CN105909203B - 电磁阻尼水力振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电磁阻尼水力振动装置，包括外壳体、中心轴和涡轮组件，中心轴通过轴承可旋转的支承在外壳体内，中心轴上固设有至少一个涡轮转子，外壳体内壁固设有与涡轮转子配合的涡轮定子；中心轴与外壳体之间设有阻尼组件；所述的阻尼组件中，阻尼转子固设在中心轴，外壳体内壁固设有与阻尼转子相配合的阻尼定子，阻尼转子或阻尼定子上设有永磁体。通过设置与涡轮组件同轴的电磁阻尼组件，使中心轴的转速降低，从而解决现有技术中振动频率过高，机械钻进效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气开采、钻井工具领域，尤其是一种电磁阻尼水力振动装置。
背景技术
随着大斜度井、水平井的广泛应用，在钻进过程中，由于钻具自重作用，钻具在钻进时与井壁摩阻大，造成钻具托压，严重影响水平井钻进效率，因此降低摩阻、增加动钻压，提高钻井效率是当前钻井工程中迫切需要解决的问题。经研究发现，对钻柱施加适当周期性轴向振动，使钻柱与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，能大大减少钻井过程的摩阻，使有效钻压增加，从而达到提高机械钻速的目的。
现有的振动减摩阻工具如中国专利文献CN 103696693A钻井用水力振荡器、CN102704842A一种钻井用水力振荡器所描述，其结构都采用单头螺杆马达驱动动阀口在一个平面上做往复运动，通过动阀口和定阀形成的过流面积差，产生周期性的压力波动，上述采用螺杆驱动的结构，因螺杆寿命的限制，通常在水基泥浆环境下使用寿命为150小时左右，在油基泥浆环境下使用寿命为80小时左右，其橡胶元件制约了该结构的使用寿命和使用工况等；也有中国专利文献如CN 104895517A一种涡轮驱动双阀水力振荡器、CN105089501A一种水力振荡器所描述，其结构都采用涡轮驱动动阀口转动，通过转动过程中与定阀形成过流面积差，产生周期性的压力波动，上述采用涡轮驱动的水力振荡器，因采用涡轮结构，在寿命上有很大改观，但涡轮的转速为800-2000转/分，相比螺杆140-360转/分的转速，涡轮驱动的振动工具振动频率为螺杆结构的5.5倍左右，过高的振动频率会削弱工具的振动效果，主要是会降低振动幅度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁阻尼水力振动装置，能够解决现有技术中振动频率过高，机械钻进效率低的问题，优选的方案中，还能够方便调节振动频率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电磁阻尼水力振动装置，包括外壳体、中心轴、振动机构和涡轮组件，中心轴通过轴承可旋转的支承在外壳体内，中心轴上固设有至少一个涡轮转子，外壳体内壁固设有与涡轮转子配合的涡轮定子；
中心轴与外壳体之间设有阻尼组件；
所述的阻尼组件中，阻尼转子固设在中心轴，外壳体内壁固设有与阻尼转子相配合的阻尼定子，阻尼转子或阻尼定子上设有永磁体。
所述的阻尼转子为导体板，永磁体固设在阻尼定子上，永磁体位于导体板的上端和下端。
多个永磁体通过压板固定安装在阻尼转子上，相邻永磁体的磁极相反，永磁体为类似梯形的结构，压板为类似倒梯形的结构，永磁体和压板的外圈和内圈为圆弧，压板通过螺钉与阻尼转子连接，压板的倒梯形两边将永磁体固定，永磁体的外缘为工作面。
多个永磁体镶嵌在阻尼定子的端面上，相邻永磁体的磁极相反，永磁体的端面为工作面。
在中心轴内设有顶部封闭，底部开放的中轴孔；
在中心轴内设有顶部封闭，底部开放的中轴孔；
中心轴的外壁设有至少一个动阀口，在外壳体内设有至少一个定阀，当中心轴的动阀口旋转至定阀铣槽处，阀口全开；当中心轴的动阀口旋转至封闭位置，动阀口与定阀处于部分关闭状态。
定阀成环状，铣槽的顶部和靠近圆心一侧开放的。
所述的动阀口为倾斜的穿透中心轴侧壁的孔，孔靠近圆心的一端较低。
定阀和动阀口位于涡轮组件的下方，阻尼组件的上方。
所述的涡轮转子、涡轮定子和阻尼组件为可拆卸的结构，通过不同级数涡轮组件和电磁阻尼组件的组合，可以实现中心轴转速可调。
涡轮转子通过压帽与中心轴固定连接，涡轮定子通过定阀上端面与外壳体固定连接。
