机械浮动定子240涡轮钻具涡轮节设计精选.doc

前言 涡轮钻具是一种重要的井下动力工具，它联接在下部钻具组合（一般直接与钻头联接）中，利用钻井泵泵出的高压钻井液作动力，实施石油钻井作业。其主要特点是将能量集中在井底直接驱动钻头破岩，能量利用充分，机械钻速较高，井身质量好。 多年来，国内外许多制造厂商和科研院所都对涡轮钻具的设计，制造和使用做了大量的科研和开发工作，有力地促进了涡轮钻井技术的不断发展。 采用新型涡轮钻具钻井,是提高深地层机械钻速和复杂地质条件下的防斜打直所不可缺少的配套设备,也是提高我国石油钻井作业综合技术经济效益的最有效途径. 因此,研制的新型涡轮钻具达到产业化规模,使此项新技术尽快推广应用,这对提高我国的钻井工艺水平,降低钻井成本有重大意义. 浮动定子240涡轮钻具涡轮节设计 全套图纸，加 1 国内外发展状况及发展趋势 1.1 国外涡轮钻具发展概况[1] 1873年，C．G．CrossC．G．CrossC．G．Cross， 此方案在涡轮节内也安装一组止推轴承来承受各节水力负载涡轮轴及转子的重 量，同时使涡轮轴不能上下窜动。有利于保证定、转子之间的轴向间隙。使涡轮节和支承节在现场对接时很方便，不用计算、调节轴向间隙，对现场的装配技术要求不高。缺点是结构复杂，涡轮节自身的装配复杂，须定期更换止推轴承。目前的涡轮钻具基本采用此种结构。 止推轴承在涡轮轴的安放位置有两种，一种放在轴的上部，另一种放在轴的下 部。从受力情况来看，止推轴承装在轴的下部时在涡轮轴转子的自重及水力压降产生所的力使转子之间趋于相互压紧，能保证转子相对于轴不转动。而放在轴上部时，涡轮轴、转子的自重及水力压降所产生的力趋于使压紧的转子相互松开，不利于保证转子相对于轴的固定，使转子有可能相对于轴转动。所以本设计止推轴承放在涡轮轴的下部。 二，非独立悬挂 此方案在涡轮节内只装定、转子及轴，定、转子之间的轴向间隙靠现场装配时 与支承节的装配关系来保证。其优点是结构简单，能减小涡轮节的长度，涡轮节能反复使用很长时间。但其致命的缺点是与支承节的装配困难，很难保证定转子之间的轴向间隙。一旦轴向间隙没有调整好就会发生大量定转子互相磨损而报废的重大事故，不利于现场作业。此结构现在已基本不用。 2.2 方案选择 以上已经对现有几种方案进行了分析比较，下面就从使用寿命长、结构简单、 加工容易、有效功率高等几方面考虑，来确本次设计的最终方案。 由前面分析可知固定转子与浮动转子相比较，固定转子涡轮钻具的摩擦损失小、加工容易、而且使用寿命比浮动定子涡轮钻具的寿命要长。所以，用固定转子涡轮钻具这样要满足设计中的扭矩条件。可以采用带支承节、带减速器和带水利制动级的涡轮钻具，但是带减速器的涡轮钻具结构非常复杂，这样就会给加工带来了困难，带水力制动级的涡轮钻具主要靠水力制动级的阻力来降低转速，而由于阻力的存在就使得涡轮钻具的使用效率大大降低，延长了工作周期，经济性不好，使用带支承节的涡轮钻具可根据钻井的要求灵活选择钻具的涡轮节节数，而且对于止推轴承的维护也相对比较方便，可直接互换支承节。同时，使用带支承节的涡轮钻具可以减少涡轮节主轴所受的轴向力。故选用带支承节的浮动转子涡轮钻具。 选择涡轮定转子叶型。可从低速大扭矩角度考虑，即选用环流系数 Cz1 。在涡轮钻具的工作过程中，涡轮节的主轴主要受到涡轮节产生的水力负载及转动件的自重作用。轴承可选用金属多联推力角接触球轴承。其布置形式为独立悬挂式，即将轴承布置在涡轮节的上方，这样主轴只受压力作用轴承采用并联分布式分布，这样，每副轴承组因受载荷小，从而延长了使用寿命。另外，涡轮节中的轴承和冷却靠一定量的泥浆来实现。为了避免大固体颗粒进入轴承腔，轴承组之前采用了分流器装置。 通过上面对各种方案的对比本设计选用方案如下： 采用浮动定子和固定转子；支承节和涡轮节分开，涡轮节选用独立悬挂形式，且止推轴承装在涡轮轴的下部，涡轮轴上装定、转子的部位每隔一米左右安装一个硬质合金扶正轴承，止推轴承采用多联推力角接触球轴承，轴承采用开式结构，用泥浆来润滑。 3 涡轮钻具性能参数的确定 3.1 涡轮节原始参数 原始设计数据： 外径：240mm 排量：35~45 l/s 功率：120~280KW 转速：360~480r/min 钻井液密度：1000~2000kg/m3 额定扭矩：4000~6000N.m 压降：5~7Mpa 3.2 涡轮节主要零部件尺寸的初步确定 3.2.1壳体尺寸的初步确定 涡轮钻具中最主要的工作元件是涡轮定子和转子。高压泥浆通过涡轮时，分别与定子和转子叶片作用发生动量矩的改变，使液体