螺杆泵
阅读：733发布：2020-05-11
专利汇可以提供螺杆泵专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 螺杆 泵 (6)，包括 外壳 (19)、包括螺旋圆筒(10)的螺旋 定子 (8)，以及螺旋 转子 (7)，其能够在所述螺旋圆筒(10)的内部旋转。该螺旋定子(8)也包括至少一个补偿器(11)，其被布置在所述外壳(19)中，位于所述外壳(19)和所述螺旋圆筒(10)之间；所述螺旋圆筒(10)和所述补偿器(11)在垂直于该外壳的纵轴线(X-X)的方向上可 变形 。，下面是螺杆泵专利的具体信息内容。
1.螺杆泵(6、20、22、27)包括：
-圆筒形外壳(19)，具有纵轴(X-X)；所述外壳(19)在一个端部设有进口孔(14)，并且在它的相对端部设有出口孔(15)，
-螺旋定子(8、28)，被容纳在所述外壳(19)的内部；所述螺旋定子(8、28)包括具有与所述外壳(19)的所述纵轴线(X-X)重合的中心轴线(Y-Y)的螺旋圆筒(10、29)；
-螺旋转子(7)，适于在所述螺旋圆筒(10、29)的内部旋转，从而将流体从所述进口孔(14)朝着所述出口孔(15)移动，
其特征在于所述螺旋定子(8、28)进一步包括至少一个补偿器(11、18、21、23)，所述至少一个补偿器被布置在所述外壳(19)的内部并位于所述外壳(19)和所述螺旋圆筒(10、
29)之间；所述螺旋圆筒(10、29)和所述补偿器(11、18、21、23)被适配为在垂直于所述纵轴线(X-X)的方向上变形。
2.根据权利要求1所述的螺杆泵(6、20、22、27)，其中所述螺旋转子(7)被适配为以旋转频率旋转，并且其中所述至少一个补偿器(11、18、21、23)能够将所述螺旋转子(7)和螺旋定子(8、28)组合件的固有频率从所述螺旋转子(7)的旋转频率解耦合；所述至少一个补偿器(11、18、21、23)由刚性系数(K)定义，其满足下列关系：
2
Ko≤(1/9).M.W
其中：
-W是所述螺旋转子(7)的旋转频率，
-M是所述螺旋转子(7)和所述螺旋定子(8、28)的总质量。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的螺杆泵(6、20、22、27)，其中所述至少一个补偿器(11、18、23)具有闭合轮廓。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的螺杆泵(6、22、27)，其中所述至少一个补偿器(11、18、23)具有椭圆横截面。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的螺杆泵(20)，其中所述至少一个补偿器(21)具有开放轮廓。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的螺杆泵(6、20、27)，其中所述至少一个补偿器(11、18、21)被布置在所述螺旋圆筒(10)的凹进部分(12)上。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的螺杆泵(22)，其中所述至少一个补偿器(23)被布置在所述螺旋圆筒(10)的凸出部分(13)上。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的螺杆泵(6、20、22、27)，其中所述螺旋定子(8、
28)包括沿所述外壳(19)均匀分布的多个补偿器(11、18、21、23)。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的螺杆泵(6、20、22、27)，其中所述螺旋定子(8、
28)包括单个补偿器，所述补偿器为螺旋形状，围绕所述螺旋圆筒(10、29)布置。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的螺杆泵(6、20、22、29)，其中所述补偿器(11、
18、21、23)由金属或复合材料制成。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的螺杆泵(6、20、22)，其中所述螺旋定子(8)包括被固定到所述螺旋圆筒(10)的内面的弹性层(9)。
12.根据权利要求11所述的螺杆泵(6、20、22)，其中所述弹性层(9)具有介于0.5厘米到2厘米之间、特别地从0.5到1.5厘米之间的厚度。
13.如权利要求1到12中任一项所述的螺杆泵(6、20、22、27)的用于泵抽流体以及用于泵抽带有固体颗粒的液体和气体的多相混合物的应用，所述流体是液体、粘性液体或气体。
螺杆泵
[0001] 本发明涉及一种用于螺杆式容积泵的结构，能显著的增大泵的可靠性和性能。
