CN110192037A - 用于离心泵的扭矩传递系统 - Google Patents

Abstract

一种用于离心泵的扭矩传递系统。一种用于离心泵的扭矩传递系统包括叶轮上方的轴承套筒，所述轴承套筒和所述叶轮的轮毂围绕可旋转轴并通过键联接到所述可旋转轴，所述轴承套筒具有台阶底部边缘，所述轮毂的顶部边缘与所述轴承套筒的所述底部边缘成相反的台阶状，使得所述顶部边缘与所述底部边缘互锁，其中所述互锁边缘的纵向延伸部分之间具有间隙，其中在所述键和所述套筒之间的扭矩传递减少时，所述间隙闭合，使得所述台阶顶部边缘的所述纵向延伸部分接触所述台阶底部边缘的所述纵向延伸部分，从而保持所述套筒与所述可旋转轴一起旋转。一种离心泵包括具有一系列台阶互锁叶轮的模块。

Description

用于离心泵的扭矩传递系统

背景技术

1.发明领域

本文描述的本发明的实施方案涉及电动潜油泵领域。更具体地，但不作为限制，本发明的一个或多个实施方案实现了用于离心泵的扭矩传递系统。

2.相关技术说明

流体诸如气体、油或水通常位于地下地层中。当井内压力不足以迫使流体流出井外时，必须将流体泵送到地面，以便能够对其进行收集、分离、提炼、分配和/或出售。离心泵通常用于电动潜油泵(ESP)应用中，用于将井产流体提升到地面。离心泵通过加速流体流过与非旋转导叶成对的旋转叶轮(统称为“级”)，从而将能量传递给流体。在多级离心泵中，多级叶轮和导叶对可用于进一步增加压力提升。这些级围绕泵轴串联堆叠，每个连续的叶轮位于前一级的导叶上。泵轴纵向延伸穿过堆叠级的中心。轴旋转，并且叶轮用键固定到轴，使叶轮与轴一起旋转。

传统的ESP组件有时包括轴承组，以承受在操作期间作用在泵上的径向力和推力。轴承组传统上由套筒和衬套组成。套筒用键固定到轴并与轴一起旋转。衬套被压入套筒周围的导叶中，并且不应旋转。

流经泵的生产流体通常包含固体磨料诸如沙子、岩石、岩石颗粒、土壤或泥浆，这些物质会对泵部件造成损坏。为了防止磨损，轴承组的可旋转套筒和衬套通常由碳化钨复合材料制成，该复合材料包括粘结剂诸如钻。碳化钨钻复合材料是硬质脆性材料，其具有范围从90至100HRA的硬度值。在ESP工业中，硬化的套筒和衬套通常被称为耐磨饰件或“AR饰件”。

将套筒固定到ESP轴上的键通常是细长的矩形条带，其长约36英寸，并且由具有约72HRA(40至60HRC)的硬度的经处理的钢或奥氏体合金制成。键固定在套筒和轴两者的键槽中，允许套筒与轴一起旋转。具有40至60HRC(72HRA)的硬度的材料通常用于ESP键，因为它们比更硬、更脆的材料更易延展，且因此制造简单，并且允许键承受轴扭转。叶轮以类似的方式用键固定在ESP轴上，其中多个键沿着轴的长度上下堆叠。

传统键产生的问题是键的微振磨损。在ESP组件的操作期间，轴在套筒内振动。这种振动可以以从轴向到横向再到扭转的各种模式发生，并且导致硬质碳化钨套筒反复撞击和/或滑动抵靠较软的键，导致键上的材料损失。另外，在含沙环境中，流经泵的沙子磨损并引起套筒内较软的键材料的破坏。如果键损失20％或更多厚度，这种情况可能导致套筒和轴之间的异步旋转。异步旋转导致轴磨损，最终导致轴断裂。另外，磨损的键会导致套筒在衬套内部“螺旋”，从而加剧微振磨损，并且导致剪切破坏。变薄或断裂的键将不能在轴和套筒之间充分传递扭矩，从而导致轴承组失效、轴断裂并且缩短泵的使用寿命。

一些在ESP轴和AR套筒之间传递扭矩的传统方法将断裂归因于轴的角度偏转，也称为“轴扭转”。这些方法假设轴的角度偏转被施加给套筒，并且试图通过从套筒中完全消除键来解决该问题。在这些“无键”方法中，端环或驱动套环在套筒上方或下方键入，以间接转动硬质“无键”套筒。在一些情况下，驱动套环使用与套筒中的凹槽接合的成角度齿来转动套筒。这些传统设计的问题在于它们导致剩余键槽根部的高应力集中，并且对转动端环、套环或叶轮的键的磨损损伤几乎不提供保护。端环和驱动套环的键本身易受剪切影响，特别是在磨损环境中，并且如果剪切，泵完全失效，因为整个“无键”系统不再与轴一起转动。这些设计还不合期望地需要额外的部件诸如弹簧、端环和驱动套环，这些部件可能复杂、昂贵且安装麻烦。

