Турбина турбобура

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к исполнению главного узла конструкций многоступенчатых турбобуров - осевой турбины. Турбина содержит статоры и роторы с лопаточными венцами, осевая высота которых на 25-30% ниже, чем у турбин с решетками профиля того же типа и быстроходности, относительный шаг которых (отношение шага решетки профилей к хорде лопатки) не выходит за пределы диапазона оптимальных величин 0,65...0,9, при величинах относительного шага решетки профилей статора и ротора до 0,92...0,98 и более. Внутренние поверхности лопаточных венцов у статора - большего, у ротора - меньшего диаметров выполнены коническими так, что отношение радиальных высот лопаток на выходе из статора и из ротора к радиальным высотам этих же лопаток на входе в них находится в пределах 0,9...0,65 и тем меньше, чем больше величина относительного шага турбины с пониженной осевой высотой. Обеспечивает повышенную отдачу энергии с единицы осевой длины турбобура, позволяя либо на 25-30% снизить осевую длину турбобура, либо на столько же увеличить его вращающий момент. 4 ил.

 

Настоящее предлагаемое изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к исполнению главного узла конструкций многоступенчатых турбобуров - осевой турбины.

Известны конструкции аксиальных турбин, в которых «пространство, занимаемое рабочим потоком, находится между коаксиальными цилиндрическими (или коническими) поверхностями» (Шумилов П.П. «Турбинное бурение нефтяных скважин, часть 1. Гидромеханическая база турбинного бурения». ОНТИ. НКТП. СССР, Москва 1936, Ленинград, стр.18, §7, рис.2). Здесь рассматривается соотношение радиальных высот лопаток, характеризующее степень радиального сжатия каналов, с точки зрения удовлетворения условиям неразрывности потока и вытекающим из этого требованиям связи коэффициентов сжатия потока в статоре и роторе с конструктивными углами профилей лопаток.

Известна турбина турбобура по патенту РФ на изобретение №1263013, в которой венец, содержащий лопаточный аппарат, имеет параллельные с лопаточным аппаратом перепускные гидравлические каналы, при этом поверхность, ограничивающая вышерасположенный лопаточный аппарат со стороны перепускных каналов, имеет образующую, наклоненную сверху вниз в сторону от перепускных каналов к лопаточному аппарату. В рассматриваемой системе предполагается использование лопаточного аппарата с крутоизогнутым профилем лопаток (высокоциркулятивная турбина), обеспечивающим функциональную зависимость перепада давления на ступени турбины от частоты вращения, в результате чего осуществляется переток части промывочной жидкости по перепускным каналам и снижается разгонная частота вращения турбины.

Известна ступень давления турбины турбобура по патенту РФ на изобретение №2174584, в которой статорный лопаточный венец имеет внутреннюю поверхность большего диаметра, описанную радиусом, центр которого расположен со стороны оси ступени давления. Такое исполнение уменьшает проходную площадь сечения лопаточного венца у выходных кромок его лопаток, что способствует снижению утечки рабочей жидкости в кольцевом зазоре без ободного ротора в условиях работы на растворах, содержащих инертный плакирующий наполнитель.

Как следует из рассмотрения приведенных аналогов, ни в одном из них при достижении поставленной цели не оговаривается возможность выполнения ступени турбины с пониженной осевой высотой, что крайне важно для многоступенчатых турбобуров с точки зрения повышения отдачи энергии с единицы осевой длины. Однако вышеприведенные конструктивные решения осевых турбин выбраны в качестве аналогов настоящего предлагаемого изобретения потому, что в них задействован принцип радиального сжатия потока, реализация которого в нашем случае дает новое положительное качество. При этом необходимо отметить, что ни в одном из приведенных источников нет указаний на какие-либо принципиально конкретные соотношения геометрических параметров, характеризующих радиальное сжатие межлопаточного канала, за исключением качественного определения местоположения основных его элементов.

