全金属同心强制配流容积式井下马达

1.本技术涉及高端井下装备的技术领域，尤其是涉及一种由高压钻井液驱动的全金属同心强制配流容积式井下马达。


背景技术：

2.近年来，随着钻探行业的快速发展，在深井、超深井和高温地热井中，对于耐高温的井下动力钻具的应用越来越多。
3.其中，常规动力钻具中大多具有由橡胶制成的不耐高温件，钻探的过程中，不耐高温件易受高温的影响而损坏，严重影响井下动力钻具的性能和使用寿命，因此选择一种耐高温的全金属动力钻具就显得尤为重要。目前较为成熟的全金属井下动力钻具主要为涡轮钻具，但是涡轮钻具在实际使用的过程中存在输出转速高、扭矩较小的缺点，无法适应高效破岩驱动。


技术实现要素：

4.为了在耐高温的情况下增大输出扭矩，并保证配流可靠，本技术提供一种全金属同心强制配流容积式井下马达。
5.本技术提供的一种全金属同心强制配流容积式井下马达，采用如下的技术方案：一种全金属同心强制配流容积式井下马达，包括外筒以及设置于外筒内的一级定转子单元；一级定转子单元包括由内至外依次套设的配流静轴、转子和外定子，配流静轴和外定子之间设有连接两者的固定组件，转子通过轴承转动支撑于外定子的内部；转子上活动嵌设有多个同时与配流静轴和外定子滚动接触的铜棒，转子位于铜棒两端的位置分别套设有顶部密封环和底部密封环，转子、相邻铜棒、外定子、顶部密封环和底部密封环之间形成间隔设置的高压腔和低压腔；外定子和外筒之间设有与高压腔一一对应的进水流道，以及与低压腔一一对应的出水流道，外定子上加工有将进水流道与高压腔连通的进水口，以及将出水流道与低压腔连通的出水口。
6.通过采用上述技术方案，高压钻井液从外筒的进液端流入后，依次经进水流道、进水口进入高压腔内并推动铜棒，铜棒受力后推动转子顺时针旋转，转子旋转至一定角度后高压钻井液进入低压腔内并依次由出水口和出水流道流出，该过程中，依靠外定子的轴面进水配流，配流更加可靠，多组进水流道和进水口的设置，大大增加了过水面积，降低了转子的转速，使得转子能够传递更大的扭矩；并且由于该井下马达中的各部件均是由金属材料加工而成，因此还具备耐高温的特性；同时，将转子中的推动件设计为圆形铜棒，能够大大降低高压液体在推动铜棒时由于产生的力偶作用使得推动件卡在转子的孔中的可能，使得铜棒的甩出和进入更加容易，进而促进了高低压腔的顺利稳定切换。
7.优选的，所述配流静轴靠近进液端的一端同轴固接有定位杆，配流静轴远离进液
端的一端同轴固接有连杆；固定组件包括由进液端依次套设于定位杆上的端盖和顶部锁紧帽；端盖包括盖板以及成型于盖板一侧的插环，盖板抵接于外定子的端面上且盖板与转子之间存在活动间隙，插环的外壁面与外定子的内壁面紧密贴合且两者通过平键连接，顶部锁紧帽与定位杆螺纹连接并压紧端盖。
8.通过采用上述技术方案，固定组件的设置，使得配流静轴悬挂在外定子上，大大减小转子转动过程中的端面摩擦力，同时还能在进液端形成密封结构，防止高压液体泄漏。
9.优选的，所述配流静轴的外壁面和外定子的内壁面均为椭圆结构，两椭圆结构的长轴与长轴、短轴与短轴同心设置。
10.通过采用上述技术方案，椭圆结构的设置，使得转子的装配段、相邻铜棒、外定子、顶部密封环和底部密封环之间能够形成高压腔和低压腔，以便高压液体驱动转子传递扭矩。
11.优选的，所述铜棒的内部为空心结构。
12.通过采用上述技术方案，主要用于减重，使得铜棒的甩出和进入更加容易。
13.优选的，所述外定子的外壁与外筒的内壁相贴合，外定子的外壁上加工有进水直切面和出水直切面，进水直切面和出水直切面分别由外定子的两端沿外定子的轴向延伸，进水直切面与外筒的内壁之间形成进水流道，出水直切面与外筒的内壁之间形成出水流道。
