專利名稱：采用復(fù)合材料的連續(xù)腔室泵的制作方法
本申請是1995年5月22日提交的同時待審申請08/447122的分案專利申請和部分繼續(xù)申請，而該專利申請是1994年2月14日提交的申請08/194835的部分繼續(xù)申請，申請08/194835現(xiàn)在為美國專利US5417281，下面，兩者都被引作參考。
本發(fā)明涉及對一種連續(xù)腔室泵的改進，這種連續(xù)腔室泵由一螺旋(helicoidal)轉(zhuǎn)子和一互補的螺旋定子構(gòu)成，二者配合工作，這種泵也稱之為“Moineau泵”。它廣泛用于許多工業(yè)領(lǐng)域。
連續(xù)腔室泵是授予Moineau的題為“齒輪機構(gòu)”的美國專利US1892217所公開的。當螺旋轉(zhuǎn)子相對于螺旋定子旋轉(zhuǎn)時，二者沿著一密封線互相接合，形成在軸向上連續(xù)的腔室。由于Moineau泵所需的密封和滑動接合，定子和轉(zhuǎn)子受到大范圍磨損，這就需要經(jīng)常更換定子和/或轉(zhuǎn)子。市售的以及在現(xiàn)有技術(shù)中公開的Moineau泵需拆下很多泵體部件才能更換磨損了的定子和/或轉(zhuǎn)子，這還會導(dǎo)致由于停機時間而造成的損失。在用于井孔(無論是鉆井還是采油)時，降低停機次數(shù)和延長泵的使用壽命都是理想的目標。
由于Moineau泵的特性，轉(zhuǎn)子中心線需要相對于定子中心線作軌道運動(orbit)或旋轉(zhuǎn)運動(gyrate)，或者相反，其它部件因此而受到影響。因此，存在很大的撓曲，要獲得部件的長使用壽命必然要考慮這種撓曲。在這種Moineau泵中有許多萬向節(jié)、撓性軸和用于補償軌道或旋轉(zhuǎn)形式的運動的機械連接。在這方面US4923376做了許多公開。
迄今，通常的Moineau泵都是采用橡膠或其它彈性材料粘接于鋼材作為定子接觸面。這類彈性體不僅包括天然橡膠，而且包括合成材料，例如G.R.S、氯丁橡膠、丁基和腈橡膠，還有其它材料，例如軟PVC。當然，關(guān)鍵是使彈性體軟到足以密封腔室，同時又要硬到足以承受轉(zhuǎn)子與定子之間由于工作接觸造成的磨損。在這些例子中，轉(zhuǎn)子通常由鋼材制成。由于彈性體在螺旋體的頂部必須模制得較厚才能形成連續(xù)的腔室，這樣損失了泵的部分效率。這種厚度的不均勻形成壓差，在壓力增加處形成被泵送流體的旁路。這樣，在壓力增加處泵的效率就較低。由于厚度不同，所以存在著不同的膨脹特性和流量，這使得泵做更多的功，產(chǎn)生更多的摩擦熱。
在高溫環(huán)境下不優(yōu)先選用橡膠作為定子接觸面，這時因為橡膠的熱傳導(dǎo)性差。此外，當連續(xù)腔室泵的直徑、長度和流動特性增加時，要保持橡膠對于鋼材的良好和耐久的粘接就更加困難了。而且，眾所周知，當被泵送材料由烴類構(gòu)成(例如油井中生產(chǎn)的石油)時，橡膠就會變質(zhì)。在美國專利US3912426中講授了一種解決這些問題的嘗試，其中采用多個定子，這些定子與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)子串接，而這些轉(zhuǎn)子是獨立的，但被連接在一起。然而，其定子仍然是由橡膠制成。
由于合成纖維具有高強度、高硬度、重量輕等特性，其被用于各種產(chǎn)品，但是尚未成功地用于Moineau泵的設(shè)計。
本發(fā)明的總的目的是為連續(xù)腔室泵提供新的形式的定子、轉(zhuǎn)子和撓性軸，以提高其效率和使用壽命。因此，本發(fā)明的首要目的是單一采用復(fù)合物或復(fù)合物變體，或采用其與彈性體的結(jié)合來構(gòu)造連續(xù)腔室的定子和/或轉(zhuǎn)子和/或撓性軸。
另一個目的是提供按照本發(fā)明制造的連續(xù)腔室泵的使用，它能夠用于從井中生產(chǎn)流體，例如在前述同時待審的申請和美國專利US 5417281中所講授的，以及其它地上的使用情況。


圖1是典型的連續(xù)腔室泵的剖面圖。
圖2是沿圖1中的2-2線的剖面圖。
圖3是另一種形式的連續(xù)腔室泵的剖面圖。
圖4是構(gòu)成一個部件的復(fù)合組合撓性軸與轉(zhuǎn)子的立面圖。
圖5是與撓性軸分開構(gòu)成的復(fù)合轉(zhuǎn)子的立面圖。
圖6示出形成連續(xù)腔室泵的撓性軸和/或轉(zhuǎn)子的一種方法。
圖7是撓性軸的一種備選形式的立面圖，該撓性軸具有一固定(buildin)撓點。