从以上可以明显看出，目前用于ESP中所采用的离心泵的扭矩传递系统存在许多缺陷。因此，需要一种用于离心泵的改进的扭矩传递系统。

发明内容

本发明的一个或多个实施方案实现了用于离心泵的扭矩传递系统。描述了一种用于离心泵的扭矩传递系统。

用于离心泵的扭矩传递系统的说明性实施方案包括：叶轮上方的轴承套筒，该轴承套筒和叶轮的轮毂围绕可旋转轴并通过键联接到可旋转轴，轴承套筒具有台阶底部边缘；轮毂的顶部边缘，其与轴承套筒的底部边缘成相反的台阶状，使得顶部边缘与底部边缘互锁，其中互锁边缘的纵向延伸部分之间具有间隙；其中在键和轴承套筒之间的扭矩传递减少时，该间隙闭合，使得台阶顶部边缘的纵向延伸部分接触台阶底部边缘的纵向延伸部分，从而保持轴承套筒与可旋转轴一起旋转。在一些实施方案中，轴承套筒的台阶底部边缘的纵向延伸部分限定轴承套筒的驱动表面，驱动表面位于轴承套筒的支承表面下方，并且还包括围绕支承表面的不可旋转衬套。在某些实施方案中，轴承套筒包括在衬套上方围绕套筒顶部径向向外延伸的凸缘，其中凸缘承载离心泵的推力。在一些实施方案中，键安放在键槽中，键槽沿着套筒的支承表面的内径、沿着套筒的驱动表面的内径延伸，并且沿着轮毂表面的内径从套筒的驱动表面的内径延续。在某些实施方案中，扭矩传递系统还包括位于轴承套筒上方的支座套筒，支座套筒包括台阶顶部边缘，该台阶顶部边缘与支座套筒上方的第二叶轮的第二轮毂的底端互锁。在一些实施方案中，扭矩传递的减少导致轴承套筒和可旋转轴之间的异步旋转以闭合间隙。

离心泵的说明性实施方案包括模块，该模块包括：可旋转轴；堆叠在可旋转轴上的一系列叶轮，每个叶轮包括通过键固定到可旋转轴的轮毂，该系列叶轮包括最上部叶轮和最下部叶轮；在最上部叶轮上方用键固定到可旋转轴的凸缘套筒；在最下部叶轮下方用键固定到可旋转轴的支座套筒；并且该系列叶轮中的每个叶轮包括轮毂的顶端上的台阶边缘和轮毂的底端上的台阶边缘，其中相对轮毂的端部成相反的台阶状以便互锁，其中相对台阶边缘的纵向部分之间具有第一间隙；最上部叶轮的轮毂的顶端与凸缘套筒的台阶底部边缘互锁，其中相对台阶边缘的纵向部分之间具有第二间隙；并且最下部叶轮的轮毂的底端与支座套筒的台阶上边缘互锁，其中相对台阶边缘的纵向部分之间具有第三间隙。在一些实施方案中，多个模块堆叠在可旋转轴上，其中第一模块支座套筒位于第二模块凸缘套筒上方，其中第一模块支座套筒的底部和第二模块凸缘套筒的顶部中的每一者都具有均匀的纵向长度。在某些实施方案中，在该系列叶轮中存在两个和四个叶轮。在一些实施方案中，当键的扭矩传递减少时，第一、第二和第三间隙闭合，使得台阶相对边缘的纵向部分之间的接触保持凸缘套筒、支座套筒和该系列叶轮与可旋转轴一起旋转。在某些实施方案中，凸缘套筒包括支承表面和驱动表面，其中驱动表面包括纵向部分，并且还包括围绕支承表面的不可旋转衬套。

用于离心泵的扭矩传递系统的说明性实施方案包括：纵向延伸穿过叶轮轮毂的可旋转轴，轮毂通过键联接到可旋转轴；通过键固定到可旋转轴的套筒，套筒在叶轮上方并且包括：围绕可旋转轴周向延伸的支承表面；驱动表面，驱动表面位于支承表面和轮毂的顶部部分之间；并且驱动表面部分地围绕可旋转轴延伸以形成套筒的台阶底部边缘；轮毂的顶部部分与套筒的底部边缘成相反的台阶状，其中轮毂的顶部部分和套筒的底部边缘的纵向延伸部分之间具有间隙；其中当键和套筒之间的扭矩传递减少时，该间隙闭合，使得纵向延伸部分之间的接触保持套筒与可旋转轴一起旋转。在一些实施方案中，键延伸跨过套筒的径向支承表面和驱动表面的内径。在某些实施方案中，套筒包括围绕支承表面的顶部的径向延伸的凸缘。在一些实施方案中，扭矩传递系统还包括围绕支承表面延伸的衬套。

离心泵的说明性实施方案包括：可旋转轴；在径向延伸的凸缘下方轴向延伸的套筒，套筒用键固定到可旋转轴上，并且包括：支承表面，其围绕可旋转轴在凸缘下方周向延伸第一轴向长度；驱动表面，其从支承表面开始并且在支承表面下方部分地围绕可旋转轴在支承表面下方延伸第二轴向长度，第二轴向长度由一对纵向延伸的边缘限定；并且其中支承表面的底部边缘、驱动表面的底部边缘和一对纵向延伸的边缘一起形成台阶套筒边缘；围绕套筒下方的可旋转轴的叶轮，叶轮包括轮毂；轮毂的顶端包括与套筒边缘成相反的台阶状的轮毂边缘；并且轮毂边缘与台阶套筒边缘互锁。在一些实施方案中，套筒的支承表面和驱动表面通过键联接到可旋转轴。在某些实施方案中，在剪切键时，该对纵向延伸边缘中的一个与轮毂边缘的纵向部分之间的接触保持套筒与可旋转轴一起旋转。在一些实施方案中，离心泵还包括围绕套筒的支承表面延伸的不可旋转衬套。在一些实施方案中，衬套具有基本上等于第一轴向长度的长度。在某些实施方案中，轮毂的底端与用键固定在可旋转轴的第二叶轮的第二轮毂的顶端成相反的台阶状。在一些实施方案中，轮毂的底端与第二轮毂的顶端之间的接触在所述叶轮和第二叶轮之间传递扭矩。

