CN113217267A - 全金属耐高温摆线式井下马达 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种全金属耐高温摆线式井下马达，包括外管、固定安装于外管内的定子、设置于定子内的转子、分别固定于定子两端的隔板和配流盘以及位于配流盘远离定子一侧的导流机构，导流机构配合配流盘配流以驱动转子在定子内转动；定子的内部加工有N个沿外管轴向贯穿定子的凹槽，N个凹槽的内侧壁形成环形的内轮廓面；转子上成型有N‑1个沿外管轴向布置的转动头，相邻转动头与内轮廓面、隔板和配流盘之间形成工作腔，每个转动头上均开设有沿外管轴向贯穿转动头的嵌槽，嵌槽的一侧加工有缺口，嵌槽内安装有能够通过缺口与内轮廓面滚动抵接的转子铜棒，转子铜棒的外壁与嵌槽的内壁之间存在活动间隙。本申请具有不易卡转，低磨损以及耐高温的特点。

Description

全金属耐高温摆线式井下马达
技术领域
本申请涉及一种井下马达，尤其是涉及一种高温钻井液驱动的全金属耐高温摆线式井下马达。
背景技术
井下马达也称为容积式马达，当前具有机械硬特性的井下马达仅有螺杆马达，被广泛应用于钻井行业中，但螺杆马达在实际使用的过程中也存在以下问题：（1）常规螺杆马达定子为橡胶制成，井下≥180℃的高温条件下无法使用；（2）全金属的螺杆将橡胶定子换成金属定子，但目前的加工水平无法保证加工精度；（3）螺杆马达为螺旋配流，螺旋线必须达到2-3导程方可达到配流驱动作用，使螺杆马达普遍偏长；（4）螺杆马达的定子和转子之间为过盈配合，在进行井下钻进时，含有杂质的钻井液容易造成定转子之间卡转和磨损，降低马达的使用寿命。
针对上述中的相关技术，传统的井下马达在进行井下钻进时，存在易卡转、易磨损和不耐高温的缺陷。
发明内容
为了改善定转子之间易卡转、易磨损和不耐高温的问题，本申请提供一种全金属耐高温摆线式井下马达。
本申请提供的一种全金属耐高温摆线式井下马达，采用如下的技术方案：
一种全金属耐高温摆线式井下马达，包括外管、固定安装于外管内的定子、设置于定子内且与定子等高的转子、分别固定于定子两端的隔板和配流盘，以及位于配流盘远离定子一侧的导流机构，导流机构配合配流盘配流以驱动转子在定子内转动；
定子的内部加工有N个呈圆周等距分布且沿外管轴向贯穿定子的凹槽，N个凹槽的内侧壁首尾相连并形成环形的内轮廓面；
转子上成型有N-1个沿外管轴向布置的转动头，相邻转动头与内轮廓面、隔板和配流盘之间形成工作腔，每个转动头上均开设有沿外管轴向贯穿转动头的嵌槽，嵌槽的一侧加工有同自身等长的缺口，嵌槽内安装有能够通过缺口与内轮廓面滚动配合的转子铜棒，转子铜棒的外壁与嵌槽的内壁之间存在活动间隙。
通过采用上述技术方案，转子转动的过程中，转子铜棒在离心作用下部分突出缺口并与内轮廓面滚动配合，使得转子与定子之间由传统的滑动摩擦转换成滚动摩擦，大大减小了摩擦阻力，降低了磨损和动能损耗，提高了使用寿命，同时，当液体中含有杂质时，转子铜棒能够在挤压力的作用下缩回至嵌槽内，以便杂质通过，解决了传统井下马达易卡转、易磨损的问题；整体通过采用全金属材料加工，使得井下马达具有耐高温的特性。
优选的，所述定子位于相邻凹槽之间的位置转动嵌设有用于与转子滚动接触的定子铜棒。
通过采用上述技术方案，主要用于进一步降低定子和转子之间的磨损，提高使用寿命。
优选的，所述定子的外侧壁与外管的内侧壁相贴合，定子的外侧壁上至少加工有一条沿外管轴向延伸且与导流机构相连通的流道，隔板对应流道的位置加工有第二让位槽，配流盘对应流道的位置加工有第三让位槽。
通过采用上述技术方案，根据需要，可设置多条流道，用于增加入口流量，提高井下马达的排量。
优选的，所述隔板远离定子的一侧固定有分水盖板，分水盖板对应流道的位置加工有第一让位槽，分水盖板上一体成型有圆锥体，圆锥体的底面小于分水盖板，且圆锥体的顶点朝向进水端。
通过采用上述技术方案，当高压液体由接头注入时，圆锥体的设置能够大大减小高压液体受到的阻力，从而快速进入导流机构。
优选的，所述导流机构包括设置于外管内且与配流盘相连通的配流筒，以及转动连接于配流筒内以将流道和配流筒连通的配流轴，配流轴与配流筒之间相适配；