雖然前面對本發(fā)明做了一定的具體表述，但在不背離所公開內(nèi)容的精神和范圍的前提下可以對結(jié)構(gòu)細節(jié)和部件的分布作出各種改進。應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于在此提出的實施例，該實施例的目的僅僅是為了舉例說明，對本發(fā)明進行限定的是權(quán)利要求書。
圖1簡要地示出一種典型的連續(xù)腔室或Moineau泵。這種泵包括一主殼體10，被泵送的材料從通道12進入該殼體，從泵的出口r4流出。本領(lǐng)域所公知的是，泵本身由螺旋定子20和螺旋轉(zhuǎn)子30構(gòu)成。轉(zhuǎn)子與撓性軸40連接，撓性軸40又通過適當?shù)拿芊廨S52與旋轉(zhuǎn)動力源50連接。但是應(yīng)該理解，本發(fā)明也適用于其它形式的連續(xù)腔室泵，例如在美國專利US5417281和1995年5月22日提交的同時待審的專利申請08/447122中公開的連續(xù)腔室泵。這就是說，本發(fā)明適用于各種形式的連續(xù)腔室泵，本發(fā)明涉及的是使用復(fù)合材料來構(gòu)成定子和/或轉(zhuǎn)子和/或撓性軸。復(fù)合材料一般包括碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、熱塑纖維、天然纖維、金屬纖維、纖維加強織物、帶和合成纖維，它們一般都浸漬以熱固樹脂。典型的這類熱固樹脂有醇酸聚酯、通用環(huán)氧樹脂、通用酚醛和脲醛化合物。
定子現(xiàn)在參考圖2和3所示的橫剖面對定子的構(gòu)成進行最佳描述，圖中描述了不同的實施例，其中定子的各部分分別以22、24和26表示，后者是一個將轉(zhuǎn)子30密封在腔室28內(nèi)的表面。不同實施例可以通過不同的方法形成，包括模制和/或機加工，因此可以提供適用于各種連續(xù)腔室泵的應(yīng)用環(huán)境的結(jié)構(gòu)。雖然附圖示出采用了外殼10，但應(yīng)理解，可使用不帶外殼10的定子區(qū)域構(gòu)造本發(fā)明。
實施例A在本實施例中，區(qū)域22和24由一種復(fù)合材料制成，其用作橡膠彈性體制成的螺旋內(nèi)襯層26的支承結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子30包括鋼材或復(fù)合材料，這在后面將予以描述。
實施例B在本實施例中，區(qū)域22和24由復(fù)合材料制成，而螺旋內(nèi)襯層26由熱塑樹脂構(gòu)成。
實施例C在本實施例中，復(fù)合材料構(gòu)成整個定子，包括區(qū)域22、24和26。
實施例D在本實施例中，區(qū)域22和24由既可機加工又可模制的硬化的材料，例如鋼材或陶瓷制成，并帶有由復(fù)合材料制成的粘接內(nèi)襯層26。
實施例E支承結(jié)構(gòu)是由復(fù)合材料制成的22和24，復(fù)合材料中包括具有一定彈性的樹脂，內(nèi)轉(zhuǎn)子接觸面26由彈性很小和沒有彈性的復(fù)合材料制成。本實施例的定子改善了在轉(zhuǎn)子與定子表面之間的密封，因此，不僅降低了泵送過程中產(chǎn)生的熱，而且提高了機械效率。由于這種復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)較高，而且能夠吸收泵送過程所產(chǎn)生的摩擦熱，所以這種結(jié)構(gòu)允許定子部件一起膨脹和收縮。
實施例F區(qū)域22和24可以由橡膠彈性體制成，內(nèi)轉(zhuǎn)子接觸面26是一種粘接的復(fù)合材料。在本實施例中，彈性體與腐蝕性或磨損性的流體產(chǎn)品和固體產(chǎn)品隔開，并避免了轉(zhuǎn)子與定子之間的毀壞性的摩擦。
現(xiàn)在參考圖3，一種組合的定子和轉(zhuǎn)子以不同方式形成。在一個實施例中，定子的內(nèi)表面26可以是一種具有彈性的復(fù)合材料，外部支承區(qū)域22/24為一種不可壓縮(non-compressible)復(fù)合材料，轉(zhuǎn)子由鋼材或不可壓縮復(fù)合材料制成。如果轉(zhuǎn)子30由一內(nèi)芯98和外表面100兩部分組成，則可以有各種可能的組合。例如，如果內(nèi)芯98為一種不可壓縮復(fù)合材料，外表面100是一種彈性復(fù)合材料或橡膠，則包括區(qū)域22、24和26在內(nèi)的定子最好為不可壓縮材料的。反之，如果內(nèi)芯98是彈性復(fù)合材料的，而外表面100為非彈性復(fù)合材料的，則定子20的元件22、24和26為非彈性不可壓縮材料的，或者表面26為一種彈性復(fù)合材料，而區(qū)域22和24為不可壓縮復(fù)合材料。
