CN111810049A - 一种容积式定轴旋转井下动力马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容积式定轴旋转井下动力马达，包括防掉总成、动力总成、联轴器总成和轴承总成，动力总成由多级动力短节组成，动力总成上部接防掉总成，下部接联轴器总成，联轴器总成下部接轴承总成。动力短节包括定子壳体、转子主轴、主轴套筒、叶片、弧形轨道和挡板，弧形轨道与叶片组成的构件安装于主轴套筒的凹槽中，当钻井液流过定子壳体内部，在挡板的作用下，该构件在凹槽中作往复运动的同时带动主轴套筒旋转，主轴套筒通过花键连接带动转子主轴旋转。本发明动力短节的叶片通过弧形轨道的往复运动实现径向伸缩；动力短节内部钻井液从对称方向流入流出，转子主轴在定轴旋转的同时稳定性好。

Description

一种容积式定轴旋转井下动力马达

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种容积式定轴旋转井下动力马达。

背景技术

在石油天然气开采中，石油钻井越来越向深部地层发展。随着钻井的深度增加地层结构更加复杂，钻完一口井所需的时间越长。为了降低钻井成本和减少总的钻井时间，钻井行业人员先后发明了井下动力马达，如螺杆马达，涡轮马达等。这些井下动力马达在许多油田的实际使用中都发挥出了各自的作用，但也存在许多问题。

螺杆马达中螺杆在旋转的过程中存在公转会产生较大的离心力，从而产生径向甩动，因此与螺杆相连接的万向轴为薄弱点，易失效，可靠性不高；涡轮马达转速高但非线性且扭矩小，易损件多，对钻压控制严格；因此目前急需一种定轴旋转、工作稳定、转速低且扭矩大的井下动力，为解决以上问题，特此提出一种容积式定轴旋转井下动力马达，以解决以上的技术缺陷。

发明内容

本发明旨在提供一种容积式定轴旋转井下动力马达，转子主轴在定轴旋转的过程中，稳定性好，能量损耗小，可靠性高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种容积式定轴旋转井下动力马达，包括防掉总成、动力总成、联轴器总成和轴承总成，动力总成由多级动力短节组成，动力总成上部接防掉总成，下部接联轴器总成，联轴器总成下部接轴承总成。

进一步，所述动力总成的定子壳体上端设置有锥螺纹，所述动力总成的定子壳体上端与防掉总成采用锥螺纹连接；所述动力总成的定子壳体下端设置有锥螺纹，所述动力总成的定子壳体下端与联轴器总成采用锥螺纹连接；所述联轴器总成与轴承总成采用锥螺纹连接。

进一步，所述动力总成由n(n为大于0的自然数)个动力短节组成，所述动力短节的定子壳体彼此间采用锥螺纹连接；所述动力短节的主轴套筒内部设置有转子主轴，所述相邻两个动力短节的转子主轴采用锥螺纹连接，所述主轴套筒设置有内花键，所述转子主轴设置有外花键，所述主轴套筒与转子主轴采用花键连接；所述动力短节的主轴套筒的上下端面设置有挡板，所述挡板的下端面设置有耐磨材料，所述挡板设置有腰形孔，所述挡板与动力短节的定子壳体之间设置有套筒和圆柱销，所述套筒用于限制挡板沿轴向方向的移动，所述圆柱销用于限制挡板沿圆周方向的转动，所述主轴套筒所受到的轴向力通过主轴套筒与上下挡板接触面间的挤压来传递和承受。

进一步，所述动力短节的主轴套筒内部设置有凹槽，所述凹槽内部设置有弧形轨道，所述弧形轨道设置有凹槽，所述弧形轨道与主轴套筒内部凹槽采用间隙配合，所述配合间隙通过钻井液润滑；所述弧形轨道两端设置有叶片，所述叶片分别与弧形轨道和动力短节的定子壳体采用耐磨材料接触，所述叶片相对于弧形轨道在径向空间有转动范围，所述弧形轨道之间通过弧形轨道的凹槽实现空间错位。

