Турбина трубобура Советский патент 1981 года по МПК F03B13/02 

(54) ТУРБИНА ТУРБОБУРА

1

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

Известна пропеллерная турбина с коническими лопатками, которая обладает большой крутизной напорной характеристики, что позволяет использовать .ее в трубобурах для контроля и автоматическогоуправления их работой 1 .

Увеличение крутизны напорной характеристики, определяющей эффективность данной турбины в системе управления турбобуром, зависит, в основном, от возможностей снижения потерь напора на безударном режиме работы, соответствующем холостому ходу.,

Однако, конические лопатки не обеспечивают достаточного уменьшения этих потерь, величина которых обусловлена в значительной мере некачественной организацией потока в межлопаточных каналах и связанными с ней остаточными ударными потерями. Причиной этого вида потерь является несоответствие окружных скоростей вращающегося вокруг оси турбины потока промывочной жидкосг 2

тн и окружных скоростей лопаток турбины в каждом сечении вдоль радиуса колеса.

Кроме того, конические лопатки, уменьшающиеся по осерой высоте от периферии к корню, изготавливаются -в стержневой пресс-форме, более сложны в изготовлении по сравнению с цилиндрическими.

10

Наиболее близким решением из известных является турбина турбобура, включающая статор и ротор, содержащие ступицы, обода и лопатки, выполненные с изменяющимися по радиальной

15 высоте углгили выхода и осевыми высотами Г2.

Недостатком этого устройства является большая сложно ь изготовле20ния турбин с закрученными лопатками, вследствие- чего использование закрученных лопаток в турбинах турбобуров считается нецелесообразным, так как полученный выигрыш в энергетических

25 показателях турбины не оправдывает затрат на изготовление. Кроме того, параметры недостаточно .информативны для контроля работы турбобура. Целью изобретения является улучшение параметров турбины, контроли30

руемых при бурении и упрощение технологии изготовления турбин.

Эта цель достигается тем, что атакуемые поверхности входных и выходных участков лопаток турбины выполнены плоскими и образуют между собой угол ISO-ITS , причем осевая высота лопаток-со стороны выхода уменьшается от оси турбины к периферии на величину осевой.высоты выходного участка.

На фиг.-1 показан общий вид турбины} на фиг..2 - сечение . 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг

; на фиг. 4 - зависимость -fp

а

фиг. 5 - зависимость -jj-:: CjCfl)

HX

Турбина состоит из ротора 1 и статора 2. Лопатки турбины в сечении у оси (сечение А-д) и у перифении (сечение В-в) имеют разную осевую высоту Н и h.

В сечении А-А профиль лопатки на атакуемых поверхностях состоит из двух плоских участков: входного 3 (с Ъсевой высотой h) и выходного 4 (с осевой высотой Н - h).

Эти участки образуют между собой угол ft , величина которого определяется разностью углов выхода потока на периферии лопатки и в сечении у оси согласно условию: u-r cons где и - окружная скорость вращающегося потока на холостом ходу турбины J г - радиус вращения при этом угол ft определяется из уравнения:

(% 180- ( о6 - оС ) , где оС(,, конструктивный угол выхода входного участка 3; оС j, - конструктивный угол выхода выходного участка 4.

Как видно из фиг. 4 и S выбранные значения углов jb . в пределах ISO-IVS удовлетворяют следующим у ;ловиям.

Х

быть максимальным. (Ндф - максимальный напор, который эффективно срабатывается в турбине при ее работе на экстремальном режиме) HX - минимальный напор, который срабатывается в турбине ffipif ее вращении на холостом режиме), ц

н

быть по возможности большим. (HI- максимальный напор, который срабатывается в турбине при заторможенном роторе). 3.Необходимо получить достаточно высокое значение КПД при работе турбины на режиме - :| (J:i о.ношение рабочей и холостой частот враще,ния турбины),

При обработке метода контроля за энергетическими забойными параметрами и регулирования работы турботура важной задачей является улучшение

I

исходной характеристики турбины по трем вышеуказаиньи- условиям, без из-, мепенпя абсолютной холостой частоты вргиаения турбины на опорном расходе жидкости. При этом не изменяются га- бг ритн1л1е; параметры lypbiiHU.

Графики, на фиг. 4 и 5 показывают, как удовлетворяет данная турбина поставленным условиям.

На фиг. 4 приводится зависимость

.E,W,

Значение РЗ 180 ° характеризует . профиль лопатки базовой турбины. При fb 150-175 .значения отношения

-г- являются максимальными, при

о f 150 резко убывает значение отнот

что показано на фиг. 5.

aJelIия -- Нч

в то же время значения КПД для уг0лоБ р 135-180 остаются практически неизменными.

Технология изготовления таких турбин следующая.

Лопатки отливаются в турбинном колесе цилиндрическими, т.е. постоянной осевой высоты, что позволяет использовать для их изготовления более простые способы литья в разъемных пресс-формах. Путем механической обработки плоских выходных участков, лопакти уменьшаются по высоте от оси к периферии на величину осевой высоты выходного участка (H-h) . В результате получаются конические лопатки, периферийный профиль которых представляет собой профильную часть цилиндрической лопатки с конструктивным углом выхода cL, а профиль у оси соответствует исходному профилю с углом выхода с |. . Такое выполнение лопаток позволяет привести кинематические углы выхода вдоль лопатки в соответствии с естественным распределением в межлопаточных каналах скоростей вращающегося совместно с турбиной потока промывочной жидкости по закону U г const. Этим достигается-снижение вредных потерь напора в турбине на холостом ходу, способствующее повышению крутизны ее напорной характеристики в правой зоне от экстремального режима (основной рабочий диапазон частот ращения).

Использование данного предложения в народном хозяйстве позволит изго5тавливать турбины турбобуров с улуч- шенными энергетическими показателями, а также существенно снизить трудоемкость их изготовления за счет упрощения методов литья.

Формула изобретения

Турбина турбобура, включающая статор и ротор, содержащие ступицы.

обода и лопатки, выполненные с изменяющимися по радиальной высоте- углами выхода и осевыми высотами, о тличающаяся тем, что, с целью улучшения параметров турбины, контролируемых при бурении и упрощения технологии изготовления, атакуемые поверхности входных и выходных участков лопаток турбины выполнены плоскими и образуют между собой угол ISO-ITS, причем осевая высота лопаток со стороны выхода уменьшается от оси турбины к периферии на величи ну осевой высоты выходного участка.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

(прототип),

и AJ - фуг./

АА

Фиг.

е-6