轴承被涡轮级替代，整个动力节的流道呈现完全周期性，有助于提升机械效率，同时抑制冲蚀等现象的发生，从而使钻具整体的动力性能得以提升，涡轮的使用寿命得以延长。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的涡轮级的结构示意图；

图2为图1中转子的结构示意图；

图3为图2的剖视图；

图4为图1中定子的结构示意图；

图5为图4的剖视图。

其中，1-转子、11-转子内环、12-转子外环、2-定子、21-定子内环、22-定子外环、3-机壳、4-主轴、5-整流帽、6-转子锁紧螺母、7-定子锁紧螺母、8-内环摩擦副、9-导流槽。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种涡轮级，可以代替径向轴承承受径向载荷，节省了径向轴承所占用的安装空间，并且同时具有普通涡轮级的动力输出功能。本实用新型还提供一种包括上述涡轮级的涡轮钻具动力节，相较于传统的涡轮钻具动力节，由于径向轴承被涡轮级所替换，使得钻具的整体长度得以缩短，机械效率得以提高，设计灵活度得以加大。

需要说明的是，本文中出现的方位词“上、下”方向指的是图1中的上、下方向。本文中出现的方位词均是以本领域技术人员的习惯用法以及说明书附图为基准而设立的，它们的出现不应当影响本实用新型的保护范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1、图2、图3、图4和图5，图1为本实用新型所提供的涡轮级的结构示意图；图2为图1中转子的结构示意图；图3为图2的剖视图；图4为图1中定子的结构示意图；图5为图4的剖视图。

本实用新型提供一种涡轮级，包括转子1和定子2，安装时，定子2套装在转子1外部。转子1设有转子内环11和转子外环12，定子2设有定子内环21和定子外环22，转子内环11的外侧面以及定子内环21的内侧面安装有一对摩擦副，该对摩擦副具有足够的强度和耐磨性，当钻具工作时，该摩擦副起代替径向轴承承受径向载荷的作用，由此可以取代径向轴承，从而避免了径向轴承磨损而损伤涡轮级及钻具，提高了涡轮级及钻具的作用寿命，且节省了安装空间。

在第一种具体实用例中，上述内环摩擦副包括喷涂于定子内环21内侧面上的第一硬质合金层和喷涂于转子内环11外侧面上的第二硬质合金层。

在第二种具体实施例中，上述内环摩擦副具体为一对硬质合金套，采用钴含量为8％-20％的碳化钨钴合金，经烧结成型，该硬质合金套分别钎焊于定子内环21内侧面和转子内环11外侧面，摩擦副也可以择一的焊接在定子内环21的内侧面或者转子内环11的外侧面。由于硬质合金套具有较高的耐磨性，且厚度较厚，可以有效的保护定子2和转子1，从而提高定子2和转子1的使用寿命。

虽然，硬质合金套耐磨性好，但是其材料较脆，且耐冲击性不高，因此，为了提高内环摩擦副的耐冲击性，在本发明的第三种具体实施例中，内环摩擦副包括喷涂于定子内环21内侧面的第一硬质合金层、转子内环11外侧面的第二硬质合金层，第一硬质合金层或者第二硬质合金层均包括合金块阵列。在加工过程中，先将硬质合金块按照一定的阵列方式粘接在内环表面，再将粘接合金粉末采用堆焊的方法填充到合金块之间的空隙里，最后精磨摩擦副表面。合金块的截面形状优选为方形或者圆形，当转子1相对于定子2旋转时，合金块起到滑动轴承的作用，以承担摩擦力。合金块优选采用高硬度、高耐磨性及耐高温的碳化钨钴合金作为合金块的主要材料，以提高合金块的耐磨、耐冲击以及耐高温性能。

多个合金块可以以阵列的方式均布于第一硬质合金层或者第二硬质合金层，也可以在第一硬质合金层和第二硬质合金层上同时布置合金块，但应避免发生相对运动时，两侧的合金块发生运动干涉。当然，合金块的分布方式还可以多种多样。

