[發(fā)明專利]用于控制或限制移動腔式馬達(dá)和泵中轉(zhuǎn)子軌跡的設(shè)備和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380033334.2
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN104379865A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: B·P·亞爾維斯;N·威爾科克斯;B·威廉姆斯;L·安德伍德;W·默里;P·T·卡里沃;G·唐頓;L·李;S·小野寺;D·阿爾瓦拉多;M·普什卡廖夫;G·通奇;A·普洛普;W·艾斯丘
• 申請（專利權(quán)）人: 普拉德研究及開發(fā)股份有限公司
• 主分類號: E21B4/04
• 分類號: E21B4/04;H02K7/12
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 周家新;蔡洪貴

技術(shù)領(lǐng)域

這里公開的實施例涉及用于在移動腔式馬達(dá)或泵中控制或限制轉(zhuǎn)子相對于定子的位置的設(shè)備和方法。另一方面，這里公開的實施例涉及用于在泥漿馬達(dá)中控制或限制轉(zhuǎn)子相對于定子的位置的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)

移動腔式馬達(dá)或泵，有時稱為容積式馬達(dá)或泵或者螺桿馬達(dá)或泵，通過在腔中捕獲流體而工作。這些腔形成在轉(zhuǎn)子和定子之間的空間中，并且這些部件之間的相對旋轉(zhuǎn)為一種使腔沿著裝置的長度方向從輸入端到輸出端前進(jìn)并且軸向移動的機(jī)械作用。如果轉(zhuǎn)子被驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，流體沿著腔內(nèi)部被吸入并且該裝置為泵。如果流體在比輸出端壓力高的情況下被泵送到輸入端腔，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的力使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)并且該裝置為馬達(dá)。

為了使轉(zhuǎn)子能夠在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生沿軸向方向前進(jìn)的腔，兩個部件的輪廓必須具有特定的形式。通常，轉(zhuǎn)子2為截面形狀類似于圖1所示的螺旋軸。轉(zhuǎn)子2上的葉片的數(shù)量可以為一到任何數(shù)量。如圖2所示，定子4的輪廓與轉(zhuǎn)子2的輪廓互補(bǔ)，葉片的數(shù)量為兩個到任意多個。在匹配的轉(zhuǎn)子-定子對中，定子4上的葉片的數(shù)量比轉(zhuǎn)子2上的多一個。轉(zhuǎn)子2和定子4的典型組合的橫截面在圖3中示出，其中，轉(zhuǎn)子2具有三個葉片并且定子4具有四個葉片，轉(zhuǎn)子2容納在定子4內(nèi)。

其中一個表面，通常為定子4的表面，為柔性的，使得在轉(zhuǎn)子2和定子4的接觸點之間能夠維持密封6。密封6限定出位于轉(zhuǎn)子2和定子4之間的多個腔并且仍然允許轉(zhuǎn)子2和定子4之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子2和定子4的截面通常沿著馬達(dá)或泵10的長度維持不變，但是逐步旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生螺旋輪廓。沿著馬達(dá)或泵10的直徑面的截面如圖4所示。

轉(zhuǎn)子2不必具有固定的長度。選取的長度通常被定義為多個級，其中一個級由定子4完整的螺旋旋轉(zhuǎn)構(gòu)成。腔8形成在定子4和轉(zhuǎn)子2之間。

從圖3和4的截面明顯可以得到的是，隨著轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子2的幾何中心相對于定子4并不保持固定。總的來說，當(dāng)轉(zhuǎn)子2具有兩個或多個葉片時，中心點的軌跡大致上為圓形，其中，由表面輪廓的準(zhǔn)確特性和用于維持腔內(nèi)密封6的柔性材料中的任何變形引起變化。在馬達(dá)的情況(轉(zhuǎn)子2提供驅(qū)動扭矩)下以及對于轉(zhuǎn)子2被驅(qū)動的泵來說，驅(qū)動軸組件12需要將圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)變換成圍繞固定軸線的旋轉(zhuǎn)。該驅(qū)動軸組件12具有可移動的接合組件14以促進(jìn)這種機(jī)械作用。在馬達(dá)的情況下，驅(qū)動軸13的外端連接到需要被驅(qū)動的部件上，在井下馬達(dá)的情況下例如連接到鉆頭上。對于泵來說，驅(qū)動軸13的外端連接到旋轉(zhuǎn)能的源頭，例如馬達(dá)。

在裝置為馬達(dá)的情況下在轉(zhuǎn)子2中產(chǎn)生的扭矩，或者在裝置為泵的情況下在轉(zhuǎn)子2中所需的扭矩為作用在腔8中的壓力與定子4和轉(zhuǎn)子2之間的接觸點間的反作用力的復(fù)雜組合。這樣具有如下效果，即在馬達(dá)的情況下試圖轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子2或者在泵的情況下抵抗旋轉(zhuǎn)。在兩種情況下，還具有用于將轉(zhuǎn)子2推動進(jìn)入定子4的凈側(cè)向力。這種力的方向隨著轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)。還具有由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力。并且在馬達(dá)的情況下，例如泥漿馬達(dá)，還可能具有由傳動裝置承載的推力的側(cè)向分力。

發(fā)明內(nèi)容

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，作用在轉(zhuǎn)子上并且將轉(zhuǎn)子推向定子的力產(chǎn)生的影響在于定子的柔性表面可發(fā)生變形并且在裝置的一側(cè)上產(chǎn)生間隙。如果這種現(xiàn)象發(fā)生，那么流體可以沿著裝置在流體腔之間通過。這樣就會降低流率和泵的最大壓力并且在馬達(dá)的情況下降低了旋轉(zhuǎn)速度且限制了扭矩的形成。

這里公開的實施例可以被用于克服已知的泥漿泵和其它移動腔式馬達(dá)或泵的某些限制，或者至少為已知的泥漿泵和其它移動腔式馬達(dá)或泵提供替代方案。

根據(jù)這里公開的實施例的第一方面，提供了一種移動腔式馬達(dá)或泵，其包括：轉(zhuǎn)子、定子和用于控制或限制轉(zhuǎn)子相對于定子的移動的設(shè)備。

如上所述，轉(zhuǎn)子或定子的表面可以由柔性材料制成以在轉(zhuǎn)子和定子的接觸表面之間形成密封，并且在一個或多個實施例中，轉(zhuǎn)子相對于定子的移動被控制或限制以使得柔性材料的變形以及由此形成的位于轉(zhuǎn)子和定子的接觸表面之間的間隙開口最小化。

在一個或多個實施例中，轉(zhuǎn)子被約束成遵循期望的旋轉(zhuǎn)和定位移動。

在一個或多個實施例中，轉(zhuǎn)子受構(gòu)造成使轉(zhuǎn)子可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的進(jìn)動裝置約束。

在一個或多個實施例中，進(jìn)動裝置由連接到遵循連接到定子的葉片軌道的轉(zhuǎn)子軸的葉片輪構(gòu)成。

在一個或多個實施例中，輪上的葉片的數(shù)量與軌道上的葉片的數(shù)量之比與轉(zhuǎn)子上的葉片數(shù)量與定子上的葉片數(shù)量之比相同。

在一個或多個實施例中，葉片輪在其與軌道配合的外表面上具有順從層。替代或可選地，葉片軌道在于葉片輪配合的表面上具有順從層。