Многоступенчатая реактивная турбина Советский патент 1941 года по МПК E21B4/02 F01D1/32 F01D3/00 

Изобретение имеет в виду многоступенчатую реактивную турбину для гидравлического привода, например, для вращения инструмента, непосредственно, без участия редуктора, соединенного с ротором турбины.

Предлагаемая турбина состоит из нескольких реактивных турбинных колес, насаженных на общий вал, одновременно служащий щпинделем для рабочего инструмента или непосредственно соединенный с этим инструментом. В целях удобства изготовления и для создания по возможности одинаковых усилий во всех частях механизма рабочие колеса всех ступеней делаются одинаковыми. Более того, в целях упрощения изготовления турбинного привода, его неподвижные венцы, составляющие по отнощению к рабочему колесу направляющую рещетку (направляющий ап1парат), делаются подобными рабочим колесам.

Предлагаемый турбинный привод от остальных известных, а также от всех подобных предлагавшихся ранее отличается особыми соотнощениями основных гидравлических элементов лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата турбины. В целях достижен|ия наилучшв-х показате лей в работе, изобретатели на основании многочисленных теоретических и опытных изысканий, предлагают выработанные ими соотнощения, в результате применения которых получается наибольщий вращающийся момент рабочего колеса (ротора турбинного привода), наибольщая мощность, передаваемая на инструмент, и наилучщий коэфициент полезного действия. При использовании выработанных изобретателями соотнощений для гидравлических элементов турбины, последняя получается с ми1Н1Има1Льнъ1М1И габаритными разме,ра1М1и.

Если в отнощении обычных мащинорудий сокращение габаритных размеров двигателя является вопросом экономии металла и уменьщения стоимости привода, то в отнощении приводного двигателя для буровых инструментов, особенно для нефтяного бурения, вопрос сокращения диаметра приводного двигателя является первостепенным и рещающим. В целях возможного снижения стоимости буровых работ и для ускорения проходки скважин их диаметр делается ограниченных размеров. По мере углубления диаметр скважин убывает. Поэтому от

приводного двигателя, соединенного с долотом, шарошкой и тому подобным буровым инструментом, требуется, в первую очередь, чтобы двигатель вписывался в габариты обсадной трубы скважины. Этому требованию полностью удовлетворяет двигательный привод, гидравлическая часть которого построена по соотношениям, выработанным изобретателями.

Одним из наиболее важных элементов турбинного колеса является входной угол лопатки, т. е. угол между направлением касательной к профилю решетки и вертикалью. При правильно выбранном угле в колесе должны получиться возможно совершенное обтекание потоком лопатки и возможное уменьшение потерь на завихрениях, удары и тому подобные гидравлические явления в решетке. Изобретатели нашли, что для безредукторных гидравлических турбинных приводов, где требуется получение рабочих колес со скоростью враш,ения, дающей наилучшие результаты в отношении работы инструмента, наилучшее значение для величины входного угла лежит в пределах от 25 до 35°. При этих значениях двигатель получается наиболее мош;ньш при данных радиальных размерах. Углы, лежаш,ие в вышеуказанных пределах, позволяют осуществить двигательный привод без необходимости применения редуктора.

Не меньшее значение для конструкции привода имеют и его продольные размеры. В виду весьма большой ограниченности радиальных размеров двигателя величина мощности, получающейся Б отдельных колесах (ступенях) двигателя, получается относительно малой. Вместе с тем «а шпИНделе; инструмента обычно требуется иметь большую суммарную мощность. Особенно большое значение это имеет для буровых двигателей, где при мощности одного колеса 0,5-1,0 л. с. мощность на забое требуется порядка нескольких десятков л. с. В этом случае приходится применять несколько десятков и даже сотен (до 150-200 и больше) рабочих колес с соответствующими направляющими аппаратами. Подобные двигатели сильно вырастают в

продольном направлении, что ведет к удлинению их общего вала и к удалению точки цодвеса (пята) и опоры (направляющий подшипник). Поэтому, в целях возможного уменьшения продольных размеров двигателя, высота отдельных его венцов (колес) должна быть возможно малой. На основании теоретических и экспериментальных исследований изобретатели нашли, что наиболее выгодное решение получается при величине отнощения длины хорды лопатки к шагу, лежащей в пределах между 0,62 и 0,85.

