CN101900130A - 自调整的动态稳定径向轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种供电动潜水泵使用的轴承结构，其具有提高了的稳定性。该轴承结构包括多个瓦块，每个瓦块能够自由地倾斜并调整以与轴的表面相适应。

Description

自调整的动态稳定径向轴承
技术领域
本发明主要涉及潜水泵马达，并且特别涉及结合了稳定性增加的轴承的潜水泵马达。
背景技术
潜水泵是一种离心泵，其具有使轴旋转以驱动泵的潜水马达。潜水泵用来生产大量的油和水。典型的潜水泵马达可具有从6至60英尺的长度和几百马力的功率。每个马达具有固定在管状壳体内部的定子。固定在所述轴上的转子在定子内部旋转。
因为马达较长的长度，转子由许多转子节段构成。每个转子节段包括大量被称为扁平圆盘的叠层结构，圆盘通过铜杆固定。转子节段彼此间隔开。各节段之间设置有轴承组件，用来保持轴的轴向对齐。转子节段键连接于轴上，以随轴旋转，但是相对于轴可轴向移动。
传统上，用于马达、密封元件和电动潜水泵(ESP)中的泵的轴承组件为套筒滑动轴承，其提供径向支撑。因为通常使用很多个轴承，并且ESP单元在近似竖直的方位上运行，因此这些套筒滑动轴承受到的载荷并不太大。载荷不大导致轴承操作不稳定或勉强稳定，这样将引起轴承中金属与金属的接触，这就加速轴承失效。目前，使用套筒滑动轴承的马达通常只具有50％的成功率通过试验井中的震动测试。因此，现在需要一种增加轴承动态稳定性的轴承类型。
发明内容
本发明提供了一种用于井中的电动潜水泵组件，其具有下述部件：1)电动马达，其具有转子、定子和填充润滑剂的壳体；2)位于壳体中的具有多个泵级的离心泵；3)连接在离心泵和电动马达之间的密封部，用来将井产流体与电动马达密封隔开，并且减小电动马达内的润滑剂与井眼中流体之间的压力差；4)延伸穿过电动马达、密封部和泵的轴，其用来驱动离心泵；5)位于电动马达、密封部和离心泵中的多个轴承，其用来稳定轴，所述多个轴承中的至少一个轴承具有多个瓦块，所述瓦块用作支承面，每个瓦块能在任意方向上倾斜。在本发明中，更稳定的轴承结构被用来替换ESP单元中的套筒滑动轴承。
附图说明
图1为井中电动潜水泵组件的侧视图。
图2为与图1中的ESP一起使用的现有技术中典型的多级泵的放大剖视图。
图3为与图1中的ESP一起使用的现有技术中典型的井下马达的剖视图。
图4为图1中井下马达中示出的径向推力轴承中的一个的放大图。
图5为示出了承受与水平轴正交的竖直负荷的套筒滑动轴承的示意性横剖图。
图6为与图1中马达一起使用的可倾瓦块轴承(tilted pad bearing)的横剖透视图。
具体实施方式
现参考图1，井套管11位于地球岩层13中的井的内部，并且还穿过生产地带15。形成在井套管11中的孔17能使生产地带15的流体进入套管11中。
潜水泵组件包括位于井中的电动马达19。马达19的轴延伸穿过密封部21并连接到离心泵23。泵23连接到用于将井产流体27输送到在地面上的储存罐29的管路25。套管11将井眼流体30的工作流体水平面31限制在套管11的环状部分中。泵23必须具有将流体30从水平面31输送到地面储存罐29这一距离的能力。优选地，泵23为离心泵，其包括位于壳体33内部的多个泵级(pumpstage)32(图2)。
现参考图3和4，示出了现有技术的潜水泵马达19。潜水泵马达19具有壳体33。壳体33优选填充润滑剂34。具有多个磁叠层结构37的定子35安装在壳体33的内部。轴39在马达19中的定子35内部延伸。具有多个间隔开的转子节段(例如转子节段43和45，见图4)的转子41安装在轴39上。轴39通过多个轴承47、48和49被保持在马达19的中心，这些轴承设置在沿轴39长度的选定位置上。轴承47包括压入到马达19的结构元件中的圆柱形孔内部的套管或套筒。轴承48为轴向推力轴承。轴承49为典型的马达轴承。
现参考图4，示出了典型的马达轴承组件49。马达轴承组件49具有外径51和具有外径55的套筒53。马达轴承组件环绕轴39，并且与定子35的内表面摩擦接合。马达轴承组件49位于固定到轴39上的转子节段43和45之间。现参考图5，示意性地示出了套筒滑动轴承57以及水平朝向的轴59。示出了通常使用中的套筒滑动轴承57，其受到与轴59垂直的竖直负荷W，该竖直负荷W导致轴59相对于套筒轴承57以偏离中心的姿态运行。来自竖直负荷W的压力分布61的合量经过轴59的轴心63起作用，并且直接对抗水平负荷W。
