УЗЕЛ ПОДШИПНИКА РОТОРА
ROTOR BEARING GROUP

2420-165563RU/010
УЗЕЛ ПОДШИПНИКА РОТОРА
ОПИСАНИЕ
Уровень техники
В данном разделе приведена информация об уровне техники для лучшего понимания различных аспектов настоящего изобретения.
Погружные насосные системы применялись для выкачивания нефти и воды из скважин в течение многих лет. В общем, погружная насосная система содержит электродвигатель, протектор электродвигателя и насос, подвешенный соосно в скважине на гибкой насосно-компрессорной трубе или кабеле. Обычно насосом является центробежный насос, который подсоединен к электродвигателю. Электродвигатель вращает трансмиссионный вал, который, в свою очередь, приводит в действие насос. Электродвигатель и протектор электродвигателя заполнены маслом для облегчения рассеивания тепла, для поддержания надлежащей внутренней смазки электродвигателя и отделения внутренних элементов электродвигателя от окружающих скважинных флюидов.
Вследствие того, что эти насосные системы обычно размещаются внутри узкой скважины, электродвигатель, протектор электродвигателя и насос обычно являются длинными и имеют цилиндрическую форму. Электродвигатели различаются по мощности в зависимости от приложения. Соответственно, электродвигатели погружных насосных систем могут быть достаточно длинными, что приводит к определенным трудностям, не возникающим в других применениях электродвигателей.
Электродвигатели погружных насосных систем обычно содержат статор, закрепленный внутри трубчатого корпуса, и ротор, прикрепленный к трансмиссионному валу, который вращается внутри статора. Ротор обычно состоит из множества секций, количество которых зависит от длины и номинальной мощности электродвигателя. В основном, каждая роторная секция содержит ламинированные стальные пластины или диски, соединенные медными стержнями. Роторные секции разнесены друг от друга, и узел подшипника ротора расположен между каждой роторной секцией. Каждая роторная секция соединена с валом, так что все роторные секции вращаются при вращении вала.
Каждый узел подшипника ротора внутри роторной секции предназначен для поддержания вала и его удержания в надлежащем осевом положении. Узел подшипника ротора содержит втулку, соединенную с валом, так что втулка и вал вращаются вместе и шейку (например, подшипника, вкладыша), расположенную коаксиально вокруг втулки. Втулка и шейка соединены друг с другом с возможностью вращения. Шейка может быть выполнена с возможностью фрикционного зацепления с внутренней стенкой статора (например, корпуса) для предотвращения вращения шейки и поддержания надлежащего расположения вала. Таким образом, узел подшипника ротора неподвижно прикреплен к валу, а не к статору.
Вследствие высоких рабочих температур внутри скважины температурное расширение стремится заставить вал, ротор и статор увеличиваться в размерах в осевом направлении. В основном, ротор и вал стремятся увеличиваться в размерах в осевом направлении вниз во время высокотемпературной операции. Статор также стремится увеличиваться в размерах в осевом направлении вниз, однако на меньшую величину, чем ротор или вал. Из-за этих эффектов температурного расширения электродвигатель конструируется таким образом, что каждый узел подшипника ротора, присоединенный к валу электродвигателя внутри роторной секции, получает ограниченную степень осевой подвижности. Таким образом, вследствие того, что каждый узел подшипника ротора присоединен к валу ротора, вал сохраняет ту же ограниченную степень осевой подвижности. В некоторых насосах осевая подвижность ограничена упорными шайбами, расположенными вплотную к каждому из узлов подшипников ротора.
Угловое смещение вала внутри электродвигателя может происходить из-за того, что ротор, вал и статор подвергаются этим изменениям размеров вследствие температурного расширения и дисбалансов во вращающемся узле. Смещение вала во время работы нарушает центрирование и распределение сил в узле подшипника и вызывает вибрации внутри электродвигателя. Повышенная вибрация может привести к преждевременному выходу из строя электродвигателя или элемента.