14.通过采用上述技术方案，实现外定子的轴面配流，从而增大流量。
15.优选的，所述进水口和出水口均设置有多个，多个进水口沿外定子的轴向分布于进水直切面上，多个出水口沿外定子的轴向分布于出水直切面上。
16.通过采用上述技术方案，多个进水口和出水口的设置，用于增大输入和输出的流量，从而使转子传递更大的扭矩。
17.优选的，所述外筒内还设置有与一级定转子单元结构相同的二级定转子单元，一级定转子单元与二级定转子单元之间设有连接两者的连接组件。
18.通过采用上述技术方案，定转子单元的每一级可以独立工作，也可以通过连接组件多级组装工作。
19.优选的，所述连接组件包括用于连接相邻两配流静轴的定子连接件、用于连接相邻两转子的套件以及用于连接相邻两外定子的过水连接套；定子连接件包括一体成型的上筒体和下筒体，一级定转子单元的连杆的一端伸入上筒体内并通过插销固定，二级定转子单元的定位杆靠近一端的外壁上至少加工有一个定位面，下筒体的内壁上加工有与定位面相配合的止动面；套件包括分体设置的第一套筒和第二套筒，一级定转子单元的转子的一端伸入第一套筒内并且与第一套筒螺纹连接；第二套筒包括一体成型的上筒件和下筒件，二级定转子单元的转子的一端伸入下筒件内并且与下筒件螺纹连接，二级定转子单元的定位杆与上筒件通过轴承转动连接，上筒件的外壁上至少加工有一个切削面，第一套筒的内壁上加工有与切削面相配合以传递扭矩的传动面；过水连接套套设于套件的外部并通过平键与相邻两外定子连接，过水连接套的外壁上加工有用于将一级定转子单元的出水流道与二级定转子单元的进水流道相连通的过
水槽。
20.通过采用上述技术方案，连接组件的设置，能够实现定转子单元的多级并联，在实际应用中，可根据需要进行组装；其中，定位面和止动面相配合，能够保证相邻配流静轴之间同心同向；切削面与传动面相配合，能够保证相邻转子之间传递扭矩。
21.优选的，还包括安装在外筒两端以将一级定转子单元和二级定转子单元压紧固定于外筒内的上接头和下接头。
22.通过采用上述技术方案，主要用于对一级定转子单元和二级定转子单元进行固定。
23.优选的，所述上接头包括位于外筒内且同时压持在固定组件和一级定转子单元的外定子上的第一压环，以及与外筒螺纹连接的第一压头，第一压头的一端伸入外筒内并与第一压环的端部抵接，第一压环的侧壁上加工有与一级定转子单元的进水流道相连通的进液口；下接头包括位于外筒内且压持在二级定转子单元的外定子上的第二压环，以及与外筒螺纹连接的第二压头，第二压头的一端伸入外筒内并与第二压环的端部抵接，第二压环的侧壁上加工有与二级定转子单元的出水流道相连通的出液口。
24.通过采用上述技术方案，上接头和下接头的设置，能够将一级定转子单元、二级定转子单元，甚至多级定转子单元压紧固定于外筒内，便于工作人员根据需要进行组装。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.本技术中的全金属同心强制配流容积式井下马达依靠外定子的轴面进水配流，通过设置两组进水流道和进水口，大大增加了进出水的流量，使得转子能够传递更大的扭矩；2.全金属同心强制配流容积式井下马达中的定转子单元的每一级可以独立工作，也可以通过连接组件多级组装工作，组装的过程中，直接插接即可，十分便利；3.将转子中的推动件设计为圆形空心铜棒，可以大大降低高压液体在推动铜棒时由于产生的力偶作用使得推动件卡在转子的孔中的可能，使得铜棒的甩出和进入更加容易，进而促进了高低压腔的顺利稳定切换；4.转子通过固定盖、推力球轴承、扶正轴承与外定子的内台阶面相配合以悬挂在外定子上，配流静轴通过固定组件悬挂在外定子上，采用两个悬挂的方式，大大减小了转子转动过程中的与其它部件之间的摩擦力。