不过，当用于潜水泵马达例如潜水泵马达19时(图1和3)，套筒滑动轴承57以竖直姿态运行。因此，垂直于轴59的竖直负荷W并不存在。在竖直使用期间，轴59可能被推得偏离中心，这将导致例如如图5中所示的压力分布61的这种压力分布。压力分布61并不经过轴59的轴心63起作用，而是偏离中心。这种偏移的压力导致轴被推得偏离中心，此过程重复出现。结果是轴心63沿圆形的轨迹移动。圆形轨迹的大小既取决于轴的速度又取决于轴承57内部的润滑剂的粘度。
在优选的实施例中，全部的马达轴承组件49(图3和4)利用多瓦块轴承而非套筒滑动轴承(plain sleeve bearing)。现参考图6，示出了可用于轴承47、49(图3)的多瓦块式可倾瓦块轴承73。多瓦块轴承73具有多个环绕轴承壳体77内径延伸的浮动式分段瓦块75。在优选的实施例中，五个瓦块75均匀地环绕壳体77的内径设置，各瓦块75之间有小间隙79。瓦块75可由多种不同的材料制成，这取决于井的状况。在优选的实施例中，瓦块75由青铜制成。每个瓦块75为圆柱体的一部分。每个瓦块75的内表面与转子轴59滑动接合。每个内表面的半径与轴59的半径大体相同。
在每个瓦块75的背面的中心研磨形成球形形状的凹坑81。每个瓦块75抵靠在滚珠83上，滚珠83靠在每个研磨而成的凹坑81中。滚珠83允许每个瓦块75在任意方向上倾斜。在一替代性的实施例中，凹坑81可以偏离每个瓦块75的中心。每个滚珠83在与每个瓦块75相反的一侧上由贝勒维尔弹簧垫片(Belleville washer)85支撑。每个贝勒维尔弹簧垫片(弹簧)85的弹力可以改变以调整所需的阻尼的量。每个贝勒维尔弹簧垫片85连接到一个定位螺丝87上。每个定位螺丝87可以在壳体77的外侧进行调节，以调整每个滚珠83的径向位置，进而调节每个瓦块75的径向位置。这些瓦块75通过多个圆形拉伸弹簧89连接到壳体77上。拉伸弹簧89在安装于壳体77和各瓦块75上的固定栓91之间延伸。弹簧89和固定栓91位于每个瓦块75和壳体77的顶部和底部。弹簧89确保每个瓦块75保持与每个滚珠83接触并支撑该滚珠83。
径向凹槽93环绕壳体77的外径延伸，并容纳弹性材料环例如O形环(未示出)，所述弹性材料环起到夹紧定子的内径以防止轴承73旋转的作用。多个圆柱形通道95沿轴承73的圆周轴向地延伸穿过壳体77。通道95和间隙79允许流体流过轴承73。
在实践中，通常用在潜水泵马达例如潜水泵马达19(图1和3)中的套筒滑动轴承57(图5)被多瓦块轴承73(图6)取代。当使用多瓦块轴承73时，压力来自每个瓦块75。压力趋向于稳定轴承内部的轴。稳定性增加是由于每个瓦块75能够围绕滚珠83自由倾斜或调节以适应轴的表面。结果是利用了多瓦块轴承73的竖直单元的运行稳定性增加。在可替换的实施例中，凹坑81可偏离每个瓦块75的中心。通过在轴59的行进方向上将凹坑81移动离开中心，负荷能力将增加。这是由于将更容易出现液压油楔，并因此提高了负荷能力。贝勒维尔弹簧85吸收由轴弯曲引起的撞击作用，否则的话这种撞击作用能使轴承73由于磨损而啃入定子迭片结构。转子(和轴承)上的磁力侧拉力随着功率增大而增加。因此，阻尼力可能也需要增加，其可通过改变贝勒维尔弹簧垫片85的弹性力来调节。定位螺丝87允许在安装之前调整瓦块75的径向位置。
本发明具有多个优点。潜水泵马达单元的可靠性通过使用动态稳定轴承可大大增加。通过用动态稳定轴承例如多瓦块轴衬替换马达内部的套筒滑动轴承，震动减小了。浮动式分段瓦块能自对准，防止中速油旋转并且抑制过量的侧面负荷。
虽然本发明中仅示出了其多种形式中的一个，但对于本领域技术人员来说很明显的它其不仅限于此，但是在不超出本发明范围的前提下，进行改变是可以接受的。例如，浮动式分段瓦块根据井的状况可由碳化钨制成。此外，虽然仅示出了电动潜水泵的马达，但是动态稳定轴承也可被用在离心泵和电动潜水泵组件的密封部。

Claims (20)

1.一种用于井中的电动潜水泵组件，包括：
电动马达，其具有转子、定子、轴以及填充润滑剂的壳体；
旋转泵，其由所述电动马达驱动；和