В идеальном случае шейка остается неподвижной, в то время как втулка, ротор и вал вращаются. Были использованы узлы подшипников ротора, в которых периферийная поверхность шейки удерживалась силой трения во внутренней поверхности статора посредством контакта метал-метал, например, с помощью металлической шайбы. Такие узлы подшипников ротора с фрикционной сопряжением метал-метал имеют тенденцию высвобождаться и затем вращаться с валом. Вращение шейки приводит к разбиванию и повреждению внутренней поверхности статора. Когда шейка начинает вращаться с валом, центрирующие силы узла подшипника ротора уменьшаются, приводя к увеличению углового смещения, вибрации и выходу из строя электродвигателя. Такой тип конструкции также является неудовлетворительным, поскольку вследствие температурного расширения узла подшипника во время работы электродвигателя шейка может сильно соприкасаться со статором, что может вызвать угловое смещение вала и, таким образом, чрезмерные ударные нагрузки на опорные поверхности подшипника рядом с узлом подшипника ротора.
Некоторые электрические погружные насосы используют керамические карбидные (например, карбид вольфрама, карбид кремния, нитрит алюминия, карбид бора, кобальт) подшипники (втулка и/или вкладыш) для сопротивления абразивному действию песка или других твердых частиц в скважинном флюиде и для работы со смазками очень низкой вязкости. Основной проблемой, связанной с керамическими карбидными устройствами, является закрепление элементов подшипников таким образом, чтобы не создавать серьезных концентраций напряжения, которые приводили бы к разрушению керамического карбида. Разрушение может быть вызвано ударными нагрузками, возникающими во время транспортировки, обслуживания или установки.
Разрушение может быть также вызвано нагрузками температурного расширения, вызванными работой при плохой смазке, приводящей к недостаточному смазыванию или охлаждению подшипника, такой как флюид низкой вязкости или скважинный флюид с высоким содержанием газа. Разрушение может также быть вызвано осевыми или поперечными ударами во время работы, особенно когда вал насоса постоянно перемещается вверх и вниз во время пульсации газа. Выход из строя насоса может произойти, даже если один из испорченных подшипников (например, втулка) в роторном наборе (например, крыльчатка) действительно разрушится.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения электродвигатель содержит корпус, статор, установленный внутри корпуса, вал, установленный с возможностью вращения внутри корпуса, и подшипник ротора, содержащий карбидную втулку подшипника, присоединенную к валу металлическим элементом.
В соответствии одним или более аспектами настоящего изобретения подшипниковое устройство для использования с вращающимся валом содержит карбидную втулку, имеющую внутреннюю поверхность, образующую отверстие для размещения вала, и устройство для вращательного соединения твердосплавной втулки с валом.
Электрический погружной насос в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения содержит статор, вращающийся вал и подшипник ротора, расположенный между валом и статором, при этом подшипник ротора содержит карбидную втулку подшипника для размещения вала, причем карбидная втулка подшипника не образует шпоночный паз, и устройство для вращательного соединения твердосплавной втулки подшипника с валом.
Краткое описание чертежей
Наилучшее понимание изобретения будет обеспечено при прочтении приведенного ниже подробного описания с прилагаемыми чертежами. Следует отметить, что в соответствии со стандартной практикой в промышленности, различные элементы не чертятся в масштабе. В действительности, размеры различных элементов могут быть произвольно увеличены или уменьшены для простоты обсуждения.
Фиг.1 представляет собой схематичный вертикальный вид устройства в соответствии с одним или более аспектами изобретения, используемого в электрическом погружном насосе.
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе насосного электродвигателя электрического погружного насоса в соответствии с одним или более аспектами изобретения.
Фиг.3 представляет собой увеличенный вид узла подшипника ротора в соответствии с одним или более аспектами изобретения.
Фиг.4 представляет собой схематичный вид втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения, расположенной на валу между крыльчатками.
Фиг.5A представляет собой схематичный вид узла втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения, прикрепленного к валу.
Фиг.5B представляет собой сечение по линии I-I на Фиг.5A.
Фиг.6A представляет собой схематичный вид другого узла втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения, прикрепленного к валу.
Фиг.6B представляет собой сечение по линии I-I на Фиг.5A.
Фиг.7A представляет собой схематичный вид узла втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения.
Фиг.7B представляет собой вид сечения узла втулки подшипника по линии I-I на Фиг.7A.
Фиг.8A представляет собой схематичный торцевой вид втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения.
Фиг.8B представляет собой сечение втулки подшипника по линии I-I на Фиг.8A.