附图说明
26.图1是本技术实施例中全金属同心强制配流容积式井下马达的整体结构示意图；图2是取掉外筒之后，体现连接组件位置的结构示意图；图3是体现定转子单元内部结构的剖视图；图4是体现固定组件具体结构以及固定组件与外筒之间配合关系的爆炸示意图；图5是体现转子具体结构的示意图；图6是体现配流静轴、转子、铜棒、外定子和外筒之间配合关系的剖视图；图7是体现外定子具体结构的示意图；图8是体现全金属同心强制配流容积式井下马达整体结构的纵剖图；
图9是图8中a部分的局部放大示意图；图10是体现第一套筒的结构示意图；图11是体现第二套筒的结构示意图；图12是体现过水连接套与相邻外定子之间配合关系的爆炸示意图；图13是图8中b部分的局部放大示意图；图14是体现上接头在安装状态下的剖视图；图15是体现下接头与外定子之间配合关系的爆炸示意图。
27.附图标记说明：1、外筒；2、上接头；21、第一压环；22、第一压头；3、下接头；31、第二压环；32、第二压头；4、连接组件；41、定子连接件；411、上筒体；412、下筒体；42、套件；421、第一套筒；422、第二套筒；4221、上筒件；4222、下筒件；4223、外支撑面；4224、内支撑面；43、过水连接套；431、过水槽；5、配流静轴；51、定位杆；52、连杆；6、转子；61、装配段；611、条形安装口；62、连接段；63、铜棒；64、顶部密封环；65、底部密封环；7、外定子；71、进水直切面；72、出水直切面；73、进水口；74、出水口；8、固定组件；81、顶部锁紧帽；82、盖板；83、插环；9、平键；10、推力球轴承；20、扶正轴承；30、固定盖；40、垫片；50、密封腔；60、插销；70、内密封件；80、顶部螺母；90、底部螺母。
具体实施方式
28.以下结合附图1
‑
15对本技术作进一步详细说明。
29.本技术实施例公开了一种全金属同心强制配流容积式井下马达。参照图1和图2，全金属同心强制配流容积式井下马达包括外筒1、上接头2和下接头3，上接头2固定于外筒1的一端，下接头3固定于外筒1的另一端。在本实施例中，定义连接有上接头2的一端为外筒1的上端或进液端，连接有下接头3的一端为外筒1的下端或出液端。外筒1内由上至下依次安装有一级定转子单元、连接组件4和二级定转子单元，连接组件4主要用于将一级定转子单元和二级定转子单元连接在一起；上接头2一方面用于配合下接头3将一级定转子单元、连接组件4和二级定转子单元压紧固定于外筒1内，另一方面用于连接高压水管；根据需要，可设置多级定转子单元。
30.外筒1、上接头2、下接头3、一级定转子单元、连接组件4和二级定转子单元均由金属材料加工而成，使得马达具备耐高温的优点，更加有利于井下钻探。
31.参照图3，一级定转子单元和二级定转子单元的结构相同，两者均包括由内至外依次套设的配流静轴5、转子6和外定子7，配流静轴5的一端同轴固接有伸出转子6至外部的定位杆51，配流静轴5的另一端同轴固接有连杆52，转子6转动于配流静轴5和外定子7之间。
32.参照图3和图4，配流静轴5和外定子7之间设有连接两者的固定组件8，固定组件8包括由进液端至出液端依次套设于定位杆51上的端盖和顶部锁紧帽81；端盖包括盖板82以及成型于盖板82一侧的插环83，装配时，盖板82抵接于外定子7的端面上，插环83的外壁面与外定子7的内壁面紧密贴合且两者通过平键9连接，顶部锁紧帽81与定位杆51螺纹连接并将端盖压紧，使得插环83与外定子7之间形成密封结构。为了避免工作人员转动顶部锁紧帽81时配流静轴5随之转动，在一级定转子单元的定位杆51的外壁上加工外六方结构，同时在盖板82上加工与外六方结构相配合的内六方孔，通过外六方结构和内六方孔进行卡位，从而限制配流静轴5周向转动。