На чертеже показано примерное устройство предлагаемой турбииы как Првводиоро дзигателя. На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя в целом, на фиг. 2 изображена- разве1рт1ка цилиндрического сечейия рабочего колеса и направляющего аппарата.

Изображенный на фиг. 1 двигатель состоит из ротора 5, составленного из нескольких отдельных венцов (колес), тем или иным способом закреплепных на теле шпинделя (вала) 1. Лопатки ротора образуют решетку, закрепленную между ободом ротора 5 и внешним ободом 6. Подобно этому, на неподвижном корпусе 2 закреплены венцы статора 8, образующие направляющий аппарат. Вал 1 через гайку 17 опирается на верхнюю обойму 13 шариковой пяты 25, которая через нижнюю обойму 14 и через подушку 26 передает давление на кольцо подшипника 24 и на заплечик корпуса 12 подшипника, а отсюда на корпус 2. Радиальный подшипник 24 воспринимает поперечные движения вала наверху, а внизу, ниже двигательной части, поперечные движения воспринимаются подшипником 23.

Опыт показал, что хорошие результаты получаются при применении подшипника 23 из резины, запрессованной или иным образом заделанной во втулке 22, заводимой в ниппель 4. Этот последний служит для зажатия венцов 8 статора между торцем ниппеля 4 и заплечиком корпуса 2. Аналогичным образом венцы 5 ротора зажимаются между заплечиком вала 1 и торцем гайки 9.

Полость, заключающая осевую пяту и радиальный подшипник, заполнена

тчаслом. Сверху эта полость закрыта поршнем компенсатора 19, перемещающимся в лубрикаторе 18. Снизу полость ограничена манжетным сальником 31. По мере убыли масла через сальник 31 компенсатор 19 под влиянием давления рабочей среды опускается, вследствие чего давление масла в лубрикаторе 18 остается постоянным.

Рабочая жидкость поступает в турбину из канала А, проходя через кольцевое пространство между трубой (переводником) 3 и стенкой лубрикатора 18. Рабочая жидкость поступает на первый венец статора (направляющего аппарата); выйдя оттуда под определенным углом, она вступает на лопатки первого венца ротора, откуда входит в статор второй ступени и т. д. Выйдя из ротора последней ступени, рабочая жидкость через окна Б проходит через канал В в валу к выходу.

Двигательная часть турбины (фиг. 2) состоит из вращающихся роторных решеток I лопаток и неподвижных решеток II лопаток статора направляющего аппарата.

Поток, проходя через лопатки направляющего аппарата, приобретает такое направление, что, действуя на лопатки ротора (рабочего келеса), поток создает в роторе наибольший вращающий момент относительно оси вращения. Для этого входной угол а лопаток ротора, согласно изобретению, выбирается в пределах от 25 до 35°,считая направлением касательной или хсрды лопатки и ве рти:кайью (линией, параллельной оси вращения турбины).

В целях возможного уменьшения продольных размеров турбины высота

отдельных венцов (колес) должна быть возможно малой. Однако, при значительном уменьшении высоты колеса длина лопаток Ъ получается недостаточной по отношению к зазору а между лопатками. В целях возможного увеличения коэфициента полезного действия всей турбины в целом, предлагается лопатки делать такой длины и расставлять их на таком расстоянии от другой, чтобы отношение b : а было заключено в пределах от 0,62 до 0,85.

Устройство вышеописанной турбины может быть изменяемо в отдельных своих частях или в их соединении, однако не выходя за пределы сушности предмета изобретения. В равной степени изобретение может быть применено в любой области, где требуется непо средственное безредукторное соединение ротора турбинного привода с прив:одимым. инструментом.

Предмет изобретения.

Многоступенчатая реактивная турбина для непосредственного безредукторногсТ соединения ротора турбины с приводимым инструментом (турбобур, ининдель станка и т. п.), ступени которой устроены и профилированы одинаково (однообразно) для лопаток статорных и роторных венцов, отличающаяся тем, что, с целью получения наибольшего вращающего момента и наибольшей отдачи при минимуме габаритных размеров, входной угол лопатки ротора выполнен в пределах от 25 до 35° и отношение длины хорды лопатки к шагу взято в пределах от 0,62 до 0,85.

сЬмг: g