进一步，所述动力短节的挡板、主轴套筒、叶片、弧形轨道和定子壳体装配后形成进液流道Ⅰ、进液流道Ⅱ、排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ；所述进液流道Ⅰ和进液流道Ⅱ关于主轴套筒对称，所述排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ关于主轴套筒对称。所述定子壳体的上端设置有挡板，所述挡板封堵排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ，钻井液从进液流道Ⅰ和进液流道Ⅱ流入；所述定子壳体的下端设置有挡板，所述挡板封堵进液流道Ⅰ和进液流道Ⅱ，钻井液从排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ流出。当钻井液流过所述定子壳体内部，在所述挡板的作用下，钻井液从所述进液流道Ⅰ和进液流道Ⅱ向排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ流动；所述叶片在钻井液的推动下，通过所述弧形轨道在主轴套筒凹槽中的往复运动实现径向伸缩，使得相邻两叶片之间的密闭空间发生变化，从而带动所述主轴套筒定轴旋转，进而所述主轴套筒通过花键连接带动转子主轴定轴旋转。

进一步，所述动力短节的定子壳体内表面曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成，所述内表面曲线使得叶片沿径向方向的运动速度满足柔性冲击，磨损小，能量损耗小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明中，动力短节中的进液流道与排液流道分别关于转子主轴对称，因此转子主轴理论上不受径向力和离心力，转子主轴在定轴旋转的同时稳定性好；

2.本发明的动力总成采用多级动力短节，能根据实际需要设置动力级数并且维修方便，可通过定期更换每级动力短节的主轴套筒的方法来延长动力总成的使用寿命，利于降低成本；

3.本发明钻井液通过推动叶片带动主轴套筒旋转，主轴套筒通过花键带动转子主轴旋转，扭矩大，力量足；

4.本发明中，叶片通过弧形轨道在主轴套筒凹槽中的往复运动实现径向伸缩且叶片相对于弧形轨道在径向空间有转动范围，可靠性高；叶片分别与弧形轨道和定子壳体采用耐磨材料接触，能量损耗小；主轴套筒与弧形轨道的配合间隙通过钻井液润滑；

5.本发明容积式定轴旋转井下动力马达，结构紧凑、简单、输出转矩均匀性好；

6.本发明中，动力总成中的转子主轴与轴承总成中的传动轴采用挠性轴连接，通过挠性轴自身弹性使其同轴。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1A-A的截面剖视图；

图3是主轴套筒的结构示意图；

图4是弧形轨道的结构示意图；

图5是挡板的结构示意图；

图6是转子主轴的结构示意图；

图7是本发明的工作原理图；

图8是动力总成的局部放大图；

图9是图1B-B的截面剖视图；

图10是图3的截面剖视图；

图中：1-防掉总成、2-动力总成、3-联轴器总成、4-轴承总成、5-挡板、5-1-挡板Ⅰ、5-2-挡板Ⅱ、5-3-挡板Ⅲ、5-4-挡板Ⅳ、5-5-挡板Ⅴ、5-6-挡板Ⅵ、6-定子壳体Ⅰ、7-尼龙(高强度耐磨材料)、8-叶片、8-1-叶片Ⅰ、8-2-叶片Ⅱ、9-主轴套筒、10-弧形轨道、11-转子主轴、12-定子壳体Ⅱ、13-定子壳体Ⅲ、14-套筒Ⅰ、15-套筒Ⅱ、16-套筒Ⅲ、17-圆柱销、a-进液流道Ⅰ、b-进液流道Ⅱ、c-排液流道Ⅰ、d-排液流道Ⅱ、e-凹槽Ⅰ、g-凹槽Ⅱ、f-凹槽Ⅲ、h-凹槽Ⅳ、i-凹槽Ⅴ、j-腰形孔、k-凹槽Ⅵ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明公开的容积式定轴旋转井下动力马达，包括防掉总成1、动力总成2、联轴器总成3和轴承总成4，动力总成2由多级动力短节组成，动力总成2上部接防掉总成1，下部接联轴器总成3，联轴器总成3下部接轴承总成4。动力总成2包括定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12、定子壳体Ⅲ13、主轴套筒9、转子主轴11、叶片8、弧形轨道10和挡板5。所述动力总成2的定子壳体Ⅰ6上端设置有锥螺纹，所述动力总成2的定子壳体Ⅰ6上端与防掉总成1采用锥螺纹连接；所述定子壳体Ⅰ6下端设置有锥螺纹，所述定子壳体Ⅱ12上端设置有锥螺纹，所述定子壳体Ⅰ6与定子壳体Ⅱ12采用锥螺纹连接；所述定子壳体Ⅲ13上端设置有锥螺纹，所述定子壳体Ⅱ12下端设置有锥螺纹，所述定子壳体Ⅲ13与定子壳体Ⅱ12采用锥螺纹连接；所述动力总成2的定子壳体Ⅲ13下端设置有锥螺纹，所述动力总成2的定子壳体Ⅲ13下端与联轴器总成3采用锥螺纹连接；所述联轴器总成3与所述轴承总成4采用锥螺纹连接。

