[发明专利]一种扭曲涡轮叶片、成型方法、涡轮及井下涡轮钻具

权利要求书

1.一种扭曲涡轮叶片，其特征在于：叶片轴向横截面为扇形，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，转子叶片为无叶冠叶片；轴向横截面为垂直于轴向的平面。

2.根据权利要求1所述的一种扭曲涡轮叶片，其特征在于：叶片在不同位置处的切向截面的线型包括设计叶形线(307)、叶顶叶形线(305)、叶根叶形线(306)；设计叶形线(307)为设计平面处的叶形线、叶顶叶形线(305)为叶顶平面上的叶形线，叶根叶形线(306)为叶根平面上的叶形线；切向截面为垂直于径向的平面；

所述叶顶叶形线(305)和叶根叶形线(306)任意相同高度对应的两点的连线经过设计叶形线(307)；叶顶叶形线(305)和叶根叶形线(306)沿轴向的有效高度均等于设计叶形线(307)沿轴向的有效高度；

叶顶叶形线(305)沿切向的有效长度大于叶根叶形线(306)沿切向的有效长度。

3.根据权利要求1所述的一种扭曲涡轮叶片，其特征在于：设计截面为半径R₀处的截面，设计叶形线(307)的坐标为已知系列数据f(z)，叶顶平面所在半径为R₂，叶顶平面所在半径为R₁，叶顶平面与叶根平面的叶形线分别为：

4.根据权利要求2所述的一种扭曲涡轮叶片，其特征在于：设计截面为半径R₀处的截面，叶顶平面所在半径为R₂，叶顶平面所在半径为R₁，R₀大于等于R₁,小于等于(R₁+R₂)/2。

5.一种涡轮，其特征在于：包括钻具轴线(401)和权利要求3中的扭曲涡轮叶片，所述扭曲涡轮叶片沿钻具轴线(401)周向等间隔设置有多个，任一扭曲涡轮叶片的叶顶叶形线(305)和叶根叶形线(306)沿径向方向退化为一条与钻具轴线(401)重合的直线段。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮，其特征在于：扭曲涡轮叶片的设计截面所处半径R₀等于流道几何平均半径，流道几何平均半径等于(R₁+R₂)/2；

单级涡轮副的输出扭矩关系式：

式中：ρ为采用流液密度，kg/m³；c_z为液流轴向分速度，m/s，通过流道面积与流量计算得到；n为额定工况下的涡轮转速，rpm。

7.根据权利要求5所述的一种涡轮，其特征在于：所述扭曲涡轮叶片的设计截面所处半径R₀不等于流道几何平均半径；

单级涡轮副的输出扭矩关系式为：

式中：ρ为采用流液密度，kg/m³；c_z为液流轴向分速度，m/s，通过流道面积与流量计算得到；n为额定工况下的涡轮转速，rpm。

8.一种扭曲涡轮叶片，其特征在于：叶片轴向横截面为扇形，叶片的切向方向的有效宽度随所处半径增大而连续增大，所述叶片为有叶冠叶片。

9.一种扭曲涡轮叶片的成型方法，其特征在于：

步骤一、确定设计叶型轮廓线的切向坐标y＝f(z)

步骤二、叶形线在相同的轴向坐标z处，

步骤三、叶片轴向高度范围内逐个按照步骤二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；

步骤四、在叶顶平面与叶根平面的叶形线之间放样，得到叶片。

10.一种井下涡轮动力钻具，其特征在于：使用所述权利要求5中的涡轮作为动力节。