一种基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承

本发明涉及涡轮钻具，特别是涉及一种基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承。

背景技术：

1、涡轮钻具是一种用于资源勘探、科学钻探等钻井工程的关键井下动力钻具，其安装在钻杆柱中，于井底直接驱动钻头高速旋转以破碎岩石，从而有效降低因钻杆柱旋转驱动所带来的管柱断裂风险。中空涡轮钻具与常规涡轮钻具通常均由接头、壳体、轴、定子、转子、径向轴承外圈与内圈、圆弧滚动轴承等部件构成；其中，轴、转子、径向轴承内圈及圆弧滚道轴承内圈共同组成高速旋转的轴系部件，而接头、壳体、定子、径向轴承外圈及圆弧滚道轴承外圈则构成与外部钻杆柱连接、可保持静止的壳系部件。二者的主要区别在于，中空涡轮钻具采用贯通式轴结构，轴的中心通孔须满足测井仪器、绳索取心钻具等器具的通过需求，由此在结构上比常规涡轮钻具多出了中空轴的内部通道。这一结构特点导致中空轴贯通孔与涡轮钻具液流通道之间的节流问题，成为制约其性能表现的核心因素。

2、针对上述问题，现有技术多采用增设“机械式旋转密封”结构的方案，试图通过增加密封零部件实现密封或节流效果。然而，该方案在高转速工况下密封件寿命受限，同时还会削弱径向轴承的开放式润滑性能。另有一种方案是利用径向轴承内外圈间隙形成油膜密封，但现有径向轴承采用的线性“凹”型槽结构存在泄流量大、油膜密封稳定性差的问题，不仅加速了轴承磨损，而且一旦密封失效，涡轮钻具将难以憋压建压，无法正常工作，显著降低了钻具的工作效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效节流，提升液膜密封稳定性，无需增加活动部件确保了结构稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，包括内外嵌套设置的径向轴承内圈和径向轴承外圈，所述径向轴承内圈为中部设有通孔的圆柱体，所述径向轴承内圈的外圆柱面沿周向均布有多个特斯拉阀导流槽，所述特斯拉阀导流槽包括沿轴向方向依次设置并连通的多个导流槽单元，所述导流槽单元包括直流道和两端与所述直流道连通的涡流流道，相邻的两个所述导流槽单元中，其中一个所述导流槽单元中的所述直流道和所述涡流流道的交汇处与另一个所述导流槽单元中的所述直流道连通。

4、在一实施方式中，各所述直流道依次连通形成主流道，所述主流道为多次弯折的锯齿形流道，所述涡流流道为圆弧形流道，所述涡流流道位于所述直流道的一侧，各所述涡流流道依次交替设置在所述主流道的两侧。

5、在一实施方式中，所述涡流流道的圆心所在位置固定有圆柱形聚晶金刚石复合片，所述圆柱形聚晶金刚石复合片的远离所述径向轴承内圈中心的端面为外凸的球冠面。

6、在一实施方式中，所述径向轴承内圈的外圆柱面的位于各所述特斯拉阀导流槽之间的区域固定有多个第一硬质合金组，各所述第一硬质合金组沿所述径向轴承内圈的圆周方向依次排列。

7、在一实施方式中，所述第一硬质合金组包括沿所述径向轴承内圈的轴向方向依次等距设置的多个第一硬质合金块，相邻两个所述第一硬质合金组中的所述第一硬质合金块错位设置。

8、在一实施方式中，所述通孔的内壁面包括对称设置两个直壁面和对称设置的两个圆弧壁面，一个所述圆弧壁面的两端分别与两个所述直壁面的同侧一端相连，另一个所述圆弧壁面的两端分别与两个所述直壁面的另一侧一端相连。

9、在一实施方式中，所述径向轴承外圈包括固定相连的小圆柱段和大圆柱段，所述径向轴承外圈的中部设有贯通所述小圆柱段和所述大圆柱段的中心孔，所述小圆柱段的中心孔内壁设有内螺纹，所述大圆柱段的中心孔内壁固定有多个第二硬质合金组，各所述第二硬质合金组沿所述径向轴承外圈的圆周方向依次排列。