Известен шпиндельный секционный турбобур по патенту РФ на полезную модель №26586, в котором турбина с решеткой профилей лопаточного аппарата выполнена с лопатками статора и ротора, установленными таким образом, что величина относительного шага решетки (отношение шага решетки к хорде профиля лопатки) выбирается в пределах t'=0,92...0,98, причем эта величина тем больше, чем выше быстроходность турбины, а осевая высота решетки профилей лопаточного аппарата на 25...30% меньше, чем у стандартных турбин с решетками профилей того же типа и быстроходности. Принимается за прототип.

Определенные ограничения, связанные с условиями эксплуатации такой турбины, а именно требования к плотности рабочей жидкости и быстроходности самой турбины, снижают эффективность ее применения. В то же время требование выполнения достаточно высокой величины относительного шага решетки профилей турбины при снижении ее осевой высоты, связанное с необходимостью сохранения допустимой величины межлопаточного канала в условиях работы на грязных промывочных жидкостях (наличие шлама в буровом растворе), находится в противоречии с требованием сохранения оптимальной величины относительного шага решетки профилей, которая как известно («М.Т.Гусман и др. «Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров». М., «Недра», 1976. Стр.130, рис.63) находится в пределах t'=0,65...0,90.

Снижение относительного шага решетки при уменьшении осевой высоты ступени опасно с точки зрения возможности зашламления турбины, а увеличение относительного шага решетки (при сохранении шага уменьшенной по высоте решетки как в прототипе) приводит в общем случае к снижению окружной скорости и вращающего момента турбины, т.е. к снижению энергетических параметров турбобура в целом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание турбинного привода долота для бурения скважин, характеризующегося повышенной по сравнению с серийными турбобурами отдачей энергии с единицы осевой длины как минимум на 25-30%.

Решение технической задачи достигается тем, что турбина турбобура, содержащая статоры и роторы с лопаточными венцами, осевая высота которых на 25-30% ниже, чем у турбин с решетками профиля того же типа и быстроходности, относительный шаг которых не выходит за пределы диапазона оптимальных величин (0,65...0,9), при величинах относительного шага решетки профилей статора и ротора до 0,92...0,98 и более, характеризуется тем, что внутренние поверхности лопаточных венцов у статора - большего, у ротора - меньшего диаметров выполнены коническими так, что отношение радиальных высот лопаток на выходе из статора и из ротора к радиальным высотам этих же лопаток на входе в них находится в пределах 0,9...0,65 и тем меньше, чем больше величина относительного шага турбины с пониженной осевой высотой.

Сущность изобретения заключается в том, что в новой турбине пониженная высота ступени сочетается с оптимальным относительным шагом решетки. Турбина выполняется с нормальным с точки зрения «прозрачности» лопаточным аппаратом, как обычные серийные турбины, и, имея пониженную высоту, обеспечивает возможность размещения в тех же осевых габаритах турбобура значительно большего числа ступеней, что соответственно позволяет увеличить выходную мощность и момент вращения. При этом форма лопаток и все геометрические параметры ступени не предъявляют каких-либо существенных дополнительных требований к технологии изготовления турбин.

В разреженном лопаточном аппарате новой турбины уменьшенной осевой высоты ухудшение отклоняющей способности разреженного лопаточного венца (и статора, и ротора) компенсируется местным увеличением осевой скорости потока на выходе лопаток в допустимых пределах (не приводящих к ухудшению кпд турбины) за счет регламентируемого сжатия потока.

Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено следующее:

Фиг.1 - продольное сечение турбобура (фрагмент);

Фиг.2 - решетки профилей статора и ротора;

Фиг.3 - фрагмент решетки профилей;

Фиг.4 - треугольники скоростей.

В корпусе 1 и на валу 2 турбобура размещены соответственно статоры 3 и роторы 4 осевой многоступенчатой турбины (Фиг.1). Лопаточные венцы статора и ротора содержат лопатки соответственно 5 и 6, решетки профилей которых (Фиг.2) характеризуются выходными α₁ и входными α₂ углами лопаток статора, входными β₁ и выходными β₂ углами лопаток ротора, высотами проточной части венцов статора h_ст и ротора h_рт, хордами профиля лопаток статора b_ст и ротора b_рт (отрезки, соединяющие входные и выходные кромки лопаток) и углами их наклона соответственно γ_ст и γ_рт к плоскости, перпендикулярной продольной оси турбины. Шаг решетки профиля - расстояние между соседними лопатками статора t_ст и ротора t_рт.