33.参照图3和图5，转子6呈柱状，其内部中空且两端开口，转子6包括装配段61以及一体成型于装配段61两端的连接段62，转子6的两连接段62通过推力球轴承10转动支撑于外定子7的内部，为保证转子6转动过程中的稳定性，在连接段62和外筒1之间靠近推力球轴承10的位置还设有扶正轴承20。
34.外定子7的内壁加工有内台阶面，靠近进液端的连接段62上设有筒状的固定盖30，固定盖30上加工有供定位杆51穿过的孔，且固定盖30的上表面与盖板82的下表面之间存在活动间隙，主要用于减小转子6转动过程中的端面摩擦力；装配时，在连接段62的外部套设垫片40，然后将固定盖30螺纹连接在连接段62上，该过程中，固定盖30的一端伸入转子6与外定子7之间的间隙，并依次将垫片40、推力球轴承10、扶正轴承20压持在外定子7的内台阶面上，进而使得转子6悬挂于外定子7上，采用悬挂的方式，主要用于减小转子6转动过程中与其它部件之间产生的摩擦力。
35.参照图5和图6，装配段61上开设有多个内外连通且沿装配段61轴向延伸的条形安装口611，多个条形安装口611之间呈圆周等距分布，每个条形安装口611内均活动嵌设有同时与配流静轴5、外定子7、条形安装口611的内壁滚动接触的铜棒63，铜棒63的内部为空心结构，且铜棒63与条形安装口611等高。
36.参照图3和图6，转子6位于铜棒63两端的位置分别套设有顶部密封环64和底部密封环65，顶部密封环64和底部密封环65在扶正轴承20或耐磨套的压持下固定于铜棒63凸出的端面处；配流静轴5的外壁面和外定子7的内壁面均为椭圆结构，两椭圆结构的长轴与长轴、短轴与短轴同心设置，使得转子6的装配段61、相邻铜棒63、外定子7、顶部密封环64和底部密封环65之间形成多个密封腔50，在本实施例中密封腔50为六个，但用于驱动转子6旋转的只有四个。
37.参照图6和图7，外定子7为内部中空且两端开口的筒状结构，其装配于外筒1内时，外定子7的外壁与外筒1的内壁相贴合。外定子7的外壁上加工有两个进水直切面71和两个出水直切面72，进水直切面71和出水直切面72分别由外定子7的两端沿外定子7的轴向延伸，且进水直切面71和出水直切面72的长度小于外定子7的长度，进水直切面71与外筒1的内壁之间形成进水流道，出水直切面72与外筒1的内壁之间形成出水流道。每个进水直切面71上均开设有一组沿外定子7轴向等距布置的进水口73，两组进水口73之间呈180
°
分布；每个出水直切面72上均开设有一组沿外定子7轴向等距布置的出水口74，两组出水口74和两组进水口73间隔设置；与进水口73相连通的密封腔50为高压腔，与出水口74相连通的密封腔50为低压腔。
38.高压钻井液从外筒1的进液端流入后，依次经进水流道、进水口73进入高压腔内并推动铜棒63，铜棒63受力后推动转子6顺时针旋转，转子6旋转至一定角度后高压钻井液进入低压腔内并依次由出水口74和出水流道流出，该过程中，依靠外定子7的轴面进水配流，两组进水流道和进水口73的设置，大大增加了进水流量，降低了转子6的转速，使得转子6能够传递更大的扭矩。
39.参照图8和图9，上述的连接组件4包括用于连接相邻两配流静轴5的定子连接件41、用于连接相邻两转子6的套件42以及用于连接相邻两外定子7的过水连接套43。
