[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

说明书

本申请涉及一种扭曲涡轮叶片、成型方法、涡轮及井下涡轮钻具，其叶片轴向横截面为扇形，叶片的切向宽度随所处半径增大而连续增大，所述叶片为无叶冠叶片；涡轮叶片沿钻具轴线周向等间隔设置有多个，任一涡轮叶片的叶顶叶形线和叶根叶形线沿径向方向退化为一条与钻具轴线重合的直线段。本申请具有提高涡轮钻具的输出扭矩的效果。

技术领域

本申请涉及涡轮钻具的领域，尤其是涉及一种扭曲涡轮叶片、成型方法、涡轮及井下涡轮钻具。

背景技术

涡轮钻具是一种重要的井下动力钻具。涡轮钻具本身的全金属结构使其具有较好的耐温性，是高温深井的钻井作业的必备工具；涡轮钻具本身较小的横向振动，保证其取心的质量较好，钻进形成的井眼光滑便于下放测井仪器；涡轮钻具本身高转速的特点，配合孕镶金刚石钻头在硬岩地层中取得了较好的应用效果。

现有的涡轮钻具广泛采用二维叶片，多数叶形存在输出扭矩较小的缺点，限制了其在钻井工程中的应用。一方面通过设置大扭矩叶片增大扭矩，但部分大扭矩叶形由于结构原因，使涡轮钻具水力效率过低且转速过高。另一方面通过设置井下减速器，可以减少转速增大扭矩，但减速器价格昂贵，且储油密封结构限制了其在高温井中的应用。

针对上述中的相关技术，发明人认为涡轮钻具中最主要的工作部件是涡轮定子和转子，涡轮定子、转子叶栅的水力性能决定了涡轮钻具的性能，而叶片截面型线的造型设计在涡轮叶栅的设计中最为重要。经过几十年的发展，涡轮叶片仅仅通过局部的型线修改很难大幅度提高输出扭矩。

发明内容

为了提高涡轮钻具的输出扭矩，本申请提供一种扭曲涡轮叶片、成型方法、涡轮及井下涡轮钻具。

本申请提供的一种扭曲涡轮叶片、成型方法、涡轮及井下涡轮钻具，采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供一种扭曲涡轮叶片，采用如下的技术方案：

一种扭曲涡轮叶片，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。

优选的，叶片在不同位置处的切向截面的线型包括设计叶形线、叶顶叶形线、叶根叶形线；设计叶形线为设计平面处的叶形线、叶顶叶形线为叶顶平面上的叶形线，叶根叶形线为叶根平面上的叶形线；切向截面为垂直于径向的平面；

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

叶顶叶形线沿切向的有效长度大于叶根叶形线沿切向的有效长度。

优选的，设计截面为半径R₀处的截面，设计叶形线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：

优选的，R₀大于等于R₁,小于等于(R₁+R₂)/2。

第二方面，本申请提供一种涡轮，采用如下的技术方案：

一种涡轮，包括钻具轴线和扭曲涡轮叶片，所述扭曲涡轮叶片沿钻具轴线周向等间隔设置有多个，任一扭曲涡轮叶片的叶顶叶形线和叶根叶形线沿径向方向退化为一条与钻具轴线重合的直线段。

优选的，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。