在其他实施方案中，来自特定实施方案的特征可以与来自其他实施方案的特征组合。例如，来自一个实施方案的特征可以与来自任何其他实施方案的特征组合。在其他实施方案中，可以将附加特征添加到本文描述的特定实施方案中。

附图说明

受益于以下详细描述并参考附图，本发明的优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，其中：

图1是说明性实施方案的轴承套筒的透视图。

图2是说明性实施方案的叶轮的透视图。

图3是部分剖开的说明性实施方案的离心泵的透视图。

图4是说明性实施方案的轴承组的透视图。

图5A是说明性实施方案的在互锁的相对边缘之间具有间隙的扭矩传递系统的透视图。

图5B是说明性实施方案的在互锁的相对边缘之间具有闭合的间隙的扭矩传递系统的透视图。

图6是说明性实施方案的模块的透视图。

图7A是说明性实施方案的离心泵的邻近模块的透视图。

图7B是说明性实施方案的离心泵的邻近模块的截面视图。

图8是说明性实施方案的电动潜油泵组件的透视图。

虽然本发明容许各种修改和替代形式，但通过举例方式在附图中示出了本发明的具体实施方案并可能在本文中对其作出详细的描述。附图可能未按比例绘制。然而，应当理解，本文描述的和附图中示出的实施方案并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式，相反其意图在于涵盖落入如所附权利要求所限定的本发明的范围内的所有修改、等同物和替代方案。

具体实施方式

描述了一种用于离心泵的扭矩传递系统。在以下示例性描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的实施方案的更透彻的了解。然而，对于普通技术人员来说显而易见的是，可以在不结合本文描述的具体细节的所有方面的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述本领域普通技术人员熟知的特定特征、数量或测量，以免混淆本发明。读者应该注意到，尽管本文阐述了本发明的实例，但是权利要求书和任何等同物的全部范围限定了本发明的边界和范围。

如本说明书以及所附权利要求书中所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物。因此，例如，在引用“一个键”时包括一个或多个键。

“联接”指的是一个或多个物体或部件之间的直接连接或间接连接(例如，至少一个中间连接)。短语“直接附接”是指物体或部件之间的直接连接。

如本文所用，术语“外部”、“外侧”或“向外”是指远离电动潜油泵(ESP)的轴的中心和/或远离轴将延伸穿过的部件的开口的径向方向。

如本文所用，术语“内部”、“内侧”或“向内”是指朝向ESP的轴的中心和/或朝向轴将延伸穿过的部件的开口的径向方向。

如本文所用，术语“轴向”、“轴向地”、“纵向”和“纵向地”可互换地指沿着ESP组件部件诸如ESP入口、多级离心泵、密封部分、气体分离器或供给泵的轴的长度延伸的方向。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，“下游”或“向上”可互换地指当泵组件操作时，基本上与提升流体的主要流动一致的纵向方向。作为实例而非限制，在垂直井下ESP组件中，下游方向可以朝向井的表面。元件的“顶部”指的是元件的最下游侧，而不考虑元件是水平取向、垂直取向还是延伸穿过半径。“上方”指的是位于比与之比较的元件更下游的元件。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，“上游”或“向下”可互换地指当泵组件操作时，基本上与提升流体的主要流动相反的纵向方向。作为实例而非限制，在垂直井下ESP组件中，上游方向可以与井的表面相反。元件的“底部”指的是元件的最上游侧，而不考虑元件是水平取向、垂直取向还是延伸穿过半径。“下方”指的是位于比与之比较的元件更上游的元件。

如本文所用，“沙子”和“含沙”不受限制地用于指代包含在提升的井产流体中并流经说明性实施方案的ESP组件和/或离心泵的任何固体或浆料，诸如支撑剂、沙子、泥土、岩石和/或磨料颗粒。

为了便于描述，本文描述的说明性实施方案是根据ESP组件描述的。然而，说明性实施方案的扭矩传递系统可以应用于任何具有用键固定到驱动轴的可旋转部件的离心泵，并且在扭矩传递键有剪切风险的情况下，诸如在含沙环境中和/或采用耐磨饰件(AR饰件)的情况下，该扭矩传递系统可能尤其有用。另外，说明性实施方案可用于ESP组件的任何部件中，该ESP组件采用AR饰件、级、模块和/或通过连接到轴的键旋转的部件，诸如气体分离器、供给泵和/或初始多级离心泵。