轉(zhuǎn)子和撓性軸在本發(fā)明的與任何定子的實施例配合使用的優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)子由一種全復(fù)合材料制成。一種備選實施例是，將轉(zhuǎn)子30與撓性軸40制成如圖4所示的一單一整體件，或如圖6所示的單獨的轉(zhuǎn)子，其可以連接于一單獨制成的撓性軸。轉(zhuǎn)子和撓性軸可以以若干方法形成，例如采用一種樹脂傳遞模制(resin transfer mold)(RTM)以形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。圖6示出一種形成撓性軸和/或轉(zhuǎn)子的方法。金屬或復(fù)合端部件40和62分別包括模制的或機加工出的外螺紋部分64和66，分別用于將一端連接于轉(zhuǎn)子，將另一端連接于旋轉(zhuǎn)動力源。所述端部件包括第一內(nèi)肩68和70，用于在軸向上保持復(fù)合纖維，以提供抗拉伸和抗剪切強度。與內(nèi)肩相鄰的分別為多邊形平面，例如六邊形平面72和74。內(nèi)圓柱部分76和78提供了保持芯軸80的表面。芯軸80可以為任何材料的，例如塑料或金屬，并用于組裝部件，為形成撓性軸的復(fù)合結(jié)構(gòu)提供支承。芯軸80內(nèi)部和其本身都具有撓性。在組裝了部件60、62和80之后，通過相對于浸漬樹脂的復(fù)合纖維86在一個角度方向上，而相對于纖維88在相反的方向上(一般為45°，如圖所示)旋轉(zhuǎn)該組件，或通過圍繞芯軸旋轉(zhuǎn)纖維來纏繞浸漬了樹脂的復(fù)合纖維，直到其高度與凸緣60與62的外徑相當。每層增加0.025至0.040英寸(0.64至1.00mm)。所用的樹脂占最后的復(fù)合物的40％，由于用所示的方法對復(fù)合物86和88進行包裹，所以纖維的取向與撓性軸的剪切平面呈一角度。因此，正如所描述的，這種結(jié)構(gòu)允許撓性軸相對于操作連續(xù)腔室泵所需的軸向動力源作軌道或偏心運動。
用于連續(xù)腔室泵的撓性軸和轉(zhuǎn)子通常是由鋼材制成。而復(fù)合撓性軸可以采用非各向同性(anti-isotropil)材料。要增大鋼質(zhì)撓性軸的撓性，可減小其壁厚，或者減小直徑。這兩種方法都降低了金屬撓性軸的強度，特別是疲勞強度。使用一種復(fù)合纖維，以及一種纖維的排列，以便在壁厚較大的情況下提供最大的強度和在偏心軌道運動中所需的最大撓度。復(fù)合材料在疲勞強度方面自然比金屬強，而且不會生銹、腐蝕或與石油生產(chǎn)環(huán)境中遇到的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，這種材料可以在超過600°F(315℃)的環(huán)境下使用?？偠灾?，復(fù)合材料的強度、疲勞強度和硬度會等于，在多數(shù)情況下會超過特定的金屬，包括鈦、鋼、鋁等等。
一個連續(xù)腔室泵的例子的構(gòu)成材料為Owens Corning的E型玻璃纖維殼牌化學(xué)公司的DPL環(huán)氧樹脂Lindeau公司的Lindride 6K硬化劑0.075”厚的未固化的橡膠片材附加了Telflon和由Kirkhill Rubber公司提供的潤滑劑。定子通過將橡膠條帶纏繞在螺旋芯軸上形成。然后將玻璃纖維和附加了硬化劑的樹脂(比率為100/88樹脂/硬化劑)的復(fù)合物纏繞到所述橡膠上。然后在大約300°F(150℃)的爐中固化。該組合物變得基本上不可壓縮了。螺旋轉(zhuǎn)子由鋼制成。初步測試證明其壽命比一般的彈性橡膠定子的壽命長。
一撓性軸如圖6所示，其材料成分如下E型玻璃纖維DPL環(huán)氧樹脂Lindride6K硬化劑機加工金屬端部配件用菲利浦石油公司出售的名稱為DRISCOLL的聚稀烴軟管80作為芯管，它與端部件60和62連接，并將兩端部件隔開。然后將玻璃纖維和環(huán)氧樹脂以如圖所示的±45℃(88和86)方向纏繞到組件上，直到其構(gòu)成理想的外徑。
