[发明专利]用于离心泵的扭矩传递系统

说明书

一种用于离心泵的扭矩传递系统。一种用于离心泵的扭矩传递系统包括叶轮上方的轴承套筒，所述轴承套筒和所述叶轮的轮毂围绕可旋转轴并通过键联接到所述可旋转轴，所述轴承套筒具有台阶底部边缘，所述轮毂的顶部边缘与所述轴承套筒的所述底部边缘成相反的台阶状，使得所述顶部边缘与所述底部边缘互锁，其中所述互锁边缘的纵向延伸部分之间具有间隙，其中在所述键和所述套筒之间的扭矩传递减少时，所述间隙闭合，使得所述台阶顶部边缘的所述纵向延伸部分接触所述台阶底部边缘的所述纵向延伸部分，从而保持所述套筒与所述可旋转轴一起旋转。一种离心泵包括具有一系列台阶互锁叶轮的模块。

背景技术

1.发明领域

本文描述的本发明的实施方案涉及电动潜油泵领域。更具体地，但不作为限制，本发明的一个或多个实施方案实现了用于离心泵的扭矩传递系统。

2.相关技术说明

流体诸如气体、油或水通常位于地下地层中。当井内压力不足以迫使流体流出井外时，必须将流体泵送到地面，以便能够对其进行收集、分离、提炼、分配和/或出售。离心泵通常用于电动潜油泵(ESP)应用中，用于将井产流体提升到地面。离心泵通过加速流体流过与非旋转导叶成对的旋转叶轮(统称为“级”)，从而将能量传递给流体。在多级离心泵中，多级叶轮和导叶对可用于进一步增加压力提升。这些级围绕泵轴串联堆叠，每个连续的叶轮位于前一级的导叶上。泵轴纵向延伸穿过堆叠级的中心。轴旋转，并且叶轮用键固定到轴，使叶轮与轴一起旋转。

传统的ESP组件有时包括轴承组，以承受在操作期间作用在泵上的径向力和推力。轴承组传统上由套筒和衬套组成。套筒用键固定到轴并与轴一起旋转。衬套被压入套筒周围的导叶中，并且不应旋转。

流经泵的生产流体通常包含固体磨料诸如沙子、岩石、岩石颗粒、土壤或泥浆，这些物质会对泵部件造成损坏。为了防止磨损，轴承组的可旋转套筒和衬套通常由碳化钨复合材料制成，该复合材料包括粘结剂诸如钻。碳化钨钻复合材料是硬质脆性材料，其具有范围从90至100HRA的硬度值。在ESP工业中，硬化的套筒和衬套通常被称为耐磨饰件或“AR饰件”。

将套筒固定到ESP轴上的键通常是细长的矩形条带，其长约36英寸，并且由具有约72HRA(40至60HRC)的硬度的经处理的钢或奥氏体合金制成。键固定在套筒和轴两者的键槽中，允许套筒与轴一起旋转。具有40至60HRC(72HRA)的硬度的材料通常用于ESP键，因为它们比更硬、更脆的材料更易延展，且因此制造简单，并且允许键承受轴扭转。叶轮以类似的方式用键固定在ESP轴上，其中多个键沿着轴的长度上下堆叠。

传统键产生的问题是键的微振磨损。在ESP组件的操作期间，轴在套筒内振动。这种振动可以以从轴向到横向再到扭转的各种模式发生，并且导致硬质碳化钨套筒反复撞击和/或滑动抵靠较软的键，导致键上的材料损失。另外，在含沙环境中，流经泵的沙子磨损并引起套筒内较软的键材料的破坏。如果键损失20％或更多厚度，这种情况可能导致套筒和轴之间的异步旋转。异步旋转导致轴磨损，最终导致轴断裂。另外，磨损的键会导致套筒在衬套内部“螺旋”，从而加剧微振磨损，并且导致剪切破坏。变薄或断裂的键将不能在轴和套筒之间充分传递扭矩，从而导致轴承组失效、轴断裂并且缩短泵的使用寿命。

一些在ESP轴和AR套筒之间传递扭矩的传统方法将断裂归因于轴的角度偏转，也称为“轴扭转”。这些方法假设轴的角度偏转被施加给套筒，并且试图通过从套筒中完全消除键来解决该问题。在这些“无键”方法中，端环或驱动套环在套筒上方或下方键入，以间接转动硬质“无键”套筒。在一些情况下，驱动套环使用与套筒中的凹槽接合的成角度齿来转动套筒。这些传统设计的问题在于它们导致剩余键槽根部的高应力集中，并且对转动端环、套环或叶轮的键的磨损损伤几乎不提供保护。端环和驱动套环的键本身易受剪切影响，特别是在磨损环境中，并且如果剪切，泵完全失效，因为整个“无键”系统不再与轴一起转动。这些设计还不合期望地需要额外的部件诸如弹簧、端环和驱动套环，这些部件可能复杂、昂贵且安装麻烦。

从以上可以明显看出，目前用于ESP中所采用的离心泵的扭矩传递系统存在许多缺陷。因此，需要一种用于离心泵的改进的扭矩传递系统。