如图1、图2、图3、图5、图6、图8、图9所示，所述动力总成2由n(n为大于0的自然数)个动力短节组成。

以n＝3举例，所述动力总成2由三个动力短节组成，所述三个动力短节的定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13彼此间采用锥螺纹连接；所述三个动力短节的转子主轴11彼此间采用锥螺纹连接；所述主轴套筒9设置有内花键，所述转子主轴11设置有外花键，所述主轴套筒9与转子主轴11采用花键连接；所述动力短节的主轴套筒9的上下端面设置有挡板5，所述挡板5的下端面设置有耐磨材料，所述挡板5设置有腰形孔j，所述挡板5与动力短节的定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13之间设置有套筒Ⅰ14、套筒Ⅱ15、套筒Ⅲ16和圆柱销17。所述套筒Ⅰ14、套筒Ⅱ15和套筒Ⅲ16外表面设置有外螺纹，所述定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13内表面设置有内螺纹，所述套筒Ⅰ14、套筒Ⅱ15和套筒Ⅲ16与定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13采用螺纹连接，所述套筒Ⅰ14、套筒Ⅱ15和套筒Ⅲ16用于限制挡板5沿轴向方向的移动；所述挡板5设置有凹槽Ⅵk，所述圆柱销17设置于凹槽Ⅵk与定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13之间，所述圆柱销17用于限制挡板5沿圆周方向的转动，所述主轴套筒9所受到的轴向力通过主轴套筒9与上下挡板5接触面间的挤压来传递和承受。

如图2、图3、图4、图10所示，所述主轴套筒9内部设置有凹槽Ⅰe、凹槽Ⅱg和凹槽Ⅲf，所述凹槽Ⅱg为通槽，所述叶片8放置于凹槽Ⅱg中；所述凹槽Ⅰe和凹槽Ⅲf不为通槽，所述弧形轨道10放置于凹槽Ⅰe和凹槽Ⅲf中；所述弧形轨道10设置有凹槽Ⅳh；所述弧形轨道10放置于主轴套筒9内部的凹槽Ⅰe中，所述弧形轨道10与主轴套筒9内部的凹槽Ⅰe采用间隙配合；所述弧形轨道10放置于主轴套筒9内部的凹槽Ⅲf中，所述弧形轨道10与主轴套筒9内部的凹槽Ⅲf采用间隙配合；所述配合间隙通过钻井液润滑；所述弧形轨道10彼此间通过凹槽Ⅳh实现空间错位；所述弧形轨道10的两端设置有叶片8，所述叶片8与弧形轨道10端面凹槽Ⅴi和定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13采用耐磨材料接触，所述耐磨材料优选为尼龙7；所述叶片8放置于主轴套筒9内部的凹槽Ⅱg中，所述叶片8在主轴套筒9内部的凹槽Ⅱg中沿径向空间有转动范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，所述动力短节的挡板Ⅰ5-1、挡板Ⅱ5-2、挡板Ⅲ5-3、挡板Ⅳ5-4、挡板Ⅴ5-5、挡板Ⅵ5-6、主轴套筒9、叶片8、弧形轨道10、定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13装配后形成进液流道Ⅰa、进液流道Ⅱb、排液流道Ⅰc和排液流道Ⅱd；所述进液流道Ⅰa和进液流道Ⅱb关于主轴套筒9对称，所述排液流道Ⅰc和排液流道Ⅱd关于主轴套筒9对称；钻井液从所述挡板5的腰形孔j流入流出；所述挡板Ⅰ5-1、挡板Ⅲ5-3、挡板Ⅴ5-5为进液挡板5，所述定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13的上端设置有挡板Ⅰ5-1、挡板Ⅲ5-3、挡板Ⅴ5-5，所述挡板Ⅰ5-1、挡板Ⅲ5-3、挡板Ⅴ5-5封堵排液流道Ⅰc和排液流道Ⅱd，钻井液从进液流道Ⅰa和进液流道Ⅱb流入；所述挡板Ⅱ5-2、挡板Ⅳ5-4、挡板Ⅵ5-6为排液挡板5，所述定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13的下端设置有挡板Ⅱ5-2、挡板Ⅳ5-4、挡板Ⅵ5-6，所述挡板Ⅱ5-2、挡板Ⅳ5-4、挡板Ⅵ5-6封堵进液流道Ⅰa和进液流道Ⅱb，钻井液从排液流道Ⅰc和排液流道Ⅱd流出。当钻井液流过所述定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13的内部空间，在所述定子壳体Ⅰ6、定子壳体Ⅱ12和定子壳体Ⅲ13各自上下端面设置的挡板5的作用下，钻井液通过所述腰形孔j从进液流道Ⅰa和进液流道Ⅱb流入，从排液流道Ⅰc和排液流道Ⅱd流出；当钻井液流过所述叶片8表面，所述叶片Ⅰ8-1与钻井液的接触面积大于叶片Ⅱ8-2与钻井液的接触面积，在钻井液的推动下，所述叶片Ⅰ8-1产生的扭矩大于叶片Ⅱ8-2产生的扭矩，因此所述叶片8会朝顺时针方向转动，所述叶片8通过所述弧形轨道10在凹槽Ⅰe和凹槽Ⅲf中的往复运动实现径向伸缩，使得相邻两叶片8之间的密闭空间发生变化，从而带动所述主轴套筒9定轴旋转，进而所述主轴套筒9通过花键连接带动转子主轴11定轴旋转。