40.参照图9，定子连接件41包括一体成型的上筒体411和下筒体412，一级定转子单元的连杆52的一端伸入上筒体411内并通过插销60固定，一级定转子单元的连杆52上套设有
内密封件70，上筒体411将内密封件70压紧于配流静轴5上，用于对配流静轴5、转子6和铜棒63之间的腔室进行密封，降低高压液体从该处腔室泄露的可能性，保证转子6正常运转。二级定转子单元的定位杆51靠近一端的外壁上加工有外六方结构，下筒体412的内壁上加工有内六方结构，外六方结构与内六方结构插接配合。
41.参照图9和图10，套件42包括分体设置的第一套筒421和第二套筒422，一级定转子单元靠近出液端的连接段62伸入第一套筒421内并且与第一套筒421螺纹连接；参照图9和图11第二套筒422包括一体成型的上筒件4221和下筒件4222，上筒件4221的直径小于下筒件4222的直径，两者在外侧形成外支撑面4223、在内侧形成内支撑面4224；二级定转子单元远离出液端的连接段62伸入下筒件4222内并且与下筒件4222螺纹连接；二级定转子单元的定位杆51通过推力球轴承10与上筒件4221转动连接，定位杆51位于自身外六方结构下方的外侧壁上螺纹连接有顶部螺母80，顶部螺母80通过垫片40将推力球轴承10压持在内支撑面4224上，下筒体412的端部与顶部螺母80的端部抵接配合；参照图10和图11，上筒件4221的外壁上加工有外六方结构，第一套筒421的内壁上加工内六方结构，装配时，第一套筒421套设于上筒件4221的外部并抵接于外支撑面4223上，使得外六方结构与内六方结构相配合，从而实现两级定转子单元之间的扭矩传递。
42.参照图9和图12，过水连接套43套设于套件42的外部，过水连接套43的两端分别与相邻两外定子7的端面抵接且同时通过平键9连接，过水连接套43的外壁上加工有过水槽431，用于将一级定转子单元的出水流道与二级定转子单元的进水流道连通，以便高压钻井液进入二级定转子单元内。
43.参照图13，二级定转子单元的连杆52上由出液端至进液端的方向依次安装有底部螺母90、扶正轴承20和内密封件70，底部螺母90螺纹连接在连杆52上并通过扶正轴承20将内密封件70压持在配流静轴5上，用于对配流静轴5、转子6和铜棒63之间的腔室进行密封，降低高压液体从该处腔室泄露的可能性，保证转子6正常运转。
44.参照图14和图15，上述的上接头2包括位于外筒1内且同时压持在盖板82和一级定转子单元的外定子7上的第一压环21，以及与外筒1螺纹连接的第一压头22，第一压头22的一端伸入外筒1内并与第一压环21的端部相抵接，第一压环21的侧壁上加工有与一级定转子单元的进水流道相连通的进液口；下接头3包括位于外筒1内且压持在二级定转子单元的外定子7上的第二压环31，以及与外筒1螺纹连接的第二压头32，第二压头32的一端伸入外筒1内并与第二压环31的端部相抵接，第二压环31的侧壁上加工有与二级定转子单元的出水流道相连通的出液口。
45.本技术实施例的实施原理为：工作时，将高压钻井液从外筒1的进液端注入，注入的高压液体依次经一级定转子单元的进液口、进水流道、进水口73进入高压腔内并推动铜棒63，铜棒63受力后推动转子6顺时针旋转，转子6旋转至一定角度后，高压钻井液进入低压腔内并由出水口74进入出水流道内，此时，从一级定转子单元流出的高压钻井液通过过水连接套43上的过水槽431进入二级定转子单元内，从而实现多级并联，输出更大的扭矩。
46.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。