Конструктивными параметрами статора и ротора являются также (Фиг.3): средний (расчетный) диаметр турбины D, радиальные высоты лопаток статора на входе в статор l_2ст и на выходе из статора l_1ст, то же для входа на лопатки ротора l_1pт и на выходе из ротора l_2рт. Внутренние поверхности 7 большего диаметра венцов статора и внутренние поверхности 8 меньшего диаметра венцов ротора, имея коническую форму, плавно (монотонно) уменьшают живые сечения проточных частей статоров и роторов от входа в лопаточные аппараты до выхода из них. При этом соотношение радиальных высот на выходе из лопаточного аппарата как статора, так и ротора к радиальным высотам на входе (l_1ст/l_2ст и l_2рт/l_1рт) находится в пределах 0,9...0,65 и тем меньше, чем больше величина относительного шага турбины с пониженной осевой высотой.

Работа турбины

Практикой конструирования турбин турбобуров установлено, что относительный шаг турбины имеет оптимальный диапазон значений (0,65...0,9), при которых энергетические параметра турбины и ее кпд не изменяются.

Известно также, что изменение осевой высоты решетки влечет необходимость изменения ее шага, т.е. уменьшение осевой высоты требует уменьшить шаг решетки, увеличить количество лопаток и тем самым запустить решетку до опасных с точки зрения ее зашламляемости значений.

Если выйти за пределы допустимых значений относительного шага, исходя из условия постоянства шага или выполнения его таким, при котором опасность зашламления решетки сводится к минимуму, т.е. увеличить относительный шаг решетки, то возникает опасность провала потока в лопаточном аппарате, снижения кпд турбины. Как следует из полигонов скоростей (Фиг.4), увеличенный межлопаточный канал при относительном шаге больше оптимального вызывает отклонение скорости C^' ₁ на выходе из статора от расчетной, задаваемой конструктивными углами лопатки скорости C₁, что приводит к снижению рабочей частоты вращения (U'_опт) и величины вращающего момента. Прокачиваемый через турбину расход рабочей жидкости Q определяет величину осевой скорости C_z=Q/πcDlχ, где

D - средний (расчетный) диаметр турбины;

l - минимальная радиальная длина лопатки;

χ - коэффициент стеснения проточной части лопаток. Снижение величин l на выходе из решетки путем выполнения конических поверхностей статора и ротора определяет повышение осевой скорости C_z до такой величины C'_z, при которой вектор C''₁ обеспечивает восстановление первоначально заданной скорости (U_опт) и соответственно вращающего момента, равного вращающему моменту исходной турбины.

Аналогичный процесс имеет место в роторе при восстановлении заданной рабочей характеристики.

Предлагаемая турбина применима для использования в современных конструкциях многоступенчатых турбобуров, обеспечивая повышенную отдачу энергии с единицы осевой длины турбобура, позволяя либо на 25...30% снизить осевую длину турбобура, либо на столько же увеличить его вращающий момент. При этом изготовление и использование предлагаемой турбины не привносит дополнительных по сравнению с серийными турбобурами сложностей в технологию ее производства и обслуживание.

Турбина турбобура, содержащая статоры и роторы с лопаточными венцами, осевая высота которых на 25-30% ниже, чем у турбин с решетками профиля того же типа и быстроходности, относительный шаг которых (отношение шага решетки профилей к хорде лопатки) не выходит за пределы диапазона оптимальных величин 0,65...0,9, при величинах относительного шага решетки профилей статора и ротора до 0,92...0,98 и более, отличающаяся тем, что внутренние поверхности лопаточных венцов у статора большего, у ротора меньшего диаметров выполнены коническими так, что отношение радиальных высот лопаток на выходе из статора и из ротора к радиальным высотам этих же лопаток на входе в них находится в пределах 0,9...0,65 и тем меньше, чем больше величина относительного шага турбины с пониженной осевой высотой.