配流轴和转子之间设有用于传动的万向轴，万向轴的外侧壁上加工有花键，配流轴和转子相对的一端均加工有能够与花键配合的花键槽。
通过采用上述技术方案，转子转动的过程中，通过万向轴带动配流轴同步转动，从而向外输出动力。
优选的，所述配流轴通过轴承转动支撑于配流筒内。
通过采用上述技术方案，主要用于对配流轴进行扶正，保证配流轴稳定输出。
优选的，所述配流轴的外侧壁上加工有第一环槽和第二环槽，第二环槽内加工有沿径向贯穿配流轴的排液口，配流轴由远离花键槽的一端向内加工有与排液口相连通的排液腔；
第一环槽和第二环槽之间形成配流环，配流环上开设有多个呈圆周等距分布且间隔设置的进液槽和出液槽，进液槽与第一环槽相连通，出液槽与第二环槽相连通；
配流筒对应第三让位槽的位置加工有与第一环槽相连通的第四让位槽，配流筒由靠近配流盘的一端沿轴向向内加工有多个呈圆周等距分布且间隔设置的进液通道和出液通道，进液通道与进液槽相连通，出液通道与出液槽相连通；
配流盘上开设有与任一进液通道相连通以向对应工作腔内供液的进液口，以及与任一出液通道相连通以将对应工作腔内的液体排出的出液口，进液口和出液口对应不同的工作腔。
通过采用上述技术方案，高压液体由接头处注入后，依次通过第一让位槽、第二让位槽、流道、第三让位槽和第四让位槽进入第一环槽内，由于配流轴的内壁与配流筒的外壁相适配，因此高压液体只能流入三个进液槽内，然后通过与配流盘上的进液口相连通的进液槽将高压液体注入高压腔内，从而驱动转子朝低压腔的方向转动；而另外两个进液槽内的高压液体则冲击在配流盘上，对配流盘施加向上的托力，从而抵消注水端的部分冲击力，进而降低作用于轴承上的轴向力，提高井下马达的使用寿命。
优选的，所述外管远离隔板的一端安装有用于支撑配流筒的底座，配流轴远离花键槽的一端穿过底座并伸出至外管的外部，外管靠近隔板的一端安装有将定子压紧于配流筒上的接头。
通过采用上述技术方案，底座和接头的设置，用于将分水盖板、隔板、定子、转子、配流盘和导流机构压紧固定于外管内，根据需要，方便对上述任意部件进行更换，提高井下马达的使用寿命。
优选的，所述接头包括一体成型的装配段和连接段，装配段通过与外管的内壁固定连接以将定子压紧于导流机构上；连接段的内壁加工有内螺纹。
通过采用上述技术方案，内螺纹的设置，便于外接高压水路。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请中通过在转子上设置转子铜棒，使得转子与定子之间由传统的滑动摩擦转换成滚动摩擦，大大减小了摩擦阻力，降低了磨损和动能损耗，同时，当液体中含有杂质时，转子铜棒能够在挤压力的作用下缩回至嵌槽内，以便杂质通过，解决了传统井下马达易卡转、易磨损的问题；整体通过采用全金属材料加工，使得井下马达具有耐高温的特性；
2.通过使至少两个进液槽内的高压液体冲击在配流盘上，使得配流盘得到向上的托力，从而抵消注水端的部分冲击力，降低作用于轴承上的轴向力，提高井下马达的使用寿命；
3.通过增加导流机构的入口流量，大大提高了井下马达的输出扭矩。
附图说明
图1是本申请实施例中新型摆线全金属井底井下马达的整体结构示意图；
图2是体现新型摆线全金属井底井下马达中各部件的爆炸示意图；
图3是体现新型摆线全金属井底井下马达内部结构的剖视图；
图4是体现分水盖板、隔板、定子、配流盘和配流筒之间配合关系的爆炸示意图；
图5是体现定子和转子之间位置关系及配合关系的俯视图；
图6是体现转子与配流轴之间通过万向轴传动连接的爆炸示意图；
图7是体现配流筒具体结构的示意图；
图8是体现高压液体如何进入至工作腔内的剖视图；
图9是图8中A部分的局部放大示意图；
图10是体现高压液体是如何由工作腔排出的剖视图；
图11是体现转子在定子内初始状态的示意图；
图12是体现转子转动至第一状态的示意图；
图13是体现转子转动至第二状态的示意图；
图14是体现转子转动至第三状态的示意图；
图15是体现转子转动一周后恢复初始状态的示意图。