本发明提供的一种电磁阻尼调频水力振动装置，通过设置与涡轮组件同轴的电磁阻尼组件，使中心轴的转速降低，从而解决现有技术中振动频率过高，机械钻进效率低的问题。本发明采用可拆卸级数的涡轮组件代替螺杆作为动力驱动，能避免螺杆因橡胶部件引起的寿命较短的问题，同时减少级数的涡轮组件相比螺杆而言，工具的压耗较小。可拆卸级数的涡轮组件和阻尼组件能够实现动阀口转速可调，从而实现本发明装置振动频率的可调。本发明的装置长度短、结构简单，且全金属结构，具有寿命较长的优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的主视结构剖视示意图。
图2为图1的A-A剖视示意图。
图3为本发明中阻尼组件的纵截面的示意图。
图4为本发明中阻尼组件的横截面的示意图。
图5为本发明中阻尼组件的另一结构的纵截面的示意图。
图6为本发明中阻尼组件的另一结构的横截面的示意图。
图中：外壳体1，顶盖2，中心轴3，涡轮定子4，涡轮转子5，压帽6，定阀7，通孔71，铣槽72，封闭位置73，阻尼定子8，阻尼转子9，轴承10，下接头11，动阀口12，永磁体13，压板14。
具体实施方式
如图1~6中，一种电磁阻尼水力振动装置，包括外壳体1、中心轴3、振动机构和涡轮组件，中心轴3通过轴承10可旋转的支承在外壳体1内，优选的方案中，中心轴3的顶部与顶盖2连接。优选的，顶盖2的顶部设有锥形的结构，用于降低泥浆对中心轴3的冲击。
如图1中，中心轴3上固设有至少一个涡轮转子5，外壳体1内壁固设有与涡轮转子5配合的涡轮定子4；由此结构，当高压液流经过涡轮组件，则驱动中心轴3旋转。
如图1、3-6中，中心轴3与外壳体1之间设有阻尼组件；
所述的阻尼组件中，阻尼转子9固设在中心轴3，外壳体1内壁固设有与阻尼转子9相配合的阻尼定子8，阻尼转子9或阻尼定子8上设有永磁体13。由此结构，当阻尼定子8和阻尼转子9发生相对运动时，会在阻尼定子8或阻尼转子9中感应出涡流，并且该涡流会激发感应磁场。由楞次定律可知，该感应磁场会阻碍阻尼转子9的转动，从而对阻尼转子9施加一个阻尼力。使由涡流转子5驱动的中心轴3的转速降低。
可选的方案如图1中，所述的阻尼转子9为导体板，永磁体13固设在阻尼定子8上，永磁体13位于导体板的上端和下端。如图1中，所述的导体板9成环状，永磁体8相应的成环状，永磁体8由两部分组成，分，别位于导体板9的上方和下方，导体板9位于两部分永磁体8之间。参见图1，阻尼组件的导体板9上下各有一块分别为N和S的永磁体8，当导体板9和永磁体8的磁场发生相对运动时，会在导体板9中感应出涡流，并且该涡流会激发感应磁场。由楞次定律可知，该感应磁场会阻碍导体板9与永磁体8的磁场的相对运动，从而对导体板9施加一个阻尼力。由涡流转子5驱动的中心轴3转速降低。
另一可选的方案如图3-4中，多个永磁体13通过压板14固定安装在阻尼转子9上，相邻永磁体13的磁极相反，永磁体13为类似梯形的结构，压板14为类似倒梯形的结构，永磁体13和压板14的外圈和内圈为圆弧，压板14通过螺钉与阻尼转子9连接，压板14的倒梯形两边将永磁体13固定，永磁体13的外缘为工作面。
另一可选的方案如图5-6中，多个永磁体13镶嵌在阻尼定子8的端面上，相邻永磁体13的磁极相反，永磁体13的端面为工作面。
由于设置有阻尼组件，通过调节输入泥浆的压力，能够较为方便地调节本发明装置的振动频率。
优选的方案如图1中，在中心轴3内设有顶部封闭，底部开放的中轴孔；
振动机构的结构为：中心轴3的外壁设有至少一个动阀口12，本例为四个，沿圆周对称布置；在外壳体1内设有至少一个定阀7，本例为相应为四个，沿圆周对称布置。优选的，定阀7和动阀口12位于涡轮组件的下方，阻尼组件的上方，轴承10位于阻尼组件的下方。
如图2中所示，当中心轴3的动阀口12旋转至定阀7铣槽72处，阀口全开；当中心轴3的动阀口12旋转至封闭位置73，动阀口12与定阀7处于部分关闭状态。
由此结构，在中心轴3转动过程中，由于通流面积变化整个装置产生振动。
所述的定阀7成环状，定阀7上设有顶部和靠近圆心一侧开放的铣槽72；优选的定阀7的铣槽72为1/4球形孔，当定阀7的铣槽72为四个时，每个在圆周上相距90度。
所述的动阀口12为倾斜的穿透中心轴3侧壁的孔，孔靠近圆心的一端较低。
由此结构，能够降低泥浆通过时的冲击。
定阀7和动阀口12位于涡轮组件的下方，阻尼组件的上方。阻尼组件位于轴承10的上方，在定阀7的底部还设有通往阻尼组件和轴承的通孔71，用于降温和润滑。