说明性实施方案可提供用于离心泵的辅助扭矩传递系统，其采用一个或多个键作为在泵的驱动轴和泵的可旋转部件之间传递扭矩的主要机构，以便在泵操作期间转动可旋转部件。说明性实施方案可以在键剪切、磨损、微振磨损、断裂或以其他方式不能传递扭矩和/或在一方驱动轴与另一方套筒、叶轮和/或支座套筒之间提供减少的扭矩传递的情况下，保持凸缘套筒、叶轮和/或支座套筒的恒定旋转。尽管说明性实施方案可提供关于在说明性实施方案的级和/或模块内可能剪切或微振磨损的任何键(诸如支座套筒和/或叶轮的键)的改进操作，但键与硬质轴承套筒接触的部分在某些情况下最有可能由于微振磨损而断裂。说明性实施方案可以减少轴断裂的情况，减少轴承失效的情况，改善轴扭转的处理和/或可以增加ESP泵在含沙环境中的使用寿命，而不需要在泵中添加任何新的部件。

说明性实施方案可以包括管状、可旋转泵部件诸如径向支撑套筒、凸缘套筒、叶轮轮毂和/或支座套筒的台阶边缘。每个套筒和/或轮毂的边缘可以是台阶状的，以在单个部件上提供具有两个不同轴向长度的部分，使得每个可旋转部件具有纵向长度较短的圆周部分和纵向长度较长的圆周部分。纵向延伸的边缘可以连接部件的长圆周部分和短圆周部分。相对的邻近可旋转部件的边缘可以彼此相反地成形和/或相反地开槽，使得第一部件的长部分与邻近部件的短部分配合，和/或邻近部件互锁、沿着轴在长度上重叠和/或互连。当键用于传递扭矩时，间隙可以在相对的纵向延伸边缘之间延伸。在键失效或强度损失的情况下，相对的纵向边缘之间的间隙可以闭合，并且台阶之间的接触可以允许可旋转部件在断裂或损坏的键的整个长度上持续旋转。在键存在轻微的微振磨损的情况下，台阶边缘可以接替受到微振磨损的键的主要扭矩传递功能。

说明性实施方案可在采用键作为主要扭矩传递机构的系统中提供辅助扭矩传递机构。说明性实施方案可以提供整个泵模块的连续和同步旋转，而不考虑断裂或弱化键的特定位置。说明性实施方案可以通过沿着套筒重新分配应力增加套筒和键之间的接合面积，而不会增加轴扭转应力。

图1示出了说明性实施方案的示例性套筒。轴承套筒100可以是凸缘套筒，提供推力和径向支撑两者，并且包括凸缘105。凸缘105可以从轴向延伸的管状部分125并围绕其径向向外延伸。在一些实施方案中，轴承套筒100可以是径向支撑套筒，并且可以省略凸缘105。管状部分125可以接纳轴300(如图3所示)。轴承套筒100和/或管状部分125的内径155可包括用于安放键305的键槽150(如图3所示)。轴承套筒100可以是耐磨饰件(AR饰件)并且由硬质材料诸如碳化钨复合材料、碳化钨、碳化硅、碳化钛或另一种类似的碳化物材料制成。

轴承套筒100的底部边缘110可以是台阶状的，形成具有两个不同长度和/或较长侧和较短侧的管状部分125。如图1所示，套筒底部边缘110可以是台阶状和/或瀑布状的，外观类似于高低下摆。轴承套筒100可包括支承表面115和驱动表面120。驱动表面120可以是从支承表面115的纵向延伸，仅在支承表面115的一部分下方邻近。与轴承套筒100配对的衬套400(图4所示)可以围绕支承表面115，但不围绕驱动表面120，该驱动表面120可以在衬套400下方延伸。支承表面115可以围绕轴承套筒100延伸360°，而驱动表面120可以仅部分地围绕轴承套筒100的圆周延伸，例如围绕轴承套筒100延伸90°、180°或240°，以产生底部边缘110的台阶和/或瀑布特征，外观类似于鲤鱼头发型。台阶套筒底部边缘110可以通过保持套筒100的长度的一部分较短而同时增加键300与套筒100接合的长度来减少轴扭转的影响。

转到图4，衬套400可以围绕轴承套筒100的支承表面115。衬套400可以压装配(摩擦装配)到导叶330的壁中，或者可以是在衬套400和导叶330壁之间具有弹性环405的柔性轴承。当轴承套筒100在非旋转衬套400内旋转时，衬套400和轴承套筒100一起可形成流体动力轴承组。

回到图1，套筒底部边缘110可以由通过一对纵向边缘135连接和/或联接的支承表面底部边缘130和驱动表面底部边缘140形成，和/或包括所述支承表面底部边缘130和驱动表面底部边缘140。支承表面底部边缘130和驱动表面底部边缘140可以各自是圆的一部分。驱动表面底部边缘140和支承表面底部边缘130可一起绕过360°或约360°，形成围绕轴承套筒100的整圆或大约一整圆。纵向边缘135可以连接和/或联接支承表面底部边缘130和驱动表面底部边缘140。纵向边缘135可以轴向延伸，或者在纵向方向上大致轴向延伸，以在支承表面底部边缘130和驱动表面底部边缘140之间形成类似于楼梯台阶的台阶。一方面纵向边缘135和另一方面驱动表面底部边缘140和/或支承表面底部边缘130之间的交叉145可以是圆形的、弯曲的和/或平滑的。轴承套筒100可以铸造成所需的台阶形状和/或可以铸造以匹配管状部分125的最长长度，且然后磨削以形成台阶套筒底部边缘110。