附图标记说明：1、外管；2、接头；21、装配段；22、连接段；3、支撑环；4、分水盖板；41、圆锥体；42、第一让位槽；5、隔板；51、第二让位槽；6、定子；61、流道；62、凹槽；63、内轮廓面；64、定子铜棒；7、配流盘；71、第三让位槽；72、进液口；73、出液口；8、底座；9、转子；91、转动头；92、嵌槽；93、转子铜棒；10、配流筒；101、第四让位槽；102、进液通道；103、出液通道；20、配流轴；201、第一环槽；202、第二环槽；203、排液口；204、排液腔；205、配流环；206、进液槽；207、出液槽；30、万向轴；40轴承。
具体实施方式
以下结合附图1-15对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开了一种全金属耐高温摆线式井下马达。参照图1和图2，全金属耐高温摆线式井下马达包括外管1、接头2和底座8，接头2螺纹连接于外管1的一端，底座8螺纹连接于外管1的另一端。在本实施例中，定义连接有接头2的一端为外管1的上端，连接有底座8的一端为外管1的下端。外管1内由上至下依次安装有支撑环3、分水盖板4、隔板5、定子6、配流盘7和导流机构；接头2一方面用于配合底座8将支撑环3、分水盖板4、隔板5、定子6、配流盘7、导流机构压紧固定于外管1内，另一方面用于连接高压水路；定子6的内部中空且两端开口，其内部设置有与自身等高的转子9，隔板5和配流盘7分别固定于定子6的两端，主要用于将定子6和转子9与其他结构分隔开；导流机构主要用于配合配流盘7进行配流，以便驱动转子9在定子6内转动，从而向外输出动力。
参照图2和图3，接头2的内部中空且两端开口，其具体包括一体成型的装配段21和连接段22，装配段21伸入外管1内并且与外管1的内壁螺纹连接，装配段21伸入外管1内的端部与外管1内部的支撑环3抵接。装配时，通过装配段21与外管1之间的螺纹配合向支撑环3施加预紧力，进而实现支撑环3对分水盖板4的抵紧；连接段22的内壁加工有用于与高压水路相连接的内螺纹。
参照图3和图4，分水盖板4通过螺钉固定于隔板5上，分水盖板4远离隔板5的一侧一体成型有圆锥体41，圆锥体41的底面小于分水盖板4，且圆锥体41的顶点朝向接头2，当高压液体由接头2注入时，圆锥体41能够形成对高压液体进行引流的导流面，从而快速进入导流机构。
定子6的外侧壁与外管1的内侧壁之间为固定装配关系，定子6的外侧壁上加工有多条沿外管1轴向延伸且与导流机构相连通的流道61，分水盖板4对应流道61的位置加工有第一让位槽42，隔板5对应流道61的位置加工有第二让位槽51，配流盘7对应流道61的位置加工有第三让位槽71，由接头2注入的高压液体依次通过第一让位槽42、第二让位槽51、流道61和第三让位槽71进入导流机构内，多条流道61的设置，大大增加了导流机构的入口流量，能够使井下马达输出更大的扭矩。
参照图5，定子6的内部加工有N个沿外管1轴向贯穿定子6的凹槽62，N个凹槽62的腔壁首尾相连并形成内轮廓面63；转子9上成型有N-1个沿外管1轴向布置的转动头91，相邻转动头91与内轮廓面63、隔板5和配流盘7之间形成工作腔，在本申请中，以四个凹槽62、三个转动头91和三个工作腔为例进行展示说明。
每个转动头91上均开设有沿外管1轴向贯穿转动头91的椭圆形的嵌槽92，嵌槽92内安装有截面呈圆形的转子铜棒93，嵌槽92的一侧加工有同自身等长的缺口，缺口的宽度略小于转子铜棒93的直径。由于椭圆形的嵌槽92和圆柱形的转子铜棒93之间的结构设计，在转子9转动的过程中，转子铜棒93能够在离心作用下通过缺口突出嵌槽92一部分，从而与内轮廓面63接触，同时在高压水流的作用下，转子铜棒93被压紧在内轮廓面63上，借助于转子铜棒93，使得转子9与定子6之间由传统的滑动摩擦转换成滚动摩擦，大大减小了传统定转子配合面的摩阻力，降低了动能损耗，提高了使用寿命。同时，当液体中含有杂质时，转子铜棒93能够在挤压力的作用下缩回至嵌槽92内，以便杂质通过，防止转子9卡转，保证井下马达能够持续的正常作业。
此外，为进一步降低定子6和转子9之间的摩阻力，在定子6位于相邻凹槽62之间的位置开槽并装配能够转动的定子铜棒64，用于与转子9在转动过程中形成间断的滚动配合。
参照图3和图6，导流机构包括设置于外管1内且与配流盘7相连通的配流筒10，以及通过轴承40转动安装于配流筒10内以将流道61和配流筒10连通的配流轴20，配流轴20与配流筒10之间相适配，配流筒10支撑于底座8上。
配流轴20和转子9之间设有用于传动的万向轴30，万向轴30的外侧壁上加工有花键，配流轴20和转子9相对的一端均加工有能够与花键配合的花键槽，转子9转动的过程中，通过万向轴30带动配流轴20同步转动。同时，配流轴20远离花键槽的一端穿过底座8并伸出至外管1的外部，用于连接其他负载机构。
参照图6，配流轴20的外侧壁上加工有第一环槽201和第二环槽202，第二环槽202内加工有沿径向贯穿配流轴20的排液口203，配流轴20由远离花键槽的一端向内加工有与排液口203相连通的排液腔204；第一环槽201和第二环槽202之间形成配流环205，配流环205上开设有多个呈圆周等距分布且间隔设置的进液槽206和出液槽207，进液槽206与第一环槽201相连通，出液槽207与第二环槽202相连通，在本申请中，进液槽206和出液槽207均为三个。
参照图7、图8和图9，配流筒10对应第三让位槽71的位置加工有与第一环槽201相连通的第四让位槽101，配流筒10由靠近配流盘7的一端沿轴向向内加工有多个呈圆周等距分布且间隔设置的进液通道102和出液通道103，进液通道102与进液槽206相连通；参照图10，出液通道103与出液槽207相连通，在本申请中，进液通道102和出液通道103均为三条。
参照图5和图8，配流盘7上开设有对应不同工作腔的进液口72和出液口73，与进液口72连通的工作腔为高压腔，与出液口73连通的工作腔为低压腔，剩余一个工作腔为稳定腔；进液口72能够与任一进液通道102相连通，从而向高压腔内供液；参考图5和图10，出液口73能够与任一出液通道103相连通，从而将低压腔内的液体排出。
本申请实施例的实施原理为：工作时，高压液体由接头2处注入，经圆锥体41分流后，依次通过第一让位槽42、第二让位槽51、流道61、第三让位槽71和第四让位槽101进入第一环槽201内；由于配流轴20的内壁与配流筒10的外壁相适配，因此高压液体只能流入三个进液槽206内，然后通过与配流盘7上的进液口72相连通的进液槽206将高压液体注入定子6内曲面与转子9外曲面之间形成的高压容腔内，由于转子9与定子6是偏心放置，因此以转子9为中心，在高压容腔内转子9外表面右侧受到高压水的受力面积力大于左侧高压水的受力面积，即转子9右侧承受高压水力大于左侧承受高压水力，从而使得高压容腔逐渐扩大并驱动转子9旋转一定角度（60°），该过程中，转子9通过万向轴30带动配流轴20转动，当出液口73与任一出液通道103相连通时，液体进入第二环槽202内并依次由排液口203和排液腔204排出，以此类推完成马达连续旋转。在转子9转动一周的过程中，各腔室的变化状态如图11至图15，其中图11为初始状态；而另外两个进液槽206内的高压液体则冲击在配流盘7上，对配流盘7施加向上的托力，从而抵消注水端的部分冲击力，进而降低作用于轴承40上的轴向载荷，提高井下马达的使用寿命。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于，包括外管(1)、固定安装于外管(1)内的定子(6)、设置于定子(6)内且与定子(6)等高的转子(9)、分别固定于定子(6)两端的隔板(5)和配流盘(7)，以及位于配流盘(7)远离定子(6)一侧的导流机构，导流机构配合配流盘(7)配流以驱动转子(9)在定子(6)内转动；
定子(6)的内部加工有N个呈圆周等距分布且沿外管(1)轴向贯穿定子(6)的凹槽(62)，N个凹槽(62)的内侧壁首尾相连并形成环形的内轮廓面(63)；
转子(9)上成型有N-1个沿外管(1)轴向布置的转动头(91)，相邻转动头(91)与内轮廓面(63)、隔板(5)和配流盘(7)之间形成工作腔，每个转动头(91)上均开设有沿外管(1)轴向贯穿转动头(91)的嵌槽(92)，嵌槽(92)的一侧加工有同自身等长的缺口，嵌槽(92)内安装有能够通过缺口与内轮廓面(63)滚动配合的转子铜棒(93)，转子铜棒(93)的外壁与嵌槽(92)的内壁之间存在活动间隙。
2.根据权利要求1所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述定子(6)位于相邻凹槽(62)之间的位置转动嵌设有用于与转子(9)滚动接触的定子铜棒(64)。
3.根据权利要求1所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述定子(6)的外侧壁与外管(1)的内侧壁相贴合，定子(6)的外侧壁上至少加工有一条沿外管(1)轴向延伸且与导流机构相连通的流道(61)，隔板(5)对应流道(61)的位置加工有第二让位槽(51)，配流盘(7)对应流道(61)的位置加工有第三让位槽(71)。
4.根据权利要求3所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述隔板(5)远离定子(6)的一侧固定有分水盖板(4)，分水盖板(4)对应流道(61)的位置加工有第一让位槽(42)，分水盖板(4)上一体成型有圆锥体(41)，圆锥体(41)的底面小于分水盖板(4)，且圆锥体(41)的顶点朝向进水端。
5.根据权利要求4所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述导流机构包括设置于外管(1)内且与配流盘(7)相连通的配流筒(10)，以及转动连接于配流筒(10)内以将流道(61)和配流筒(10)连通的配流轴(20)，配流轴(20)与配流筒(10)之间相适配；
配流轴(20)和转子(9)之间设有用于传动的万向轴(30)，万向轴(30)的外侧壁上加工有花键，配流轴(20)和转子(9)相对的一端均加工有能够与花键配合的花键槽。
6.根据权利要求5所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述配流轴(20)通过轴承(40)转动支撑于配流筒(10)内。
7.根据权利要求5所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述配流轴(20)的外侧壁上加工有第一环槽(201)和第二环槽(202)，第二环槽(202)内加工有沿径向贯穿配流轴(20)的排液口(203)，配流轴(20)由远离花键槽的一端向内加工有与排液口(203)相连通的排液腔(204)；
第一环槽(201)和第二环槽(202)之间形成配流环(205)，配流环(205)上开设有多个呈圆周等距分布且间隔设置的进液槽(206)和出液槽(207)，进液槽(206)与第一环槽(201)相连通，出液槽(207)与第二环槽(202)相连通；
配流筒(10)对应第三让位槽(71)的位置加工有与第一环槽(201)相连通的第四让位槽(101)，配流筒(10)由靠近配流盘(7)的一端沿轴向向内加工有多个呈圆周等距分布且间隔设置的进液通道(102)和出液通道(103)，进液通道(102)与进液槽(206)相连通，出液通道(103)与出液槽(207)相连通；
配流盘(7)上开设有与任一进液通道(102)相连通以向对应工作腔内供液的进液口(72)，以及与任一出液通道(103)相连通以将对应工作腔内的液体排出的出液口(73)，进液口(72)和出液口(73)对应不同的工作腔。
8.根据权利要求5所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述外管(1)远离隔板(5)的一端安装有用于支撑配流筒(10)的底座(8)，配流轴(20)远离花键槽的一端穿过底座(8)并伸出至外管(1)的外部，外管(1)靠近隔板(5)的一端安装有将定子(6)压紧于配流筒(10)上的接头(2)。
9.根据权利要求8所述的全金属耐高温摆线式井下马达，其特征在于：所述接头(2)包括一体成型的装配段(21)和连接段(22)，装配段(21)通过与外管(1)的内壁固定连接以将定子(6)压紧于导流机构上；连接段(22)的内壁加工有内螺纹。
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