Фиг.9A представляет собой схематичный торцевой вид узла втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения.
Фиг.9B представляет собой схематичный вид узла втулки подшипника, показанного на Фиг.7A.
Фиг.10 представляет собой сечение втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения.
Подробное описание
Следует понимать, что следующее описание обеспечивает множество различных вариантов осуществления или примеров, для воплощения различных признаков различных вариантов осуществления. Конкретные примеры элементов и конструкций приведены ниже для упрощения описания. Конечно же, они являются только примерами и не предназначены для ограничения. Кроме того, в описании могут повторяться ссылочные позиции и/или буквы в различных примерах. Это повторение приводится для упрощения и ясности и само по себе не диктует отношения между различными вариантами осуществления и/или обсуждаемыми конфигурациями. Более того, расположение первого элемента над или на втором элементе в последующем описании может включать в себя варианты осуществления, в которых первый и второй элементы расположены в непосредственном контакте, и могут также включать в себя варианты осуществления, в которых дополнительные элементы могут быть расположены между первыми вторым элементами, так что первый и второй элементы могут и не быть в непосредственном контакте.
Аспекты изобретения относятся к узлам подшипника ротора, которые могут быть использованы, например, в различных типах насосов, сепараторах компрессоров и тому подобное. Для ясности и краткости аспекты изобретения описаны в основном со ссылкой на электрические погружные насосы и скважинные операции. Как использовать аспекты изобретения в устройствах (например, всасывателях, насосах, компрессорах, и так далее), отличных от электрических погружных насосов, станет понятно специалистам в данной области техники при прочтении данного описания.
Используемые здесь термины «вверх» и «вниз», «верхний» и «нижний», «верх» и «низ» и другие подобные термины, обозначающие относительные положения к заданной точке или элементу, используются для более ясного описания некоторых элементов. В основном, эти термины относятся к исходной точке как поверхности, из которой были начаты буровые операции, как к самой верхней точке и общей глубине скважины как к самой нижней точке, где скважина (например, ствол скважины, шурф) является вертикальной, горизонтальной или наклоненной относительно поверхности.
Фиг.1 представляет собой вертикальный вид погружной насосной системы, размещенной в скважине и содержащей насосный модуль и электродвигательный модуль. Насосный модуль 2 состоит из насоса 4 и входной или всасывающей секции 6 насоса. Электродвигательный модуль 8 содержит протектор 10 электродвигателя и электродвигатель 12. Насосный модуль и электродвигательный модуль соединены друг с другом и расположены соосно внутри скважины 14 и подвешены в соответствующем положении внутри скважины 14 на насосно-компрессорной трубе 16. Электрическая энергия подводится к электродвигателю посредством силового кабеля 18. Интересующий флюид (например, пластовый флюид, вода, углеводороды, и так далее) выкачиваются из скважины погружной насосной системой на поверхность через насосно-компрессорную трубу 16 и через устье 20 скважины.
На Фиг.2 показан электродвигатель 12 погружного насоса в соответствии с одним или более аспектами изобретения. Электродвигатель размещен в корпусе 22, в который входит электрический соединитель 24 для передачи энергии от кабеля 18 (см. Фиг.1). Электродвигатель содержит вращающуюся группу и невращающуюся группу. Вращающаяся группа включает в себя трансмиссионный вал 26, роторную секцию 28 и втулку 48. Показанная система содержит множество роторных секций 28 и втулок 48. В показанном варианте осуществления втулка 48 выполнена целиком или частично из карбида (например, керамического карбида), включая, но не ограничиваясь, карбид вольфрама, карбид кремния, нитрит алюминия, карбида бора, кобальт.
Невращающаяся группа включает в себя статор 34 и шейку(и) 36. Показанный статор 34 выполнен из металлических пластин. Статор 34 может быть выполнен с прорезями, проходящими соосно корпусу статора, через который проходят обмотки 38. Каждая шейка 36 расположена вокруг втулки 48 и расположена между статором 34 и соответствующей втулкой 48. В соответствии с одним или более аспектами изобретения каждый узел 30 подшипника ротора содержит втулку 38 и шейку 36. Роторная секция 28 расположена вплотную выше или ниже каждой шейки 36 в варианте осуществления, показанном на Фиг.2.