键槽150可以在轴承套筒100的内径155上沿着轴承套筒100的包括驱动表面120的部分延伸。在管状部分125的较长侧和/或最长侧上包括键槽150可以增加配合键305和可旋转轴承套筒100之间的接合面积。套筒底部边缘110的台阶特征可以允许键305和套筒100的内径155之间的接合面积增加而不增加或不显著增加来自轴300扭转的应力，因为支承表面底部边缘130可以保持比驱动表面底部边缘140更短。在说明性实例中，管状部分的支承表面的轴向长度(例如，从凸缘105到支承表面底部边缘130的长度)可以是0.465英寸，并且纵向边缘135的长度可以是约0.300英寸，和/或驱动表面底部边缘140可以比支承表面底部边缘130低0.300英寸。在该实例中，管状部分125的最长侧可以是约0.765英寸长并且包括键槽150，并且管状部分125的短侧可以是0.465英寸长。管状部分125的其他长度可以类似地被采用，套筒100的驱动表面120比支承表面115长50％、65％、75％，或者其他类似的长度增加。由台阶底部边缘110形成的台阶套筒100形状可改变沿套筒100的应力分布，这可改善轴扭转处理能力。

图2示出了说明性实施方案的叶轮。叶轮200可包括轮毂205、下护罩225和上护罩235。叶片310(图3中示出)可以在轮毂205和叶轮护罩225、235之间延伸。平衡环240可以围绕上护罩235的周边轴向延伸，并且裙部275可以围绕下护罩225并且从下护罩225向下延伸。平衡孔245可以延伸穿过上护罩235。轮毂205可以管状地围绕轴300，并且包括轮毂内径230上的键槽150，键槽150可以与键305配合。轮毂205可包括轮毂顶端210和轮毂底端215。轮毂顶端210和轮毂底端215中的一者或两者可包括台阶轮毂边缘250，其类似于轴承套筒100的底部边缘110。如图2所示，轮毂顶端210和轮毂底端215具有高低、台阶状和/或瀑布状台阶轮毂边缘250。叶轮200的轮毂顶端210上的台阶轮毂边缘250可以与轴承套筒100的底部边缘110相反地成形，使得当轴承套筒100堆叠在叶轮200上方的可旋转轴上时，轴承套筒100的底部边缘110和轮毂顶端210上的台阶轮毂边缘250彼此相反地成形，彼此相对，互连，沿着轴300在长度上重叠和/或互锁。类似地，如果第二叶轮200在第一叶轮200下方，则第一叶轮200的轮毂底端215上的台阶轮毂边缘250可与位于第一叶轮下方的第二叶轮200的轮毂顶端210上的台阶轮毂边缘250互锁。

台阶轮毂边缘250可包括驱动表面120，其可以是从轮毂表面260的纵向延伸，其中驱动表面120可以仅部分地围绕轴300和/或轮毂205的圆周延伸。纵向边缘l35可以将驱动表面顶部边缘265连接和/或联接到轮毂表面顶部边缘270。在一些实施方案中，驱动表面120可以延伸大约与平衡环240相同的高度，使得驱动表面顶部边缘265与平衡环240的顶部对齐。轮毂的键槽150可以沿轮毂表面260和/或驱动表面120的内径230延伸。如图4所示，叶轮200的驱动表面120可以在轮毂205的与叶轮200的键槽150相对一侧上延伸。在该实例中，如果叶轮200位于套筒100的正下方，则键305可以沿着轴承套筒100的支承表面115和驱动表面120两者的内径155延伸，且然后沿轮毂表面260的轮毂内径230延续，但是不沿着叶轮200的驱动表面120延伸。

图3示出了说明性实施方案的多级离心泵325中的轴承套筒100和轮毂205之间的互锁和/或配合。在图3中，轮毂顶端210上的台阶轮毂边缘250与轴承套筒100的底部边缘110互锁和/或配合。当键305用于传递扭矩而不减少扭矩传递和/或强度时，间隙315可以在套筒100的底部边缘110的纵向边缘135与台阶轮毂边缘250的相对的纵向边缘135之间延伸。在说明性实施方案中，间隙的宽度可以是0.001至0.0625英寸。间隙315可以简化模块600(图6中示出)的组装和公差累积。在一些实施方案中，在公差控制基本上完美的情况下，间隙315可以不是必需的和/或可以等于零，并且纵向边缘135可以在组装时彼此接合和/或接触。台阶轮毂边缘250可以被加工和/或成形为与套筒底部边缘110和/或台阶轮毂边缘250正上方的台阶边缘的形状相反。在一些实施方案中，轮毂底端215可以类似地包括台阶轮毂边缘250，其可以与堆叠在轮毂底端215下方的邻近叶轮200的轮毂顶端210互连和/或互锁。空间320还可以在套筒底部边缘110和台阶轮毂边缘250的圆周部分之间延伸，使得轮毂顶端210和轴承套筒100不彼此接触，具体取决于离心泵325的压缩。

在图3中，轴承套筒100被示出为与叶轮200的轮毂205互锁(互连)，其中在台阶轮毂边缘250的纵向边缘135与轴承套筒100的底部边缘110的纵向边缘135之间具有间隙315。如图3所示，轮毂205和轴承套筒100装配、配合和/或互锁在一起，尽管轮毂顶端210和套筒底部边缘110可不接触。图3示出了当键305不处于弱化或剪切状态时的边缘定位。叶轮200可以与非旋转导叶330和/或载体配对以形成离心泵级335。可旋转轴300可以在中心和纵向延伸穿过轴承套筒100和叶轮200的轮毂205，其各自可以与轴300一起旋转。安放在轴承套筒100和轮毂205的内径上的键槽150中的键305可以为轴承套筒100和/或叶轮200提供主要旋转，只要键305保持未弱化。