电动马达中的多个轴承，所述轴承用于径向地稳定所述轴，电动马达中的多个轴承中的至少一个轴承浸入在电动马达中的润滑剂中并且具有包括关于所述轴对称安装的多个瓦块的支承面，其中，多个瓦块的内表面的曲率半径等于所述轴的半径。
2.如权利要求1所述的组件，其中，所述多个瓦块相对于所述轴的径向位置能够调节。
3.如权利要求1所述的组件，其中，在所述至少一个轴承中，每个瓦块相对于所述轴的径向位置能独立于其他瓦块进行调节。
4.如权利要求1所述的组件，其中，每个瓦块的内表面由青铜制成。
5.如权利要求1所述的组件，其中，每个瓦块的内表面由碳化钨制成。
6.如权利要求1所述的组件，还包括：
一组拉伸弹簧，各拉伸弹簧从轴承壳体延伸到每个瓦块的顶部表面和底部表面，以保持每个瓦块与枢转点接触，其中，每个瓦块能够绕着该枢转点转动。
7.如权利要求1所述的组件，其中，每个瓦块能够绕着每个瓦块的中心处的一点转动。
8.如权利要求1所述的组件，还包括：
位于每个瓦块背面的具有内侧表面和外侧表面的滚珠，其中，内侧表面与一个瓦块接触，外侧表面与弹簧接触。
9.如权利要求1所述的组件，还包括：
一组拉伸弹簧，各拉伸弹簧从轴承壳体延伸到每个瓦块的顶部表面和底部表面，拉伸弹簧在每个瓦块上施加向外的力，从而保持每个瓦块与滚珠的接触。
10.一种用于井中的电动潜水泵组件，包括：
电动马达，其具有转子、定子和填充润滑剂的壳体；
位于所述壳体内的具有多个泵级的离心泵；
密封部，其连接在所述离心泵和所述电动马达之间，用于将井产流体与电动马达密封隔开和用于减小电动马达内润滑剂与井眼中流体之间的压力差；
轴，其延伸穿过电动马达、密封部和离心泵，所述轴用于驱动离心泵；和
位于电动马达、密封部和离心泵中的多个轴承，所述轴承用于稳定所述轴，电动马达中的所述多个轴承中的至少一个轴承浸入电动马达的润滑剂中并且具有包括关于所述轴对称安装的多个瓦块的支承面，每个瓦块具有面向所述轴的弯曲表面，其中，所述多个瓦块相对于所述轴的径向位置能够调节。
11.如权利要求10所述的组件，其中，在所述至少一个轴承中，每个瓦块相对于所述轴的径向位置能独立于其他瓦块进行调节。
12.如权利要求10所述的组件，还包括：
位于每个瓦块背面的具有内侧表面和外侧表面的滚珠，其中，内侧表面与一个瓦块接触，外侧表面与弹簧接触。
13.如权利要求10所述的组件，还包括：
一组拉伸弹簧，各拉伸弹簧从轴承壳体延伸到每个瓦块的顶部表面和底部表面，拉伸弹簧在每个瓦块上施加向外的力，从而保持每个瓦块与滚珠的接触。
14.如权利要求10所述的组件，还包括：
具有多个径向穿过的孔的外套筒；
位于每个孔中的定位螺丝，其具有内表面和外表面，内表面与贝勒维尔弹簧垫片接触，而外表面则暴露在外以用来对孔内的定位螺丝进行调节；以及
抵靠着贝勒维尔弹簧垫片设置在与定位螺丝相反的一侧上的枢转球，其中，枢转球与每个瓦块接触，从而定位螺丝能够调节每个瓦块相对于轴的径向位置。
15.如权利要求10所述的组件，其中，所述多个瓦块的内表面的曲率半径等于轴的半径。
16.根据权利要求10所述的组件，还包括：
位于每个瓦块背面的具有内侧表面和外侧表面的滚珠，其中，内侧表面与一个瓦块接触，外侧表面与弹簧接触；和
一组拉伸弹簧，各拉伸弹簧从轴承壳体延伸到每个瓦块的顶部表面和底部表面，拉伸弹簧在每个瓦块上施加向外的力，从而保持每个瓦块与滚珠的接触。
17.一种用于井中的电动潜水泵组件，包括：
壳体；
轴，其延伸穿过壳体；和
位于壳体中的至少一个轴承，轴延伸穿过所述轴承，所述轴承包括：外套筒，其不可旋转地安装在壳体中；多个瓦块，其间隔地围绕外套筒，每个瓦块具有与外套筒的外径同心的弯曲内表面，所述内表面用于与轴接合；位于每个瓦块的外侧中的半圆柱形凹部，每个凹部中定位有枢转球；以及多个定位螺丝，其安装在外套筒中，其中，在每个枢转球与每个定位螺丝之间定位有弹簧，使得定位螺丝能够控制每个瓦块相对于轴的径向位置。
18.如权利要求17所述的组件，还包括：
一组拉伸弹簧，各拉伸弹簧从外套筒延伸到每个瓦块的顶部表面和底部表面，拉伸弹簧在每个瓦块上施加向外的力，从而保持每个瓦块与枢转球的接触。
19.如权利要求17所述的组件，其中，所述多个瓦块的内表面的曲率半径等于轴的半径。
20.如权利要求17所述的组件，其中，弹簧是贝勒维尔弹簧垫片。
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