Фиг.3 представляет собой увеличенный вид части узла подшипника ротора в соответствии с одним или более аспектами изобретения. Каждая роторная секция 28, показанная на Фиг.3, включает в себя пластинчатый сердечник 40 ротора и медное концевое кольцо 42. Каждая роторная секция 28 имеет внешнюю стенку 44, которая расположена на расстоянии от внутренней стенки 46 статора 34. В соответствии с одним или более аспектами изобретения втулка 48 выполнена из карбида и присоединена с возможностью вращения (например, прикреплена) к трансмиссионному валу 26. В соответствии с одним или более аспектами изобретения узел подшипника содержит один или более элементов для уменьшения или ограничения концентрации напряжений на одном или более керамических карбидных элементах узла подшипника. Например, в соответствии с одним или более аспектами изобретения элементы могут быть использованы для ограничения момента вращения, приложенного к втулке 48, и/или для ограничения осевой или радиальной нагрузки на втулку 48 по отношению к втулке, которая не использует эти элементы. В соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения устройства, присоединяющие с возможностью вращения втулку 48 к валу 26, облегчают цилиндричность карбида без карбидного передающего вращательный момент элемента, такого как шпоночный паз или ему подобное, выполненные на карбидной поверхности втулки 48.
Роторные секции 28, при присоединении с возможностью вращения к валу 26, не прикреплены отдельно к валу 26 в осевом направлении. Однако самая нижняя роторная секция на конце вала 26 закреплена в осевом направлении на валу для поддержания других роторных секций. Втулки 48, при присоединении с возможностью вращения к валу 26, также не являются закрепленными на валу 26 в осевом направлении. Таким образом, роторные секции 28 и втулки 48 имеют определенную степень свободы для перемещения в осевом направлении, т.е. как вверх так и вниз, вследствие относительного температурного расширения и сжатия. В варианте осуществления, показанном на Фиг.3, верхняя кромка или кольцевой обод втулки 48, или нагруженная часть втулки 48, контактирует с верхней упорной шайбой 64, которая расположена вплотную к самой нижней пластине верхней роторной секции 28. Нижняя кромка втулки 48 контактирует с нижней опорной шайбой 64, которая расположена вплотную к самой верхней пластине нижней роторной секции 28. Опорные шайбы 64 выполнены из фенопласта. Таким образом, втулка 48 поддерживает вес роторной секции 28 непосредственно над собой и передает любое усилие от этой роторной секции к роторной секции непосредственно ниже. Со ссылкой на различные чертежи специалисты в данной области техники должны понимать, что втулка 48 может содержать один или более элементов для ограничения нагрузки, которая прилагается к керамической карбидной части втулки 48.
Невращающаяся группа включает в себя статор 34 и шейки 36. Каждая шейка 36 расположена вокруг втулки 48. Таким образом, место, где втулка 48 и шейка 36 примыкают друг к другу, является вращательной поверхностью 50. Множество расположенных в осевом направлении цилиндрических каналов 52 через шейку 36 обеспечивают прохождение масла через шейку 36 для того, чтобы масло, заполняющее электродвигатель, могло поступать в соседние роторные секции для охлаждения и смазки.
Шейка 36 радиально выступает от втулки 48 к внешней поверхности 54. Внешняя поверхность 54 немного отстоит от внутренней поверхности статора 34 в показанном варианте осуществления. Зазор между этими элементами обычно составляет от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0.009 дюйма (0,2286 мм). Таким образом, в варианте осуществления, показанном на Фиг.3, не существует контакта материал-материал между шейкой 36 и статором 34. Однако в соответствии с одним или более аспектами изобретения, как описано со ссылкой на последующие чертежи, шейка 36 может быть прикреплена (например, закреплена), например, к статору 34 (например, корпусу) посредством шпонки, проходящей между внешней поверхностью 54 и внутренней поверхностью 46.
В варианте осуществления, показанном на Фиг.3, внешняя поверхность шейки 36 представляет собой пару кольцеобразных поддерживающих областей 60 и 62. Уплотнения 56 и 58 расположены внутри кольцевых поддерживающих областей 60 и 62 и фрикционно соединены с внутренней поверхностью 46 статора 34. Кольцевые поддерживающие области 60 и 62 предпочтительно расположены на расстоянии друг от друга. В показанном варианте осуществления кольцевая поддерживающая область 60 расположена вплотную к верхней поверхности шейки 36, а область 62 расположена вплотную к нижней поверхности. Такое разнесение кольцевых поддерживающих областей и, следовательно, уплотнений может обеспечить улучшенное сопротивление угловому смещению вала.
Фиг.4 представляет собой схематичный вид втулки подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения, расположенной между крыльчатками. Элементы узла подшипника (например, корпус, шейка) не показаны на Фиг.4 для отображения узла втулки. В нагнетательном насосе, например, осевая нагрузка, генерируемая крыльчатками 100, передается через набор крыльчаток 100 и втулок 48 подшипников на опорный подшипник в протекторе (например, протекторе 10 электродвигателя, показанном на Фиг.1). Когда втулка 48 разрушается, усилие крыльчатки передается к соседним диффузорам, что может вызвать быстрый износ в абразивной среде скважины, например. В соответствии с одним или более аспектами изобретения втулка 48 (например, узел 49 втулки) может содержать элемент для передачи осевого ударного усилия через керамическую карбидную часть втулки, тем самым, по существу, удаляя элемент керамической карбидной втулки 48 из набора для ударной осевой нагрузки.
Элементы и/или признаки изобретения могут быть использованы в узлах подшипников ротора, как в подшипнике ротора, показанном на Фиг.3 (например, узле 30 подшипника ротора, показанном на Фиг.2), а также как в других настоящих и предшествующих узлах подшипников ротора. Примеры узлов подшипников ротора, используемых в электрических погружных насосных системах, включают в себя узлы, описанные в патентах США №№ 5,795,075, 6,091,175 и 6,424,066, каждый из которых включен сюда посредством ссылки.
Со ссылкой на Фиг.5A и Фиг.5B показан вариант осуществления подшипника ротора в соответствии с одним или более аспектами изобретения. На Фиг.4A и Фиг.4B показана бесшпоночная втулка 48 подшипника ротора (например, втулка 48 не имеет шпоночного паза), которая направляется приводным кольцом 66. В этом варианте осуществления втулка 48 является элементом из карбида кремния. Вал 26 содержит шпоночный паз 68, проходящий вдоль оси вала 26. Углубление 70 (например, впадина) может быть выполнено вдоль части шпоночного паза 68, например, для прикрепления узла к валу 26, например, в случае, когда шпоночный паз 68 не проходит на всю длину и/или до конца вала 26. Углубление 70 может быть описано как часть с диаметром, уменьшенным относительно внешнего диаметра вала 26 и шпоночного паза 68.
В этом варианте осуществления узел 49 втулки содержит элемент втулки 48, шпонку 72, имеющую противолежащие выступы 74 (например, ушки), и приводное кольцо 66. Узел 49 втулки может дополнительно содержать статорное кольцо 76. Приводное кольцо 66 содержит поверхность 78, имеющую выступ 80. Выступ 80 может иметь различную форму, такую как, включая, но не ограничиваясь, выступ, штифт, стержень или другая часть. В показанном варианте осуществления поверхность 78 является профильной поверхностью (например, синусоидальной), которая образует выступ 80. Выступ 80 выполнен с возможностью сопряжения с пазом 82, выполненным вдоль кромки 84 втулки 48.
Контакт между выступом 80 приводного кольца 66 и буртиком 84, например, в пазу 82 втулки 48 генерирует маленькое осевое усилие, которое стремится разделить элементы. Шпонка 72 соединяет приводное кольцо 66 и втулку 48 и стремится удерживать поверхность 78 и буртик 84 в контакте, противодействуя разделению, что может произойти, например, вследствие зазора, который обеспечивается для компенсации температурного расширения в роторе и ряде подшипников. Статорное кольцо 76 может быть расположено вдоль противоположного буртика (например, конца) втулки 48 от приводного кольца 66. Статорное кольцо 76 и приводное кольцо 66 прикреплены к втулке 48 посредством шпонки 72 и противоположенных выступов 74 шпонки. Узел 49 втулки обеспечивает механизм для вращательного блокирования (прикрепления, присоединения) втулки 48 на вале 26, так что они вращаются вместе, и допускает осевое смещение относительно вала 26, например, для компенсации температурного расширения. Шпонка 72 и приводное кольцо 66 обеспечивает блокирующий механизм, который исключает необходимость вырезания шпоночного паза во втулке 48, который создает нежелательный концентратор напряжений. Кроме того, использование шпонки 72, приводного кольца 66 и необязательного статорного кольца 76 может уменьшить осевую нагрузку, которая приложена к втулке 48, например, роторными секциями и/или крыльчатками. Блокирующие элементы, например, шпонка 72, приводное кольцо 66 и статорное кольцо 78 могут быть выполнены из различных материалов, таких как метал и сталь.