图5A示出了当键305提供从轴300到轴承套筒100以及从轴300到叶轮200的主要扭矩传递时轴承套筒100和轮毂205的互锁位置。图5A示出了当完整键305在轴300与轴承套筒100和/或叶轮200之间传递扭矩时，轴承套筒100的底部边缘110与台阶轮毂边缘250互锁的示例性位置。如图5A所示，轴300沿顺时针方向500旋转，并且间隙315存在于轴承套筒100和叶轮200的邻近和/或相对的纵向边缘135之间。边缘110、250沿轴300重叠，使得轮毂205的一部分沿轴300延伸超过套筒100的一部分，反之亦然。在扭矩传递键305微振磨损、剪切、断裂或磨损的情况下，例如磨损其厚度的20％或更多，轴承套筒100和叶轮200的键槽150可能由于轴300和轴承套筒100之间的异步旋转而停止保持彼此平行，从而导致间隙315闭合，并且套筒底部边缘110和台阶轮毂边缘250的纵向部分135彼此接触。

图5B示出了当键305失去强度和/或磨损时轴承套筒100和轮毂205的互锁位置，以便提供减少的扭矩传递和/或扭矩传递的损失。如图5B所示，在键305磨损和/或微振磨损时，轴300沿顺时针方向500旋转可导致由箭头505所示的异步旋转和间隙315闭合。当间隙315闭合时，套筒100和叶轮200的邻近纵向边缘135可彼此接触。轴承套筒100和叶轮200之间的接触510可以允许轴承套筒100和叶轮200再次和/或继续以相同速率旋转，而不管键305被磨损、剪切或其他失效情况。例如，如果由硬质材料诸如碳化钨复合材料制成的轴承套筒100微振磨损穿过键305，则间隙315可能由于轴承套筒100和叶轮200的键槽150之间存在未对准和/或轴承套筒100和轴300之间的异步旋转而闭合。在另一个实例中，如果沿着叶轮轮毂205延伸的键305磨损并弱化，则套筒100和轮毂205的相对侧上的间隙315可能类似地闭合。在这种情况下，轮毂顶端210上的台阶轮毂边缘250和轴承套筒100的底部边缘110的纵向边缘135可以周向移动以彼此接触。一旦边缘250、110接触510，则叶轮200可以通过接触区域510使轴承套筒100与叶轮200以相同的rpm(每分钟转数)一起旋转，或者轴承套筒100可以使叶轮200与轴承套筒100以相同的rpm一起旋转。扭矩因此可以通过接触区域510沿着相对的纵向延伸边缘135的长度或长度的一部分从叶轮200传递到套筒。如果键205在叶轮200处剪切，则轴承套筒100的驱动表面120可以转动叶轮200，例如由相同键205的完整部分或由一个或多个未弱化的邻近键205驱动。

图6示出了说明性实施方案的离心泵模块。在图6中，示出了第一模块600a的底部和第二模块600b的顶部。在图6所示的实施方案中，每个模块600包括一系列四个叶轮200，轴承套筒100在该系列叶轮200上方，并且支座套筒605在该系列叶轮200下方。如本文所述，轴承套筒100可以是凸缘套筒和/或径向支撑套筒。支座套筒605可以支撑叶轮200，并且支座套筒605的长度可以确定叶轮200的操作高度。支座套筒605可以是高镍耐热奥氏体铸铁合金或不锈钢(如果加垫片)。说明性实施方案的示例性模块600可以从顶部到底部包括位于模块600顶部的轴承套筒100、一系列四个堆叠的叶轮200a至200d，以及位于模块600底部的支座套筒605，其各自可以包括沿其内径纵向延伸的键槽150。连续键槽150可以沿着轴300在模块600的整个长度上延伸。一个或多个键300可以沿着模块600的整个长度并且沿着模块600内包括的每个可旋转部件与连续键槽150配合。

模块600内的邻近部件可以包括彼此相反地成形的互锁和/或互连的相对台阶边缘，当键305保持扭矩传递能力时，在相对的纵向边缘135之间具有间隙315，并且间隙315在扭矩传递键305弱化和/或失效时闭合。在一些实施方案中，模块600内的每个轴承套筒100、叶轮200和/或支座套筒605可以互连，邻近模块600之间的连接中断(无互连)。因此，例如在图6所示的模块600a中，叶轮200a可以与下面的叶轮200b互锁，并且与上面的轴承套筒100互锁(模块600a的轴承套筒100未示出)；叶轮200b可以与下面的叶轮200c互锁，并且与上面的叶轮200a互锁；叶轮200c可以与上面的叶轮200b互锁，并且与下面的叶轮200d互锁；叶轮200d可以与下面的支座套筒605互锁，并且与上面的叶轮200c互锁；并且模块600a的支座套筒605的底部不与模块600b的轴承套筒100的顶部互锁。在模块600b中，轴承套筒100与模块600b的轴承套筒100下方的叶轮200e互锁。模块600中可以包括任意数量的叶轮200，然而，发明人已经观察到，在模块600的一个或多个扭矩传递键305失效时，如果模块600包括过多的叶轮200，说明性实施方案的互锁连接可能不够强以在期望的rpm保持和传递扭矩。因此，当前优选的是，每个模块600包括两个至五个叶轮200。

