Турбина турбобура Советский патент 1992 года по МПК E21B4/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известна многоступенчатая турбина турбобура, включающая статоры и роторы, выполненные из полимерного материала, установленные на металлических ступицах.

Основным недостатком конструкции является низкий КПД, обусловленный значительными объемными потерями в зазоре между ротором и статором, так как радиальный зазор между ротором и ступицей статора значительно больше радиального зазора между статором и металлической ступицей ротора.

Известен турбобур с многоступенчатой турбиной, роторы которой подвижны вдоль оси вала и опираются на статоры через подшипники, размещенные в каждой ступени турбины, причем с целью упрощения монтажа турбин, посадочная поверхность вала

имеет в поперечном сечении скос, а внутренние поверхности роторов снабжены ответными выступами.

Недостатком этого турбобура является низкий КПД, обусловленный значительными объемными потерями в радиальном зазоре между ступицей ротора и лопатками статора.«

В качестве прототипа выбрана турбина, включающая ротор и статор. Ротор с входной стороны оснащен уплотнительной ребордой, применение-которой способствует повышению КПД ступени турбины.

Основным недостатком конструкции является низкий КПД турбины, обусловленный объемными потерями, особенно при увеличенном осевом люфте осевой опоры.

Цель изобретения - повышение КПД турбины путем снижения объемных потерь.

Указанная цель достигается тем, что реборда выполнена на выходной стороне роч со ел ел о о

тора на одном уровне с опорным выступом ступицы, причем параметры турбины выбираются в соответствии с выражением:

(Gr + Gp ) ( by DJpi + b2-Dcp2 ) . U D T (by Dcpi+b2 -DcP2) MCT .

где ft - коэффициент трения пары материалов реборды и статора;

по - потери КПД одной ступени без реборды;

Мет - крутящий момент одной ступени;

Gr - гидравлическая нагрузка на одну ступень турбины;

Gp - масса ротора;

bi, b2 - ширина колец опорных поверхностей опорного выступа и реборды ротора соответственно;

DCpi, DCp2 - средние диаметры колец опорных поверхностей выступа и реборды ротора соответственно

Параметры турбины определяются из условия, чтобы момент трения в реборде и выступе не превышал объемных потерь

Мтр 7/о Мет,

0)

где Мтр - момент трения для одной ступени турбины;

- падение КПД одной ступени турбины за счет объемных потерь (при отсутствии реборды на выходной стороне ротора).

Мтр Мтр1 + МТР2,(2)

где Мтр1 - момент трения от контакта опорного выступа ротора и статора;

МТр2 - момент трения от контакта реборды ротора и статора

л Dspi

Мтр1 Тт«Руд

bi,

п

D

tpi

Ь2

(3)

где fT - коэффициент трения;

Dcpi, DCp 2 - средние диаметры колец опорных колец выступа и реборды ротора соответственно;

bi, D2 - ширина колец опорных поверхностей выступа и реборды ротора соответственно;

РУД-удельные нагрузки на упорные поверхности выступа и реборды ротора.

Pvn°.,u .°/+6Р. .- ч.Л4)

VA

л:- (bi Dcpi +b2 DCP2)

где Gr - гидравлическая нагрузка на одну ступень турбины;

Gp - масса ротора.

Преобразуем соотношение (1) с учетом (2), (3) и (4) и получим

п ц f (Gt+Gp)(brPgpi+b2-Dcp2)

(ЬГ Dcpi + Ь2 Осрг)

tjo MCT ,(5)

На фиг. 1 представлена турбина турбобура, установленная в корпусе; на фиг. 2 - ротор турбины.

Турбина включает статор 1 и ротор 2. Статор 1 закрепляется в корпусе 3, а ротор 2 на валу 4. Ротор на выходной стороне оснащен ребордой 6. На выходной стороне реборда выполнена заподлицо с опорным выступом. Параметры турбины выполнены удовлетворяющими условию (5). Пример конкретного выполнения турбины для турбобура диаметром 172 мм с лопаточным аппаратом ЗТСШ1-172. Турбина включает металлический статор и ротор 2 из полимерного материала. Статор за- крепляется в корпусе 3, ротор на валу. Dcpi 95 мм DCP2 138,8 мм тт 0,04 bi 5 мм D2 1,75 ММ

GP 2,8H

Gr 147,4 Н

Крутящий момент одной турбины

МКР1 1600/336 4,76 Н-м,

где Мт - крутящий момент турбобура;

п - число турбин в турбобуре.

Контакт по реборде исключает объемные потери в паре ротор-статор. Левая часть выражения (5) равна Мтр - моменту трения в опорной поверхности.

Для данных условий Мтр 0,2 Н м.

МтрО/о MKpi;

0,2 0,07 4.76;

0,2 0,33.

Таким образом, общий КПД турбины за счет применения предложенной конструкции повысится на 0,7(1 -0,2/0,33)-100 3 %.

При подаче в турбобур промывочной жидкости в турбине происходит преобразование гидродинамической энергии потока во вращательное движение ротора турбобура на выходной стороне турбины ротор опирается на статор реборды и опорным выступом, Контакт по реборде снижает объемные потери в паре статор-ротор.

Применение данной -турбины позволяет повысить КПД турбобура, применять более энергоемкие долота, сократить цикл строи- тельства скважин.

Формула изобретения

Турбина турбобура, включающая статор и ротор с ребордой и опорным выступом ступицы, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД турбины путем сни

жения объемных потерь, реборда выполнена на выходной стороне ротора на одном уровне с опорным выступом ступицы, причем параметры турбины выбираются в соответствии с выражением

ЛС,(Ст+Ср)-(ЬгР р1+Ь2-Р р2) „ 1 т H rDcpi+b2 -DcP2)

Г}0 Мет ,

где fT - коэффициент трения пары материалов реборды и статора;

0

tjo - потери КПД одной ступени турбины без реборды;

Мет - крутящий момент одной ступени;

Gr - гидравлическая нагрузка на одну ступень гурбины;

Gp - масса ротора;

bi, D2 - ширина колец опорных поверхностей опорного выступа и реборды ротора соответственно;

DCpi, DCp2 - средние диаметры колец опорных поверхностей выступа и реборды ротора соответственно.

Использование: забойные двигатели для бурения нефтяных и газовых скважин. Сущность изобретения: турбина включает статор и ротор с ребордой и опорным выступом ступицы. Реборда выполнена на выходной стороне ротора на одном уровне с опорным выступом ступицы. Параметры турбины выбирают в соответствии с выражением 0,5fT (Gr + GP) (bi. + b2D2cp2)/(bvD CP1 + +b2DCp2) /o Мет, где fr - коэффициент трения пары материалов реборды и статора; ;0 потери КПД одной ступени турбины без реборды; Мет - крутящий момент одной ступени; Gr - гидравлическая нагрузка на одну ступень турбины; Gp - масса ротора; bi, b2 - ширина колец опорных поверхностей опорного выступа и реборды ротора; DCpi, DCp2 - средние диаметры колец опорных поверхностей выступа и реборды ротора. 2 ил.

Фиг.1

01/3.2