На Фиг. 6A и 6B показан другой вариант осуществления узла втулки в соответствии с одним или более аспектами изобретения. В этом варианте осуществления показано средство соединения или блокирования одного или более элементов узла подшипника ротора с другим элементом. Например, на Фиг.5A и Фиг.5B показана втулка 48 заблокированную от вращения относительно вала 26 без использования шпоночного паза или стопорного кольца.
Втулка 48 выполнена из карбидного материала, такого как карбид кремния. Втулка 48 содержит внутреннее отверстие 48a, образованное конической внутренней поверхностью 86. Цилиндрический элемент 88 (например, гильза, вкладыш), имеющий внешнюю поверхность 90 и внутреннюю поверхность 92, образующие отверстие 88a, расположен между втулкой 48 и валом 26. Элемент 88 в данном варианте осуществления является металлическим. Внешняя поверхность 90 является конической поверхностью, уменьшающейся по толщине от одного конца 102a элемента 88 к другому концу 102b. Коническая внешняя поверхность 90 соответствует внутренней конической поверхности 86 втулки 48. Элемент 88 образует осевую (например, продольный) прорезь 94, которая проходит радиально через элемент 88 от внутренней поверхности 92 к внешней поверхности 90 и может проходить частично или полностью по всей осевой длине элемента 88. Может быть выполнена одна или более прорезей 94. Например, вместо выполнения прорези 94, проходящей по осевой длине элемента 88, может потребоваться использовать одну или более прорезь 94, которые проходят меньше, чем на полную осевую длину элемента 88. Прорезь(и) 94 обеспечивает принудительное расширение и/или сжатие элемента 88 в диаметре и обеспечение фрикционного зажима вокруг вала 26. В соответствии с одним или более аспектами изобретения узел 49 втулки, содержащий карбидную втулку 48 и элемент 88, может уменьшить усилия (например, нагрузки), приложенные к карбидной втулке 48. Керамическая карбидная втулка 48 не требует отклонения и не имеет каких-либо концентрирующих напряжения выемок, шпоночных пазов и тому подобного.
В показанном узле 49 втулки элемент 88 принимает вал 26 в отверстие 88a, а карбидная втулка 48 подшипника принимает элемент 88 в отверстие 48a (например, коаксиально выровненное с элементом 88). Противоположные концы 102a, 102b внутреннего элемента 88 выступают за осевые противоположные концы карбидной втулки 48 подшипника. В этом варианте осуществления элемент 96 (например, кольцо) прикреплен к элементу 88 (например, концу 102b) например, посредством резьбы вплотную к концу втулки 48 (например, нижнему концу). Показанное отверстие 98a предназначено для подсоединения гаечного ключа к присоединенному на резьбе кольцу 96 к элементу 88. Смещающий элемент 98 показан смещенным между кольцом 96 и втулкой 48. Смещающий элемент 98 (например, листовая пружина, пружина Бельвиля, волнистая пружина) поддерживает сопряжение втулки 48 с элементом 88 на протяжении диапазона температурного сжатия и расширения элементов относительно друг друга. В соответствии с одним или более аспектами изобретения узел 49 втулки, содержащий элемент 88 (например, металлический), карбидную втулку 48 и одно или более колец 96 и смещающий элемент 98, может уменьшить осевое усилие, приложенное к карбидной втулке 48.
На Фиг.7A и Фиг.7B показаны схематичные вид другого варианта осуществления узла втулки подшипника ротора в соответствии с одним или более аспектами изобретения. Узел 49 втулки подшипника содержит внутренний цилиндрический элемент 102 (например, трубку, втулку, кольцо и так далее), имеющий внутренне отверстие 103 для размещения вала и элемента втулки 48, соосно смещенные над, по меньшей мере, частью внутреннего элемента 102. В показанном варианте осуществления втулка 48 выполнена из керамического карбида, а внутренний элемент 102 выполнен из металла. Внутренний элемент 102 содержит концевой выступ 104, выступающий радиально от отверстия 103. Концевой выступ 102 может иметь поверхность (например, оконтуренную), обеспечивающую выступ 80 сопряжение с углублением 82, выполненным на элементе 48 втулки, которые могут предотвратить вращение втулки 48 и внутреннего элемента 102 относительно друг друга. В показанном варианте осуществления элемент 96 (например, кольцо, гильза) присоединен к концу 102b (например, с помощью резьбы) внутреннего элемента 102, противоположному концу 102a и концевому выступу 104, таким образом, внутренний элемент 102, который выполнен из метала в этом варианте осуществления, выступает за концы 47a и 47b внешней втулки 48, обеспечивая средство для передачи осевой нагрузки через керамическую карбидную втулку 48, вместо того, чтобы осевая нагрузка действовала на карбидную втулку 48, как, например, показано в варианте осуществления на Фиг.4. Узел 49, показанный на Фиг.7A и Фиг.7B, может содержать один или более элементов для облегчения присоединения, например, узла втулки к валу. Некоторые примеры соединения или присоединения элементов включают, но не ограничиваются, шпонки, шпоночные пазы, крючки, резьбы, узлы, такие как показанные на Фиг.5A-5B и Фиг.6A-6B.
Фиг.8A и Фиг.8B представляют собой схематичные виды керамической карбидной втулки 48 подшипника в соответствии с одним или более аспектами изобретения. Втулка 48 содержит внутреннюю поверхность 86, образующую отверстие 48a, и внешнюю поверхность 51, которая может обеспечивать вращающуюся поверхность 50 с шейкой 36, как показано на Фиг.3. В этом варианте осуществления металлическая шпонка 106 предусмотрена на внутренней поверхности 86 для блокирования вращения втулки 48 на валу 26 и шпонке 68 (см. Фиг.5A и Фиг.5B). В показанном варианте осуществления шпонка(и) 106 прикреплена(ы) к внутренней поверхности 86 с помощью металлургического соединения (например, пайки, сплавки, пайки серебряным припоем, сварки и спекания).
Вырезание шпоночного паза во внутреннем диаметре втулки 48 для зацепления закладной шпонки, которая может входить в шпоночный паз вала, создает концентратор напряжений. В показанном варианте осуществления один или более присоединенных (например, подсоединенных, прикрепленных) элементов 106, которые показаны в виде шпонок на Фиг.7A и Фиг.7B, прикреплены к внутреннему диаметру втулки 48 с помощью металлургического соединения. Металлургическое соединение (например, пайка, сплавление) образует соединение, которое является достаточно прочным для легких усилий, которые шпонка должна передавать от вала к втулке 48. Для компенсации разности температурного расширения металлической шпонки 106 вдоль осевой длины втулки 48, шпонка 106 может быть выполнена в виде относительно коротких секций. Если требуется большая прочность на сдвиг и/или большее шпоночное зацепление, то множество шпонок 106 может быть прикреплено к втулке 48 для увеличения прочности на сдвиг и для обеспечения большего контакта между валом и втулкой. Металлургическое соединение металлической шпонки(ок) 106 с керамической карбидной втулкой 48 представляет собой меньший концентратор напряжений, чем шпоночный паз, выполненный во втулке 40, или углубление, выполненное на концевой плоскости втулки 48, потому что оно не создает прерывания непрерывной цилиндрической поверхности втулки 48. Кроме того, эта конфигурация может обеспечивать более короткий узел втулки и/или узел подшипника ротора по сравнению с обычным узлом подшипника.
Фиг. 9A-9B представляют собой схематичные виды другого варианта осуществления втулки в соответствии с одним или более аспектами изобретения. В показанном варианте осуществления узел 49 втулки содержит керамическую карбидную втулку 48, соосно принимающую или поддерживаемую внутренним элементом 102 (например, трубкой, втулкой), выполненной, например, из металла. Керамическая карбидная втулка 48 и металлический внутренний элемент 102 могут быть соединены с помощью металлургического соединения. Внутренний элемент 102 обеспечивает соединительный элемент 106 для присоединения узла 49 втулки, например, к валу 26 (например, Фиг.3, Фиг.4, Фиг.5A и Фиг.5B) для передачи вращения. В показанном варианте осуществления соединительный элемент 106 является шпоночным пазом для зацепления шпонки 107, которая присоединена к валу 26. Показанная шпонка 107 является закладной шпонкой, размещенной в шпоночном пазу 106 узла 49 втулки и шпоночном пазу 68 вала 26. Другие примеры соединительных элементов 106 включают, но не ограничиваются, шпонки, зубцы, отверстия, резьбы и крюки. Например, соединительный элемент 106 может быть металлической шпонкой, присоединенной к внутреннему элементу 102 или образованному внутренним элементом 102. В показанном варианте осуществления на Фиг.9A и Фиг.9B концы 102a и 102b внутреннего элемента 102 выступают за концы втулки 48, например, для передачи осевых нагрузок вокруг втулки 48.
В показанном варианте осуществления также проиллюстрированы канавки 108. Шлицевание керамической карбидной втулки 48, например, для образования канавок 108 может способствовать регулируемому разламыванию втулки 48. В другом варианте осуществления втулка 48, описанная со ссылкой на Фиг.9A и Фиг.9B, содержит множество керамических карбидных плиток 112, присоединенных к внутреннему элементу 102, например, металлургическим соединением или неметаллургическим соединением. Множество плиток 112 может способствовать разламыванию и разрушению по сравнению с монолитным керамическим карбидным элементом вследствие температурного расширения и сжатия или отклонения при нагрузке.
Внутренний металлический элемент может содержать элементы для снятия напряжений, чтобы уменьшить проблемы, возникающие вследствие температурного расширения, например, посредством обеспечения деформации элемента 102 в одном направлении при одновременном сохранении его прочности в другом. Например, металлическая втулка или трубка может содержать осевые прорези 94 (например, щели), как показано на Фиг.6A и Фиг.6B. Со ссылкой на Фиг.10 показанные элементы 110 для снятия напряжений образованы через внутренний металлический элемент 102. В варианте осуществления, показанном на Фиг.10, элементы 110 для снятия напряжений не образованы через керамическую карбидную втулку 48.
Металлические сплавы, которые обычно используются в электрических погружных насосах, имеют коэффициент температурного расширения значительно выше, чем у керамических карбидных материалов, используемых в компонентах подшипника. Коэффициент температурного расширения (микродюймы/градус Фаренгейта) для карбида вольфрама составляет 3,9, в то время как для легированных сталей находится в диапазоне от примерно 6,3 до 8,3 (например, для монеля равен 7,8 и для инконеля равен 6,4). Эта разность коэффициента температурного расширения может привести к разрушению или растрескиванию карбида. Для уменьшения таких проблем металлические элементы могут быть выполнены, например, из железо-никелевого или железо-никель-кобальтового сплавов, имеющих коэффициент температурного расширения, более точно совпадающий с коэффициент температурного расширения керамических карбидных элементов.
В вышеприведенном описании описаны признаки нескольких вариантов осуществления, так чтобы специалисты в данной области техники лучше поняли аспекты изобретения. Признаки и/или аспекты изображенных вариантом осуществления изложены для иллюстрации и описания, тем самым специалисты в данной области техники должны понимать, что различные признаки и аспекты изображенных вариантов осуществления могут быть скомбинированы друг с другим, не показанным способом. Специалисты в данной области техники оценят, что они могут легко использовать описание как основу для создания или изменения других процессов и конструкций для достижения тех же целей и/или достижения тех же преимуществ представленных здесь вариантов осуществления. Специалисты в данной области техники также поймут, что такие эквивалентные конструкции не выходят за рамки сущности и объема изобретения, и что могут быть сделаны различные изменения, замены и дополнения, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения. Объем изобретения должен определяться только формулой изобретения. Термин «содержащий» в формуле изобретения следует понимать как «включающий в себя, по меньшей мере», так что перечисленный список элементов в формуле изобретения является открытой группой.