圖7示出撓性軸的另一實施例，其上形成一直徑小于D的凹入部從而產(chǎn)生了撓性點94。該撓性點的位置隨泵的特性而變化，例如泵的尺寸，被泵送的材料等等。可以由計算機控制，通過在需要撓曲的點或區(qū)域改變復(fù)合纖維和/或樹脂材料的角度方向來形成該撓性點。例如，在細絲以+45°或-45°纏繞到段96上(圖7)的過程中，角度方向應(yīng)該變化為小于45°的角，以在不降低總的直徑D的情況下形成一撓性段。
關(guān)于復(fù)合物的術(shù)語“彈性”，通過變化復(fù)合纖維和/或樹脂的配方實現(xiàn)。例如，將重量百分比為20-40％的殼牌化學(xué)公司的HELOXY撓性劑加入到DPL-862環(huán)氧樹脂中。然后將其與一種硬化劑和TEFLON粉末以一定量混合，硬化劑和TEFLON的用量使其保持為一種可塑(可流動的)混合物，然后將其施加到形成定子和/或轉(zhuǎn)子的纖維中。將所形成的復(fù)合材料放入300-400°F(150-200℃)的爐中大約四小時，使其固化。
權(quán)利要求
1．一種連續(xù)腔室泵，包括具有內(nèi)螺旋槽的定子；在所述定子內(nèi)運作的螺旋轉(zhuǎn)子；所述定子和所述轉(zhuǎn)子中至少一個或兩者都由復(fù)合材料制成；和使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，所述定子包括一個與所述轉(zhuǎn)子接觸的彈性內(nèi)表面。
3．如權(quán)利要求1所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，所述定子為采用彈性體襯里的復(fù)合物，所述轉(zhuǎn)子由鋼材制成。
4．如權(quán)利要求1所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括復(fù)合撓性軸，其與使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的裝置連接。
5．如權(quán)利要求4所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，所述撓性軸包括第一金屬端部件和第二金屬端部件，位于二者之間并與其相連的是復(fù)合材料，所述第一端具有與所述轉(zhuǎn)子連接的結(jié)構(gòu)，所述第二端具有與所述使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的裝置連接的結(jié)構(gòu)。
6．如權(quán)利要求5所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，各所述第一和第二金屬端部件沿軸向包括，接收所述復(fù)合材料的內(nèi)表面部分、帶有與所述轉(zhuǎn)子連接的結(jié)構(gòu)的外部分和凸緣，其直徑基本上等于在所述內(nèi)部分和外部分之間的所述撓性軸的理想的直徑，所述內(nèi)部分在較大的多邊軸桿和所述凸緣之間具有直徑減小的頸部。
7．如權(quán)利要求6所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，通過絲線纏繞操作，以相對所述撓性軸的軸線呈+45°和-45°角度的交替層而形成所述復(fù)合材料。
8．如權(quán)利要求4所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，所述撓性軸包括第一復(fù)合端部件和第二復(fù)合端部件，在二者之間并與二者相連的是復(fù)合材料，所述第一端具有與所述轉(zhuǎn)子連接的結(jié)構(gòu)，所述第二端具有與所述使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的裝置連接的結(jié)構(gòu)。
9．如權(quán)利要求5所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，各所述第一和第二復(fù)合端部件沿軸向包括接收所述復(fù)合材料的內(nèi)表面部分、帶有與所述轉(zhuǎn)子連接的結(jié)構(gòu)的外部分和凸緣，所述凸緣直徑基本上等于在所述內(nèi)部分和外部分之間的所述撓性軸的理想的直徑，所述內(nèi)部在較大的多邊軸桿與所述凸緣之間具有直徑減小的頸部。
10．如權(quán)利要求6所述的連續(xù)腔室泵，其特征在于，通過絲線纏繞操作，以相對所述撓性軸的軸線呈+45°和-45°角度的交替層而形成所述復(fù)合材料。