优选的方案中，所述的涡轮转子5、涡轮定子4和阻尼组件为可拆卸的结构。涡轮转子5通过压帽6与中心轴3固定连接，压帽6与中心轴3通过螺纹连接。涡轮定子4通过定阀7上端面与外壳体1固定连接。涡轮定子4由定阀7的上端定位，通过增加的垫圈，减少涡轮定子4的级数。
通过不同级数涡轮组件和电磁阻尼组件的组合，可以实现中心轴3转速可调，因此中心轴3上的动阀口12转速可调，动阀口12和定阀7相对转动，流体过流面积形成变化，从而产生周期性的压力波动，使钻具受到周期性变化的轴向力。
如图1、2中，使用时，泥浆从外壳体1顶部进入，经过涡轮定子4和涡轮转子5的叶片，泥浆冲击涡轮转子5的叶片使涡轮转子5带动中心轴3旋转。中心轴3的动阀口12随之旋转，当动阀口12与定阀7连通，泥浆经过定阀7、动阀口12进入到中心轴3的中轴孔内从下接头11排出至其他管节。当阀口12与定阀7互相封闭，泥浆使本发明的振动装置产生冲击振动。随着中心轴3的持续旋转，这种冲击振动持续产生。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电磁阻尼水力振动装置，包括外壳体（1）、中心轴（3）、振动机构和涡轮组件，中心轴（3）通过轴承（10）可旋转的支承在外壳体（1）内，其特征是：中心轴（3）上固设有至少一个涡轮转子（5），外壳体（1）内壁固设有与涡轮转子（5）配合的涡轮定子（4）；
中心轴（3）与外壳体（1）之间设有阻尼组件；
所述的阻尼组件中，阻尼转子（9）固设在中心轴（3），外壳体（1）内壁固设有与阻尼转子（9）相配合的阻尼定子（8），阻尼转子（9）或阻尼定子（8）上设有永磁体（13）；
所述的涡轮转子（5）、涡轮定子（4）和阻尼组件为可拆卸的结构，通过不同级数涡轮组件和电磁阻尼组件的组合，实现中心轴（3）转速可调；
在中心轴（3）内设有顶部封闭，底部开放的中轴孔；
中心轴（3）的外壁设有至少一个动阀口（12），在外壳体（1）内设有至少一个定阀（7），当中心轴（3）的动阀口（12）旋转至定阀（7）铣槽（72）处，阀口全开；当中心轴（3）的动阀口（12）旋转至封闭位置（73），动阀口（12）与定阀（7）处于部分关闭状态。
2.根据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：所述的阻尼转子（9）为导体板，永磁体（13）固设在阻尼定子（8）上，永磁体（13）位于导体板的上端和下端。
3.根据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：多个永磁体（13）通过压板（14）固定安装在阻尼转子（9）上，相邻永磁体（13）的磁极相反，永磁体（13）为类似梯形的结构，压板（14）为类似倒梯形的结构，永磁体（13）和压板（14）的外圈和内圈为圆弧，压板（14）通过螺钉与阻尼转子（9）连接，压板（14）的倒梯形两边将永磁体（13）固定，永磁体（13）的外缘为工作面。
4.根据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：多个永磁体（13）镶嵌在阻尼定子（8）的端面上，相邻永磁体（13）的磁极相反，永磁体（13）的端面为工作面。
5.根据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：定阀（7）成环状，铣槽（72）的顶部和靠近圆心的一侧开放。
6.据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：所述的动阀口（12）为倾斜的穿透中心轴（3）侧壁的孔，孔靠近圆心的一端较低。
7.根据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：定阀（7）和动阀口（12）位于涡轮组件的下方，阻尼组件的上方。
8.根据权利要求1所述的一种电磁阻尼水力振动装置，其特征是：涡轮转子（5）通过压帽（6）与中心轴（3）固定连接，涡轮定子（4）通过定阀（7）上端面与外壳体（1）固定连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180814 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |