CN113530973B - 耐高温止推轴承及轴向动密封和润滑结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及高端井下设备零部件的领域，尤其是涉及一种耐高温止推轴承及轴向动密封和润滑结构，耐高温止推轴承包括环状的静部件以及转动连接在所述静部件一端的环状的动部件，所述静部件朝向所述动部件的端部环绕所述静部件的轴线均匀固接有多个凸棱，每个所述凸棱均一端朝向所述静部件的内孔，另一端朝向所述静部件的外壁，每个所述凸棱的两侧分别形成迎水面和背水面，每个所述迎水面的高度差从靠近所述静部件内孔的一端向远离所述静部件内孔的一端逐渐减小。本申请具有可以降低轴承动部件和静部件之间的磨损和摩擦阻力，延长轴承使用寿命的效果。

Description

耐高温止推轴承及轴向动密封和润滑结构

技术领域

本申请涉及高端井下设备零部件的领域，尤其是涉及一种耐高温止推轴承及轴向动密封和润滑结构。

背景技术

目前所使用的止推轴承，主要包括环状的静部件和转动连接在静部件一端的环状的动部件，静部件和动部件之间通过水填充，当动部件旋转时，动部件将带动静部件和动部件之间的流体从大缝隙流向小缝隙，从而使得在动部件和静部件之间形成楔形水膜，依靠流体的动压效应实现止推的效果。

但是当动部件带动流体旋转的过程中，动部件和静部件之间产生的流体动压力并不均匀，进而使得轴承受力不均、磨损也较大，从而影响轴承的使用寿命。

发明内容

为了降低动部件和静部件之间动压力对轴承造成的磨损，延长轴承的使用寿命。

第一方面，本申请提供一种耐高温止推轴承。

本申请提供的一种耐高温止推轴承采用如下的技术方案：

一种耐高温止推轴承，包括环状的静部件以及转动连接在所述静部件一端的环状的动部件，所述静部件朝向所述动部件的端部环绕所述静部件的轴线均匀分布有多条凸棱，所述凸棱均一端朝向所述静部件的内孔，另一端朝向所述静部件的外壁，所述凸棱的两侧分别形成迎水面和背水面，所述迎水面的高度差从靠近所述静部件内孔的一端向远离所述静部件内孔的一端逐渐减小。

通过采用上述技术方案，由于流体动压力与液体的流速以及流体动压力与流体流经面的高度差均成正比，而动部件的转速是一定的，所以距离静部件轴线越远的地方，流体的线速度越大，动部件所受的流体动压力也越大。而本申请中通过设置迎水面的高度差从靠近静部件轴线的一端向远离静部件轴线的一端逐渐较小，可以使得距离静部件轴线越远的动部件所受到的流体动压力越小,可以对由于流体线速度带来的动压力变化进行中和，最终使得距离静部件轴线不同位置处的动部件所受的推力处处相等，减少了对轴承的磨损，延长了轴承的使用寿命。同时凸棱的设置，也使得当动部件带动位于动部件和静部件之间的流体转动时，部分流体将沿其转动轴线的切线方向撞击在凸棱上，撞击在凸棱上的流体将产生一个推动动部件向远离静部件运动的反作用力，提高了轴承的支撑力，能够对泄漏的流体进行充分利用，提高了泄漏流体的利用率。

可选的，所述迎水面和所述背水面的连接处为峰沿，相邻两个凸棱的连接处为谷沿，所述谷沿从靠近所述静部件内孔的一端向远离所述静部件内孔的一端逐渐朝所述峰沿靠近。

通过采用上述技术方案，通过逐渐减小峰沿和谷沿之间的距离，可以实现迎水面高度差的逐渐减小。

可选的，所述凸棱的延伸方向与所述静部件的径向交叉设置。

通过采用上述技术方案，当动部件带动流体转动的过程中，流体将与凸棱的迎水面撞击，此时流体将产生一个推动动部件远离静部件的反作用力。而凸棱倾斜的设置，使得可以增加迎水面对流体的阻力，从而增大轴承的承载力，减少流体的泄漏。

可选的，所述动部件朝向所述静部件的一端开设有螺旋槽，所述螺旋槽环绕所述动部件轴线开设。

通过采用上述技术方案，当轴承工作的过程中有新的液体进入至动部件和静部件之间时，液体将顺着螺旋槽到达动部件和静部件之间，使得动部件和静部件之间形成的水膜更加均匀，减少了对轴承造成的磨损，延长了轴承的使用寿命。

可选的，所述静部件外壁处固接有固定环，所述固定环和所述静部件之间形成供所述动部件置入的开口容腔。

通过采用上述技术方案，通过将动部件置入开口容腔内，即可实现动部件和静部件之间的连接，使得动部件和静部件之间形成供流体流动的润滑空间。

可选的，所述静部件为耐磨金属材料制成的静部件，所述动部件为耐磨金属材料制成的动部件。

通过采用上述技术方案，耐磨全金属材质制成的静部件和动部件具有较高的抗磨损和抗高温特性，使得轴承的使用寿命更长。

第二方面，本申请提供一种轴向动密封和润滑结构。

本申请提供的一种轴向动密封和润滑结构采用如下的技术方案：

一种轴向动密封和润滑结构，包括密封件，所述密封件包括耐高温止推轴承、安装在所述耐高温止推轴承内孔中的中心轴以及套设在所述耐高温止推轴承上的套筒，所述耐高温止推轴承的动部件与中心轴连接，所述耐高温止推轴承的静部件与所述套筒连接。

通过采用上述技术方案，通过动部件和静部件之间的相对转动，就可以减少中心轴和套筒之间的摩擦力，起到润滑的作用；且耐高温止推轴承也可以对中心轴和套筒之间进行密封，起到密封的效果。

可选的，所述耐高温止推轴承沿所述中心轴轴线方向并列设置有若干个。

通过采用上述技术方案，多个耐高温止推轴承使得中心轴和套筒之间的供钻井液流动的通道为蛇形通道，使得密封效果更好。

可选的，所述中心轴为阶梯轴，所述动部件远离所述静部件的一侧与所述中心轴直径变化处形成的台阶面抵接。

通过采用上述技术方案，当动部件转动时，动部件在动部件和静部件之间动压力作用下向远离静部件的方向运动时，动部件将给中心轴一个向上的支撑力，减少中心轴受重力影响而产生的下滑。且中心轴台阶面的设置也可以使得动部件形成上表面积小、下表面积大的结构特点，进而形成压差，给动部件一个向上的力，进一步增大了其承载力。

可选的，所述密封件至少设置有两个。

通过采用上述技术方案，两个密封件可以设置在井下马达的上下两端，从而对井下马达的上下两侧进行密封。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.迎水面的高度差从靠近静部件轴线的一端向远离静部件轴线的一端逐渐减小，可以中和由于流体线速度变化而对动部件所产生的流体动压力不相等的情况，使得动部件受到的推力处处相等，受力更加均匀，降低了对轴承造成的磨损，增加了轴承的使用寿命；

2.轴线动密封和润滑结构的设置可以对相对转动的两个零部件之间进行润滑，在减少两个零部件之间摩擦力的同时还能够保证两者之间的密封；

3.采取迷宫式密封，在井下马达的两侧分别设置两组密封件，形成迷宫式结构，在增强承载力的同时，还可以减小马达的泄漏；且凸起的延伸方向与静部件的径向交叉设置，使得可以利用泄漏的钻井液来增加轴承的承载力，使得轴承的承载力更强；

4.通过中心轴上台阶的设置可以形成动部件的上表面积小、下表面积大的结构特点，进而形成压差，给动部件一个向上的力，增大了其承载力；并在动部件的下端开有螺旋槽，使得动部件和静部件之间形成的水膜更加均匀，减少对轴承造成的磨损，延长轴承的使用寿命。

附图说明

图1是耐高温止推轴承整体的结构示意图。

图2是将静部件和动部件爆炸后并将动部件部分剖面后的结构示意图。

图3是静部件的一种形式的俯视结构示意图。

图4是为了体现静部件另一种形式的俯视结构示意图。

图5是对静部件顺着谷沿剖切后的结构示意图。

图6是为了体现动部件另一视角结构所做的示意图。

图7是为了体现本申请动密封和润滑结构所做的示意图。

图8是为了体现位于马达上方的中心轴和套筒之间液体的流通路径所做的示意图。

附图标记说明：1、静部件；11、固定环；12、凸棱；121、迎水面；122、背水面；123、峰沿；124、谷沿；2、动部件；21、螺旋槽；3、润滑空间；41、中心轴；42、套筒；43、密封块；44、阶梯槽；51、定子；52、转子；53、台阶面。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。

本申请在背景技术中简述了相关现有技术中的缺陷，为了能够更好的表述和理解本申请所要求保护的技术方案，在此对相关缺陷的成因进行详细的展开。

目前所使用的止推轴承主要包括环状的静部件和转动连接在静部件一端的环状的动部件，静部件和动部件之间通过水填充，当动部件旋转时，动部件将带动静部件和动部件之间的水旋转，从而在动部件和静部件之间形成流体动压力，实现止推的作用。但是由于动部件与流体以及静部件与流体接触的面均为平面，而流体动压力与液体的流速以及与流体流经面的高度差均成正比，当动部件的转速一定时，距离静部件轴线越远的区域，流体的线速度越大，动部件所受的流体动压力也越大，使得动部件越靠近边缘位置受到的推力越大，即动部件边缘区域所受到的轴向载荷较大，将导致动部件边缘区域向远离静部件的一侧翘起，同时也会因为施加在动部件上的力不均而对动部件的局部造成磨损，故影响轴承的使用寿命。

鉴于前文所述缺陷，本申请实施例公开一种耐高温止推轴承。参照图1，耐高温止推轴承包括环状的静部件1以及转动连接在静部件1一端的环状的动部件2。其中，静部件1和动部件2均采用耐磨金属材质制成，不含有橡胶等不耐高温的零部件，使得轴承整体具有较高的耐磨损、耐高温特性，保证轴承的使用寿命，满足井下高温钻探的需要。

参照图1和图2，耐高温止推轴承还包括环状的固定环11，静部件1固定装配于固定环11内部，同时，静部件1和固定环11配合也形成一个用于容置动部件2的开口容腔，通过将动部件2置入开口容腔内，即可实现静部件1和动部件2的连接。其中开口容腔的深度大于动部件2的厚度，使得动部件2在开口容腔中有一定的浮动空间，并在静部件1和动部件2之间形成密闭的润滑空间3。流体位于静部件1和动部件2之间的润滑空间3内，当动部件2相对于静部件1转动时，动部件2将带动位于动部件2和静部件1之间的流体转动，从而在动部件2和静部件1之间形成流体动压力，实现止推的效果。

参照图2，在静部件1朝向动部件2的端面环绕静部件1的轴线均匀分布有多个凸棱12，凸棱12与静部件1一体设置，凸棱12一端朝向环状静部件1的内孔，另一端朝向静部件1的外壁，每个凸棱12相对的两侧分别形成迎水面121和背水面122。当动部件2带动流体转动的时候，流体将撞击在迎水面121上，此时流体将产生一个反作用力推动动部件2向远离静部件1的方向运动，从而增加轴承的支撑力，使得轴承的支撑强度更高。

由于现有的静部件1朝向动部件2的一端为平面，当动部件2带动流体转动的过程中，部分流体将沿流体转动轴线的切线方向流至静部件1外壁处，并泄漏至外界。本申请中，通过凸棱12的设置，可以将该部分泄漏的流体进行充分利用，利用泄漏的流体提高轴承的支撑强度，提高泄漏流体的利用率。

参照图3和图4，其中，为了进一步增加轴承的支撑力，每个凸棱12的长度方向可以与静部件1的半径方向倾斜设置，具体的，每个凸棱12的倾斜方向可以与动部件2的转动方向相反，可以增大流体流过迎水面121时的阻力，进一步提高了轴承的支撑强度，减小流体向外泄漏；每个凸棱12的倾斜方向也可以与动部件2的转动方向相同，可以减少流体向内泄漏，具体的可以根据使用场合进行选择。

参照图5，每个迎水面121的高度差从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端逐渐减小，使得产生的流体动压力从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端逐渐降低，可以与由于流体线速度增加而逐渐增大的流体动压力相互中和，使最终施加在动部件2上的推力处处相等，使得动部件2受力更加均匀。可以减少对动部件2某一位置造成的磨损，而且由于动部件2各处受力一致，所以也不会使得动部件2边缘区域由于受力不均而变形，大大延长了轴承的使用寿命。

参照图4和图5，每个凸棱12上的迎水面121和背水面122的连接处称为峰沿123，相邻两个凸棱12连接处称为谷沿124，迎水面121的高度差从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端逐渐减小表现为：从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端，峰沿123和谷沿124之间的距离逐渐减小。具体的可以为谷沿124从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端逐渐向峰沿123靠近；也可以为峰沿123从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端逐渐向谷沿124靠近；当然也可以为峰沿123和谷沿124从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端同时相对靠近。本申请中以谷沿124从靠近静部件1内孔的一端向远离静部件1内孔的一端逐渐向峰沿123靠近为例，在保证动部件2各处受到的推力相等的同时，还能减少润滑空间3内流体的泄漏。

参照图6，在动部件2朝向静部件1的一端开设有螺旋槽21，螺旋槽21环绕动部件2轴线开设，在轴承工作的过程中，外界的液体可以顺着螺旋槽21到达动部件2和静部件1之间，使得动部件2和静部件1之间形成的水膜更加均匀，减少对轴承造成的磨损，延长轴承的使用寿命。

本申请实施例一种耐高温止推轴承的实施原理为：使用时，直接将动部件2嵌入固定环11和静部件1形成的容置空间内，即可实现动部件2和静部件1的连接，然后将动部件2与马达等动力设备连接在一起，通过马达等动力设备即可带动动部件2转动，位于动部件2和静部件1之间的流体将随动部件2一起旋转并形成流体动压力，实现止推的目的。在动部件2转动的过程中，液体也从静部件1的内孔中流至润滑空间3中为润滑空间3补充液体，并由螺旋槽21带至动部件2和静部件1之间，使得位于动部件2和静部件1之间的水膜更加均匀，减少对轴承的磨损，延长了轴承的使用寿命。且动部件2带动流体转动的同时，流体施加在动部件2各处的推力均相等，使得动部件2各处受力均匀，减少了动部件2受力不均而造成的磨损和变形，大大延长了轴承的使用寿命。

本申请实施例中的耐高温止推轴承主要应用于马达，更具体地说，主要应用于井下马达。近年来，随着地球深部探测、高温油气、高温地热等钻探逐渐向深井、特深井方向发展，井下温度越来越高。因此，为了适应高温高压环境下工作的要求，作为井下钻探的关键设备，现有的井下马达逐步发展为选用全金属材质的马达。其中，为了防止马达的定子和转子之间摩擦力过大而卡死，设计定子和转子之间为间隙配合，从而减少卡死现象出现的概率，但这也将导致钻井液产生较大的泄漏，使得能量利用率降低；且定子和转子配合面的摩阻力较大，磨损较为严重，也进一步减少了能量利用率，降低马达的使用寿命。目前工业上对于马达的密封和润滑主要采用不耐温的橡胶或其他材料，而钻井所用的钻井液具有高压、高速的特点，同时，还含有固相颗粒，容易造成冲蚀失效和高温损伤，因此工业上应用的不耐高温材料制成的密封和润滑结构，无法应用于井下高温钻探等复杂环境的需要。因此，制约井下马达输出扭矩和使用寿命的主要原因就在于井下马达的转子和定子之间的磨损严重以及目前没有适用于井下马达的密封件（现有的密封件多为橡胶、腈纶等，耐热性不佳）。

依托于耐高温止推轴承，本申请实施例还公开了一种轴向动密封和润滑结构，其主要应用于井下马达。参照图7，轴向动密封和润滑结构包括两个密封件，井下马达的定子51和转子52安装在两个密封件之间，通过两个密封件可以对井下马达的两端进行密封。

密封件包括耐高温止推轴承、安装在耐高温止推轴承内孔中的中心轴41以及套设在中心轴41上的套筒42，耐高温止推轴承的动部件2套设在中心轴41上并与中心轴41过盈配合，耐高温止推轴承的静部件1与套筒42的内壁过盈配合，通过耐高温止推轴承动部件2和静部件1之间的相对转动可以减少中心轴41和套筒42之间转动时的摩擦力，使得两者转动更加顺畅。井下马达的定子51安装在两个密封件的套筒42之间，井下马达的转子52安装在两个密封件的中心轴41之间，从而实现对定子51和转子52之间的润滑，减少井下马达定子51和转子52之间的摩擦力，降低对井下马达造成的磨损。而且本申请中的轴向动密封和润滑结构整体结构简单，可靠性高，选用全金属材质，能够满足井下高温钻探的需要。

参照图7和图8，耐高温止推轴承也可以设置为两个或多个，多个耐高温止推轴承沿中心轴41的轴线并列放置，此时多个耐高温止推轴承的静部件1和动部件2在中心轴41和套筒42之间形成的流通路径为连续的弓形折流通道（类似于迷宫密封结构），使得中心轴41和套筒42之间在保证顺畅转动的同时还具有良好的密封性。

其中，以井下马达钻井时的工作转态为参考方向，两个密封件分别位于井下马达的上下两端，位于井下马达上端的耐高温止推轴承上的凸棱12的倾斜方向与动部件2的转动方向相反，可以减少钻井液向外泄漏的概率；位于井下马达下端的耐高温止推轴承上的凸棱12的倾斜方向与动部件2的转动方向相同，可以减少钻井液向内泄漏的概率，从而减少钻井液从井下马达上下两端泄漏的概率，增加井下马达的密封性，使得能量可以得到充分利用，大大提高了马达的输出扭矩。

同时，为了避免在中心轴41带动动部件2转动时，位于端部的一个耐高温止推轴承上的动部件2受动部件2和静部件1之间的流体动压力作用而向远离静部件1的方向运动，从而解除与静部件1之间的配合关系。在中心轴41和套筒42之间设置有密封块43，密封块43与位于端部的一个耐高温止推轴承上的动部件2抵接，从而固定住位于端部的一个动部件2的极限位置。其中密封块43可以通过螺纹连接在套筒42上，也可以通过其他零部件抵接在动部件2上，亦或者是通过在套筒42内壁上开设阶梯槽从而固定住密封块43的位置，具体的可以根据使用场景确定，只要能够实现对密封块43的固定即可。

而位于另一端的静部件1与套筒42之间的相对位置可以通过在套筒42内壁上开设供静部件1嵌入的阶梯槽44确定，通过将静部件1抵接在阶梯槽44处从而固定住静部件1在套筒42上的位置。当然，也可以在位于端部的一个静部件1远离动部件2的一侧设置卡簧（图中未示出）进行限位，卡簧固定安装在套筒42上，通过卡簧固定住静部件1远离动部件2的一端在套筒42上的极限位置。通过密封块43和阶梯槽44或者是通过密封块43和卡簧组合即可固定住耐高温止推轴承在套筒42上的相对位置，实现对耐高温止推轴承的安装。

参照图，中心轴41可选为阶梯轴，其直径从上向下依次减小，在中心轴41直径变化处形成有台阶面53，安装时，直接将动部件2远离静部件1的一端抵接在中心轴41的台阶面53上，使得动部件2可以对中心轴41起到支撑的作用。同时当动部件2转动时，动部件2在动部件2和静部件1之间流体动压力作用下向远离静部件1的方向运动时，动部件2将给中心轴41一个向上的支撑力，减少中心轴41受重力影响而产生的下滑。且中心轴41台阶面53的设置也可以使得动部件2形成上表面积小、下表面积大的结构特点，进而形成压差，给动部件2一个向上的力，进一步增大了其承载力。

可以理解的是，本申请的轴向动密封和润滑结构不仅可以应用于井下马达，也可以应用于其他场合对两个同轴转动的零部件进行密封，且使用时，可以采用两个密封件成对适应，也可以选用一个密封件或多个密封件使用，具体的可以根据实际需要确定。

本申请实施例一种轴向动密封和润滑结构的实施原理为：当需要井下马达进行密封时，直接将耐高温止推轴承安装在中心轴41和套筒42之间，并固定住动部件2和静部件1在中心轴41和套筒42之间的位置，然后将两组密封件分别对应安装在井下马达的定子51和转子52的两端，通过两组密封件可以实现定子51和转子52之间的润滑，同时还能够对井下马达的两端进行密封，在保证定子51和转子52顺畅转动的同时，还可以减少定子51和转子52之间的磨损，润滑、密封效果较好。实现了减少钻井液的泄漏，使得能量得到充分利用，大大提高了马达的输出扭矩，延长了马达的使用寿命。

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 (10)

1.一种耐高温止推轴承，包括环状的静部件(1)以及转动连接在所述静部件(1)一端的环状的动部件(2)，其特征在于：所述静部件(1)朝向所述动部件(2)的端部环绕所述静部件(1)的轴线均匀分布有多条凸棱(12)，所述凸棱(12)一端朝向所述静部件(1)的内孔，另一端朝向所述静部件(1)的外壁，所述凸棱(12)的两侧分别形成迎水面(121)和背水面(122)，所述迎水面(121)的高度差从靠近所述静部件(1)内孔的一端向远离所述静部件(1)内孔的一端逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的耐高温止推轴承，其特征在于：所述迎水面(121)和所述背水面(122)的连接处为峰沿(123)，相邻两个凸棱(12)的连接处为谷沿(124)，所述谷沿(124)从靠近所述静部件(1)内孔的一端向远离所述静部件(1)内孔的一端逐渐朝所述峰沿(123)靠近。

3.根据权利要求1所述的耐高温止推轴承，其特征在于：所述凸棱(12)的延伸方向与所述静部件(1)的径向交叉设置。

4.根据权利要求1所述的耐高温止推轴承，其特征在于：所述动部件(2)朝向所述静部件(1)的一端开设有螺旋槽(21)，所述螺旋槽(21)环绕所述动部件(2)轴线开设。

5.根据权利要求1所述的耐高温止推轴承，其特征在于：所述静部件(1)外壁处固接有固定环(11)，所述固定环(11)和所述静部件(1)之间形成供所述动部件(2)置入的开口容腔。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的耐高温止推轴承，其特征在于：所述静部件(1)为耐磨金属材料制成的静部件(1)，所述动部件(2)为耐磨金属材料制成的动部件(2)。

7.一种轴向动密封和润滑结构，其特征在于：包括密封件，所述密封件包括权利要求1-6任意一项所述的耐高温止推轴承、安装在所述耐高温止推轴承内孔中的中心轴(41)以及套设在所述耐高温止推轴承上的套筒(42)，所述耐高温止推轴承的动部件(2)与中心轴(41)连接，所述耐高温止推轴承的静部件(1)与所述套筒(42)连接。

8.根据权利要求7所述的轴向动密封和润滑结构，其特征在于：所述耐高温止推轴承沿所述中心轴(41)轴线方向并列设置有若干个。

9.根据权利要求7所述的轴向动密封和润滑结构，其特征在于：所述中心轴(41)为阶梯轴，所述动部件(2)远离所述静部件(1)的一侧与所述中心轴(41)直径变化处形成的台阶面(53)抵接。

10.根据权利要求7所述的轴向动密封和润滑结构，其特征在于：所述密封件至少设置有两个。

Images