为了防止内环摩擦副8温度过高，可以在定子内环摩擦副表面，或者转子内环摩擦副表面开设导流槽9，当然，导流槽9也可以同时开设于定子内环摩擦副和转子内环摩擦副表面，导流槽9从一侧端面沿着内环摩擦副的径向延伸至与该侧端面相对的另一侧端面，这样一来，钻井液经由导流槽9时，即可冷却内环摩擦副8，以防止内环摩擦副8的表面温度过高。导流槽9可以为直线型，或者为任意曲线型。

为最大化的提高冷却效果，可以在内环摩擦副表面开设多个导流槽9，多个导流槽9沿着内环摩擦副8的周向均匀分布，以方便加工，且外形更加美观。

此外，还可以在定子外环22的内侧面和转子外环12的外侧面设置外环摩擦副，外环摩擦副同样可以采用上述三种具体实施例来实现。外环摩擦副可以进一步提高定子外环22和转子外环12之间的摩擦性，从而进一步的保护定子2和转子1。

本实用新型还提供一种涡轮钻具动力节，包括机壳3、主轴4、套装于主轴4上的多个涡轮级，以及改善前的传统涡轮级，在配比上，传统涡轮级占全部涡轮级的80％-90％为最优，当然，传统涡轮级与本发明所提供的改进后的涡轮级之间比例，可以多种多样，本文不作具体限定。由于具有上述涡轮级，涡轮级取代了径向轴承承担径向载荷，由此省去了径向轴承的安装空间，从而缩短了机壳3的长度，钻具长度的缩短，有助于进一步提升BHA的导向性，同时径向轴承的去除也有助于改善流场，提升钻具的性能和寿命。主轴4上还安装有转子压紧机构，转子压紧机构可以将上一级转子1逐级压紧于下一级转子1上，也即，实现全部转子1的轴向压紧，最终将全部转子1压紧于主轴4上，以防止转子1与主轴4发生相对转动。

此外，主轴4上还安装有定子压紧机构，定子压紧机构用于将全部定子2逐级压紧至机壳3上，从而将转子1与定子2相分离，以防止定子2与转子1发生相对运动。

具体来说，转子压紧机构包括整流帽5和转子锁紧螺母6，整流帽5套装在主轴4上，且设于全部涡轮级的上方，也即，整流帽5设于第一级转子1的上方，整流帽5设有内螺纹，主轴4的顶部设有外螺纹，整流帽5锁紧于主轴4上；转子锁紧螺母6锁紧在主轴4上，且设置于全部涡轮级的下方，也即，转子锁紧螺母6设于最后一级的转子1的下方。这样一来，整流帽5向第一级转子1施加压紧力，第一级转子1将压紧力逐级传递给下一级转子1，直至传递至最后一级的转子1，最后一级的转子1将压紧力施加予转子锁紧螺母6，而转子锁紧螺母6与主轴4锁紧连接，由此将全部转子1的轴向力施加至主轴4上，当主轴4旋转时，转子1得以与主轴4同步运动，从而确保转子1与主轴4连接的可靠性。

定子压紧机构具体为定子锁紧螺母7，其套装于整流帽5上，整流帽5的底部设有外螺纹，该定子锁紧螺母7通过螺纹连接于整流帽5的外周面，当定子锁紧螺母7处于锁紧状态时，定子锁紧螺母7的底端平面压紧在第一级定子2上，由于上级定子2与下级定子2相承接，并且，最后一级的定子2固定在机壳3上，因而，在定子锁紧螺母7的压紧力作用下，可以将全部定子2压紧在机壳3上，可以有效的防止定子2运动。

由此可见，本实用新型中，全部转子1前后逐级承接的安装方式，整流帽5锁紧后，得以将锁紧力通过各级转子1最终传递至主轴4上，由此实现了转子1与主轴4的同步转动。此外，各级定子2同样采用前后承接的安装方式，通过在主轴4顶部安装定子锁紧螺母7，处于锁紧状态下的定子锁紧螺母7，可以将锁紧力通过各级定子2最终传递至机壳3上，以防止定子2与机壳3发生相对转动。

以上对本实用新型所提供的涡轮钻具动力节及其涡轮级进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。