[發明專利]一種扭曲渦輪葉片、成型方法、渦輪及井下渦輪鉆具

在審

• 申請號: 202110786150.X
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113297710A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 王瑜;何宇光;張德龍;徐予翔;孔令镕;張凱;凌雪
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;F03B3/12;F03B13/02;E21B4/02
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 張嶺;趙保迪

本申請涉及一種扭曲渦輪葉片、成型方法、渦輪及井下渦輪鉆具，其葉片軸向橫截面為扇形，葉片的切向寬度隨所處半徑增大而連續增大，所述葉片為無葉冠葉片；渦輪葉片沿鉆具軸線周向等間隔設置有多個，任一渦輪葉片的葉頂葉形線和葉根葉形線沿徑向方向退化為一條與鉆具軸線重合的直線段。本申請具有提高渦輪鉆具的輸出扭矩的效果。

技術領域

本申請涉及渦輪鉆具的領域，尤其是涉及一種扭曲渦輪葉片、成型方法、渦輪及井下渦輪鉆具。

背景技術

渦輪鉆具是一種重要的井下動力鉆具。渦輪鉆具本身的全金屬結構使其具有較好的耐溫性，是高溫深井的鉆井作業的必備工具；渦輪鉆具本身較小的橫向振動，保證其取心的質量較好，鉆進形成的井眼光滑便于下放測井儀器；渦輪鉆具本身高轉速的特點，配合孕鑲金剛石鉆頭在硬巖地層中取得了較好的應用效果。

現有的渦輪鉆具廣泛采用二維葉片，多數葉形存在輸出扭矩較小的缺點，限制了其在鉆井工程中的應用。一方面通過設置大扭矩葉片增大扭矩，但部分大扭矩葉形由于結構原因，使渦輪鉆具水力效率過低且轉速過高。另一方面通過設置井下減速器，可以減少轉速增大扭矩，但減速器價格昂貴，且儲油密封結構限制了其在高溫井中的應用。

針對上述中的相關技術，發明人認為渦輪鉆具中最主要的工作部件是渦輪定子和轉子，渦輪定子、轉子葉柵的水力性能決定了渦輪鉆具的性能，而葉片截面型線的造型設計在渦輪葉柵的設計中最為重要。經過幾十年的發展，渦輪葉片僅僅通過局部的型線修改很難大幅度提高輸出扭矩。

發明內容

為了提高渦輪鉆具的輸出扭矩，本申請提供一種扭曲渦輪葉片、成型方法、渦輪及井下渦輪鉆具。

本申請提供的一種扭曲渦輪葉片、成型方法、渦輪及井下渦輪鉆具，采用如下的技術方案：

第一方面，本申請提供一種扭曲渦輪葉片，采用如下的技術方案：

一種扭曲渦輪葉片，葉片軸向橫截面為扇形，葉片的切向方向的有效寬度隨所處半徑增大而連續增大，葉片包括轉子葉片和定子葉片，轉子葉片為無葉冠葉片；軸向橫截面為垂直于軸向的平面。

優選的，葉片在不同位置處的切向截面的線型包括設計葉形線、葉頂葉形線、葉根葉形線；設計葉形線為設計平面處的葉形線、葉頂葉形線為葉頂平面上的葉形線，葉根葉形線為葉根平面上的葉形線；切向截面為垂直于徑向的平面；

所述葉頂葉形線和葉根葉形線任意相同高度對應的兩點的連線經過設計葉形線；葉頂葉形線和葉根葉形線沿軸向的有效高度均等于設計葉形線沿軸向的有效高度；

葉頂葉形線沿切向的有效長度大于葉根葉形線沿切向的有效長度。

優選的，設計截面為半徑R₀處的截面，設計葉形線的坐標為已知系列數據f(z)，葉頂平面所在半徑為R₂，葉頂平面所在半徑為R₁，葉頂平面與葉根平面的葉形線分別為：

優選的，R₀大于等于R₁,小于等于(R₁+R₂)/2。

第二方面，本申請提供一種渦輪，采用如下的技術方案：

一種渦輪，包括鉆具軸線和扭曲渦輪葉片，所述扭曲渦輪葉片沿鉆具軸線周向等間隔設置有多個，任一扭曲渦輪葉片的葉頂葉形線和葉根葉形線沿徑向方向退化為一條與鉆具軸線重合的直線段。

優選的，扭曲渦輪葉片的設計截面所處半徑R₀等于流道幾何平均半徑，流道幾何平均半徑等于(R₁+R₂)/2；

單級渦輪副的輸出扭矩關系式：

式中：ρ為采用流液密度，kg/m³；c_z為液流軸向分速度，m/s，通過流道面積與流量計算得到；n為額定工況下的渦輪轉速，rpm。