图7A至图7B示出了邻近模块600。如图7A所示，支座套筒605表示第一模块600a的底部，并且轴承套筒100表示第二模块600b的顶部。在图7B中，示出了在模块600a和模块600b之间的完整模块600b。在图7A至图7B的实施方案中，第一模块600a的支座套筒605和第二模块600b的轴承套筒100未互连或互锁，并且在键305失效的情况下，扭矩将不会在模块600之间(模块间)传递。如图7B所示，支座套筒605的底部边缘包括围绕支座套筒605的整个圆周沿着轴300延伸均匀长度的非台阶边缘610。套筒100的与支座套筒605邻近的管状部分125不纵向延伸超过凸缘105，并且不与上面的支座套筒605互锁。或者，在模块600内的键305的扭矩传递能力降低或失效的情况下，每个模块600内的轴承套筒100、叶轮200和支座套筒605可以互连，并且扭矩可以通过如本文描述的一个或多个模块600内的台阶边缘250、110在那些模块内600部件之间传递。

图8示出了可采用说明性实施方案的扭矩传递系统的示例性电动潜油泵组件。多级离心泵325可位于井下诸如油井或天然气井中。流体可以通过套管中的穿孔845进入套管840。井下和/或ESP组件850可以是垂直的、水平的或在弯曲或半径内操作。潜油电动机800可以操作以转动离心泵325的轴300，并且可以是两极三相鼠笼式感应电动机。电力电缆825可以从位于井的地面835处的电源向电动机800提供电力。在气井中，气体分离器和/或串联供给泵可以包括在ESP组件850中，并且还可以包括说明性实施方案的级335和/或模块600。气体分离器和/或入口部分815可以用作流体进入离心泵325的入口。密封部分810可以使电动机800中的压力均衡并且防止井产流体进入电动机800。生产油管820可以将提升的流体运送到井的井口830和/或地面835。井下传感器805可以安装在ESP组件850的内部或外部，在电动机800的下方、上方和/或附近。当EPS组件850部件包括多个邻近的可旋转键连接元件时，ESP组件850的这些部件中的一个或多个可包括如本文所述的台阶互锁边缘110、250。

已经描述了一种用于离心泵的扭矩传递系统。说明性实施方案可在采用键作为主要扭矩传递机构的离心泵中提供辅助扭矩传递系统。当扭矩传递键弱化或失效时，模块内的套筒、叶轮和/或支座套筒之间的台阶互连边缘可以沿着纵向表面彼此接触，以在可旋转部件之间传递扭矩，而不管键弱化或失效。说明性实施方案可以减少轴断裂和/或轴承失效的情况，并且可以提高可靠性，而与连续键连接模块内的哪个特定键剪切、弱化或断裂无关，不需要在泵中添加附加部件。

鉴于本说明书，本发明的各种方面的进一步修改和替代实施方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，该说明书应被解释为仅是说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施本发明的一般方式。应当理解，本文示出和描述的本发明的形式将被视为当前优选的实施方案。本文中描述和说明的元件和材料可以被替换，部件和工艺可以颠倒，并且可独立地利用本发明的某些特征，所有这些在本领域技术人员受益于本发明的描述之后都是显而易见的。可在不脱离如以下权利要求中描述的等同物的范围的情况下对元件进行变化。另外，应当理解，在某些实施方案中，本文所述的特征可以独立地组合。

Claims (22)

1.一种用于离心泵的扭矩传递系统，其包括：

叶轮上方的轴承套筒，所述轴承套筒和所述叶轮的轮毂围绕可旋转轴并通过键联接到所述可旋转轴，所述轴承套筒具有台阶底部边缘；

所述轮毂的顶部边缘，其与所述轴承套筒的所述底部边缘成相反的台阶状，使得所述顶部边缘与所述底部边缘互锁，其中所述互锁边缘的纵向延伸部分之间具有间隙；

其中在所述键和所述轴承套筒之间的扭矩传递减少时，所述间隙闭合，使得所述台阶顶部边缘的所述纵向延伸部分接触所述台阶底部边缘的所述纵向延伸部分，从而保持所述轴承套筒与所述可旋转轴一起旋转。

2.如权利要求1所述的扭矩传递系统，其中所述轴承套筒的所述台阶底部边缘的所述纵向延伸部分限定所述轴承套筒的驱动表面，所述驱动表面位于所述轴承套筒的支承表面下方，并且还包括围绕所述支承表面的不可旋转衬套。

3.如权利要求2所述的扭矩传递系统，其中所述轴承套筒包括在所述衬套上方围绕所述套筒的所述顶部径向向外延伸的凸缘，其中所述凸缘承载所述离心泵的推力。

4.如权利要求2所述的扭矩传递系统，其中所述键安放在键槽中，所述键槽沿着所述套筒的所述支承表面的内径、沿着所述套筒的所述驱动表面的内径延伸，并且沿着轮毂表面的内径从所述套筒的所述驱动表面的所述内径延续。

5.如权利要求1所述的扭矩传递系统，其还包括位于所述轴承套筒上方的支座套筒，所述支座套筒包括台阶顶部边缘，所述台阶顶部边缘与所述支座套筒上方的第二叶轮的第二轮毂的底端互锁。