10、在一实施方式中，所述第二硬质合金组包括沿所述径向轴承外圈的轴向方向依次等距设置的多个第二硬质合金块，相邻两个所述第二硬质合金组中的所述第二硬质合金块错位设置。

11、在一实施方式中，所述小圆柱段的外圆柱面加工有对称设置的两个直切壁面。

12、在一实施方式中，所述大圆柱段与所述小圆柱段所形成的台阶面上设有多个轴向贯通所述大圆柱段的过流孔，各所述过流孔沿所述大圆柱段的周向方向均匀分布。

13、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

14、本发明提供的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，通过在径向轴承内圈磨擦面（外圆柱面）依据特斯拉阀单向导流原理设计多个特斯拉阀导流槽，通过特斯拉阀导流槽实现顺向低阻、逆向高阻的单向流动效果，且无需增加活动部件，确保了结构稳定性。在径向轴承内圈的外圆柱面沿周向均布多个特斯拉阀导流槽，有效确保径向轴承工作中所需润滑、冷却降温及节流，增强液膜稳定性的同时实现稳压密封。

1.一种基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：包括内外嵌套设置的径向轴承内圈和径向轴承外圈，所述径向轴承内圈为中部设有通孔的圆柱体，所述径向轴承内圈的外圆柱面沿周向均布有多个特斯拉阀导流槽，所述特斯拉阀导流槽包括沿轴向方向依次设置并连通的多个导流槽单元，所述导流槽单元包括直流道和两端与所述直流道连通的涡流流道，相邻的两个所述导流槽单元中，其中一个所述导流槽单元中的所述直流道和所述涡流流道的交汇处与另一个所述导流槽单元中的所述直流道连通。

2.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：各所述直流道依次连通形成主流道，所述主流道为多次弯折的锯齿形流道，所述涡流流道为圆弧形流道，所述涡流流道位于所述直流道的一侧，各所述涡流流道依次交替设置在所述主流道的两侧。

3.根据权利要求2所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述涡流流道的圆心所在位置固定有圆柱形聚晶金刚石复合片，所述圆柱形聚晶金刚石复合片的远离所述径向轴承内圈中心的端面为外凸的球冠面。

4.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述径向轴承内圈的外圆柱面的位于各所述特斯拉阀导流槽之间的区域固定有多个第一硬质合金组，各所述第一硬质合金组沿所述径向轴承内圈的圆周方向依次排列。

5.根据权利要求4所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述第一硬质合金组包括沿所述径向轴承内圈的轴向方向依次等距设置的多个第一硬质合金块，相邻两个所述第一硬质合金组中的所述第一硬质合金块错位设置。

6.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述通孔的内壁面包括对称设置两个直壁面和对称设置的两个圆弧壁面，一个所述圆弧壁面的两端分别与两个所述直壁面的同侧一端相连，另一个所述圆弧壁面的两端分别与两个所述直壁面的另一侧一端相连。

7.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述径向轴承外圈包括固定相连的小圆柱段和大圆柱段，所述径向轴承外圈的中部设有贯通所述小圆柱段和所述大圆柱段的中心孔，所述小圆柱段的中心孔内壁设有内螺纹，所述大圆柱段的中心孔内壁固定有多个第二硬质合金组，各所述第二硬质合金组沿所述径向轴承外圈的圆周方向依次排列。

8.根据权利要求7所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述第二硬质合金组包括沿所述径向轴承外圈的轴向方向依次等距设置的多个第二硬质合金块，相邻两个所述第二硬质合金组中的所述第二硬质合金块错位设置。

9.根据权利要求7所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述小圆柱段的外圆柱面加工有对称设置的两个直切壁面。

10.根据权利要求7所述的基于特斯拉阀原理的中空涡轮钻具配套径向轴承，其特征在于：所述大圆柱段与所述小圆柱段所形成的台阶面上设有多个轴向贯通所述大圆柱段的过流孔，各所述过流孔沿所述大圆柱段的周向方向均匀分布。