如图7所示，所述动力短节的定子壳体Ⅰ6(定子壳体Ⅱ12/定子壳体Ⅲ13)内表面曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成，所述内表面曲线使得叶片8沿径向方向的运动速度满足柔性冲击，磨损小，能量损耗小。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.本发明一种容积式定轴旋转井下动力马达，包括防掉总成、动力总成、联轴器总成和轴承总成，动力总成由多级动力短节组成，动力总成上部接防掉总成，下部接联轴器总成，联轴器总成下部接轴承总成。

2.根据权利要求1所述一种容积式定轴旋转井下动力马达，其特征在于：所述动力总成的定子壳体上端设置有锥螺纹，所述动力总成的定子壳体上端与防掉总成采用锥螺纹连接；所述动力总成的定子壳体下端设置有锥螺纹，所述动力总成的定子壳体下端与联轴器总成采用锥螺纹连接；所述联轴器总成与轴承总成采用锥螺纹连接。

3.根据权利要求1所述一种容积式定轴旋转井下动力马达，其特征在于：所述动力总成由n(n为大于0的自然数)个动力短节组成，所述动力短节的定子壳体彼此间采用锥螺纹连接；所述动力短节的主轴套筒内部设置有转子主轴，所述相邻两个动力短节的转子主轴采用锥螺纹连接，所述主轴套筒设置有内花键，所述转子主轴设置有外花键，所述主轴套筒与转子主轴采用花键连接；所述动力短节的主轴套筒的上下端面设置有挡板。

4.根据权利要求3所述一种容积式定轴旋转井下动力马达，其特征在于：所述挡板的下端面设置有耐磨材料，所述挡板设置有腰形孔，所述挡板与动力短节的定子壳体之间设置有套筒和圆柱销。

5.根据权利要求1所述一种容积式定轴旋转井下动力马达，其特征在于：所述动力短节的主轴套筒内部设置有凹槽，所述凹槽内部设置有弧形轨道，所述弧形轨道设置有凹槽，所述弧形轨道与主轴套筒内部凹槽采用间隙配合，所述配合间隙通过钻井液润滑；所述弧形轨道两端设置有叶片，所述叶片分别与弧形轨道和动力短节的定子壳体采用耐磨材料接触。

6.根据权利要求1、3、4所述一种容积式定轴旋转井下动力马达，其特征在于：所述动力短节的挡板、主轴套筒、叶片和定子壳体装配后形成进液流道Ⅰ、进液流道Ⅱ、排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ；所述进液流道Ⅰ和进液流道Ⅱ关于主轴套筒对称，所述排液流道Ⅰ和排液流道Ⅱ关于主轴套筒对称。

7.根据权利要求1所述一种容积式定轴旋转井下动力马达，其特征在于：所述动力短节的定子壳体内表面曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成。

Images