11．一種連續(xù)腔室泵，包括定子，所述定子包括整體的支承部分和粘接的內(nèi)螺旋面部分，所述支承部分由復(fù)合材料構(gòu)成，所述螺旋面部分由被粘接的材料制成；在所述定子內(nèi)運轉(zhuǎn)的螺旋轉(zhuǎn)子；用于轉(zhuǎn)動所述轉(zhuǎn)子的裝置。
12．如權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述復(fù)合材料基本上無彈性的，所述被粘接的材料是一種彈性體。
13．如權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述被粘接的材料是一種彈性復(fù)合物。
14．如權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述復(fù)合材料是彈性的，所述被粘接的材料是一種剛性復(fù)合物。
15．如權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子是一種剛性復(fù)合物。
16．如權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括內(nèi)部的剛性復(fù)合材料，其粘接了外部的彈性材料。
17．如權(quán)利要求16所述的泵，其特征在于，所述彈性材料是一種彈性體。
18．如權(quán)利要求16所述的泵，其特征在于，所述彈性材料是一種復(fù)合物。
19．如權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述用于轉(zhuǎn)動所述轉(zhuǎn)子的裝置包括復(fù)合材料撓性軸。
20．如權(quán)利要求19所述的泵，其特征在于，所述撓性軸包括一主體，該主體由隔開的金屬端部件和連接于各所述端部件的撓性軸向芯軸形成，所述端部件連接所述轉(zhuǎn)動裝置和所述轉(zhuǎn)子，和用復(fù)合材料絲線和樹脂纏繞所述芯軸，形成所述主體。
21．如權(quán)利要求20所述的泵，其特征在于，所述纏繞絲線和樹脂相對于所述芯軸軸線交替地呈+45°和-45°角度纏繞。
22．如權(quán)利要求20所述的泵，其特征在于，在所述撓性軸上形成一段撓性段。
23．如權(quán)利要求22所述的泵，其特征在于，所述纏繞絲線和樹脂的所述部分以相對于所述軸線呈45°的角度纏繞，而另一部分以＜45°的角度纏繞，以形成所述撓性段。
24．如權(quán)利要求22所述的泵，其特征在于，所述撓性段由一段內(nèi)凹形成。
25．如權(quán)利要求24所述的泵，其特征在于，所述內(nèi)凹是曲線的。
26．如權(quán)利要求25所述的泵，其特征在于，所述曲線在軸向橫剖面上是凹入的。
27．如權(quán)利要求19所述的泵，其特征在于，所述撓性軸包括主體，該主體由隔開的復(fù)合端部件和連接于各所述端部件的撓性軸向芯軸形成，所述端部件連接所述轉(zhuǎn)動裝置和所述轉(zhuǎn)子，和用復(fù)合材料絲線和樹脂纏繞所述芯軸，以形成所述主體。
28．如權(quán)利要求27所述的泵，其特征在于，所述纏繞絲線和樹脂相對于所述芯軸軸線交替地呈+45°和-45°角度纏繞。
29．如權(quán)利要求27所述的泵，其特征在于，在所述撓性軸上形成一段撓性段。
30．如權(quán)利要求29所述的泵，其特征在于，所述纏繞絲線和樹脂的所述部分以相對于所述軸線呈45°的角度纏繞，而另一部分以＜45°的角度纏繞，以形成所述撓性段。
31．如權(quán)利要求29所述的泵，其特征在于，所述撓性段由一段內(nèi)凹形成。
32．如權(quán)利要求31所述的泵，其特征在于，所述內(nèi)凹是曲線的。
33．如權(quán)利要求32所述的泵，其特征在于，所述曲線在軸向橫剖面上是凹入的。
全文摘要
連續(xù)腔室泵的定子、轉(zhuǎn)子和/或撓性軸由復(fù)合材料,例如玻璃纖維和樹脂,以帶或不帶粘接的彈性體的多種組合構(gòu)成。選擇復(fù)合材料的成分,在所需要的地方提供彈性和非彈性。在旋轉(zhuǎn)動力源與轉(zhuǎn)子之間的撓性軸由復(fù)合材料制成,并設(shè)計成可吸收轉(zhuǎn)子的軌道和旋轉(zhuǎn)運動。
文檔編號E21B43/12GK1216596SQ97194035
公開日1999年5月12日 申請日期1997年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月24日
發(fā)明者史蒂文·M·伍德, 布賴恩·E·斯潘塞 申請人:史蒂文·M·伍德