6.如权利要求1所述的扭矩传递系统，其中扭矩传递的所述减少导致所述轴承套筒和所述可旋转轴之间的异步旋转以闭合所述间隙。

7.一种离心泵，其包括：

模块，包括：

可旋转轴；

堆叠在所述可旋转轴上的一系列叶轮，每个叶轮包括通过键固定到所述可旋转轴的轮毂，所述一系列叶轮包括最上部叶轮和最下部叶轮；

在所述最上部叶轮上方用键固定到所述可旋转轴的凸缘套筒；

在所述最下部叶轮下方用键固定到所述可旋转轴的支座套筒；并且

所述一系列叶轮中的每个叶轮包括所述轮毂的顶端上的台阶边缘和所述轮毂的底端上的台阶边缘，其中相对轮毂的端部成相反的台阶状以便互锁，其中所述相对台阶边缘的纵向部分之间具有第一间隙；

所述最上部叶轮的所述轮毂的所述顶端与所述凸缘套筒的台阶底部边缘互锁，其中所述相对台阶边缘的纵向部分之间具有第二间隙；并且

所述最下部叶轮的所述轮毂的所述底端与所述支座套筒的台阶上边缘互锁，其中所述相对台阶边缘的纵向部分之间具有第三间隙。

8.如权利要求7所述的离心泵，其中多个所述模块堆叠在所述可旋转轴上，其中第一模块支座套筒位于第二模块凸缘套筒上方，其中所述第一模块支座套筒的底部和所述第二模块凸缘套筒的顶部中的每一者都具有均匀的纵向长度。

9.如权利要求7所述的离心泵，其中在所述一系列叶轮中存在两个到四个叶轮。

10.如权利要求7所述的离心泵，其中当所述键的扭矩传递减少时，所述第一、第二和第三间隙闭合，使得所述台阶相对边缘的所述纵向部分之间的接触保持所述凸缘套筒、所述支座套筒和所述一系列叶轮与所述可旋转轴一起旋转。

11.如权利要求7所述的离心泵，其中所述凸缘套筒包括支承表面和驱动表面，其中所述驱动表面包括所述纵向部分，并且还包括围绕所述支承表面的不可旋转衬套。

12.一种用于离心泵的扭矩传递系统，其包括：

纵向延伸穿过叶轮轮毂的可旋转轴；

通过键联接到所述可旋转轴的所述轮毂；

通过所述键固定到所述可旋转轴的套筒，所述套筒在所述叶轮上方并且包括：

围绕所述可旋转轴周向延伸的支承表面；

驱动表面，所述驱动表面位于所述支承表面和所述轮毂的顶部部分之间；并且

驱动表面部分地围绕所述可旋转轴延伸以形成所述套筒的台阶底部边缘；

所述轮毂的所述顶部部分与所述套筒的所述底部边缘成相反的台阶状，其中所述轮毂的所述顶部部分和所述套筒的所述底部边缘的纵向延伸部分之间具有间隙；

其中当所述键和所述套筒之间的扭矩传递减少时，所述间隙闭合，使得所述纵向延伸部分之间的接触保持所述套筒与所述可旋转轴一起旋转。

13.如权利要求12所述的扭矩传递系统，其中所述键延伸跨过所述套筒的所述径向支承表面和所述驱动表面的内径。

14.如权利要求12所述的扭矩传递系统，其中所述套筒包括围绕所述支承表面的顶部的径向延伸凸缘。

15.如权利要求12所述的扭矩传递系统，其还包括围绕所述支承表面延伸的衬套。

16.一种离心泵，其包括：

可旋转轴；

在径向延伸的凸缘下方轴向延伸的套筒，所述套筒用键固定到所述可旋转轴上，并且包括：

支承表面，其围绕所述可旋转轴在所述凸缘下方周向延伸第一轴向长度，

驱动表面，其从所述支承表面开始并且在所述支承表面下方部分地围绕所述可旋转轴在所述支承表面下方延伸第二轴向长度，所述第二轴向长度由一对纵向延伸的边缘限定，并且

其中所述支承表面的底部边缘、所述驱动表面的底部边缘和所述一对纵向延伸的边缘一起形成台阶套筒边缘；

围绕所述套筒下方的所述可旋转轴的叶轮，所述叶轮包括轮毂；

所述轮毂的顶端包括与所述套筒边缘成相反的台阶状的轮毂边缘；并且所述轮毂边缘与所述台阶套筒边缘互锁。

17.如权利要求16所述的离心泵，其中所述套筒的所述支承表面和所述驱动表面通过键联接到所述可旋转轴。

18.如权利要求17所述的离心泵，其中在剪切所述键时，所述一对纵向延伸边缘中的所述一个与所述轮毂边缘的纵向部分之间的接触保持所述套筒与所述可旋转轴一起旋转。

19.如权利要求16所述的离心泵，其还包括围绕所述套筒的所述支承表面延伸的不可旋转衬套。

20.如权利要求19所述的离心泵，其中所述衬套具有基本上等于所述第一轴向长度的长度。

21.如权利要求16所述的离心泵，其中所述轮毂的底端与用键固定在所述可旋转轴的第二叶轮的第二轮毂的顶端成相反的台阶状。

22.如权利要求21所述的离心泵，其中所述轮毂的所述底端与所述第二轮毂的所述顶端之间的接触在所述叶轮和所述第二叶轮之间传递扭矩。