[0002] 该螺杆泵在下面也以缩写形式称为PCP，由勒内·姆瓦诺于1930年发明并且当前工业中的PCP仍然符合该基本原理。
[0003] 为了描述根据本发明的PCP的结构，我们从显示传统PCP的操作开始，同时强调影响了该泵的可靠性和性能的过程。
[0004] 然后我们呈现根据本发明的PCP，以及它的操作和它的改进可靠性和性能的能力。
[0006] 图2A显示根据现有技术的带有弹性螺旋定子的传统PCP的纵向横截面。图2B显示图2A中表示的箱形区域B的放大图。
[0007] 如可以在图2A和2B中看到的，带有弹性定子的传统PCP1包括位于螺旋定子3内部的金属螺旋转子2，螺旋定子3通常为弹性体并被容纳在外壳5中。PCP的几何形状导致在转子2和定子3之间限定了一组隔离的、固定容积的腔4，其中转子2从入口或进口(低压力)朝着排出口或出口(高压力)移置。
[0008] 在这种意义上讲，PCP是一种正向移置泵，能够传送各种产品：或多或少的粘性液体、多相混合物(液体、气体、固体颗粒)。
[0009] 弹性体的定子3在它的凹进部分具有径向厚度H1且在它的凸出部分具有径向厚度H2。例如，具有7cm的外径的定子3其H1厚度为2.5而H2厚度为1.5。
[0010] 为了确保PCP1以基本上不透流体的密封在腔4之间压缩该流体(液体和气体)，转子2以其螺线旋转在定子3的弹性体上施加压力。考虑到定子3的受损风险，在这些泵的工业应用中，PCP的可靠性是主要问题。
[0011] 例如，石油工业在深井中使用PCP来泵抽油、水和气体的混合物，混合物中携带有固体颗粒。在该井下的泵抽情况下，经受了复杂的热、化学以及机械过程(动态力和压力)的定子3的弹性体膨胀，并且因此增加了由转子2施加在定子3上的力。
[0012] 因此，传统PCP的使用寿命显著地降低。
[0013] 使用图2A和2B中的示意图，我们可以描述传统PCP的定子3受到由转子2以它的螺旋运动施加的力的行为。
[0014] 传统PCP1的操作包括紧密接触，通过转子2和弹性材料的定子3之间的干涉配合，这确保了两个组合的功能：
[0015] -提供为泵抽该腔4所必需的从入口(低压力)到排出口(高压力)的相对不透液体性，
[0016] -通过定子3集中并传递力到外壳5。
[0018] 因此，转子2和定子3之间的过盈h1提供了实质上不透流体的腔4，因此限制了渗漏。
[0019] 同时，转子2的螺旋运动在定子3上产生剪切力Q1。过盈h1越大，压缩力P1和剪切力Q1越大，并且定子3的受损风险越大。
[0021] 然而，在油井的井下条件下，定子3经历变化，该变化导致定子3的厚度H1和H2以及转子2和定子3之间的过盈h1增大。
[0022] 若干现象可以导致定子3的厚度H1和H2以及过盈h1增大。
[0023] ·第一，热力学过程导致定子3的膨胀。特别地：
[0024] -井下的石油产品经常具有高温，
[0025] -PCP中的气体压缩导致温度上升，特别在接近该泵抽出口的部分(高压力)，[0026] -转子2和定子3之间的摩擦也导致温度升高，
[0027] -定子3的大厚度H1限制热消散到外部，进一步促使定子3的膨胀。
[0028] ·定子3的弹性体与该泵抽流体(液体和气体)的化学反应经常导致定子3肿胀。
[0029] ·由于该泵中的压力、气体的存在导致定子3的肿胀；事实上，在该泵中的压力变动期间，压缩气体穿透该弹性体并且作用于定子3上。
[0030] ·最后，作为过盈h1和其他因素的函数，转子2的螺旋运动和振动在定子3上产生动态力。
[0031] 在这些条件下，过盈h1是在不透流体性与转子2和定子3之间的接触力之间取得平衡的决定性因素。
[0032] 过盈h1对于压缩力P1和剪切力Q1的影响的分析显示了定子3的受损风险。
[0033] 对于此，我们采用下列符号：
[0034] -E，弹性体的弹性模数(定子3)
[0035] -R，转子2的半径(图2A)
[0036] -C，常数
[0037] -V，转子2的转速(转数/分钟)。
[0038] 通常，函数f(V)被用来指示转子2的转速V对压缩力P1和剪切力Q1、以及转子2和定子3之间的过盈h1的影响。
[0039] 因此该解析公式表明了过盈h1和压缩力P1以及剪切力Q1之间的关系；为了便于解释，其他参数被集中在一起。
[0040] 如可以在图2B中看到的，由转子2施加的压缩力P1引起定子3的过盈h1。
[0041] 将压缩力P1和过盈h1关联，该粘弹性模型(Bowden)得到表达式(1、2)：
[0042] P1＝C1.f1(V).h13/2.E.R1/2 (1)
[0043] h1＝C2.f2(V).(P1/E)2/3.R-1/3 (2)
[0044] 线性近似(弹性模型，Boussinesq)有助于解释(表达式3、4)：
[0045] P1＝C3.f3(V).h1.R.E (3)
[0046] h1＝C4.f4(V).P1/(R.E) (4)
[0047] 这些方程(1、2、3、4)表明当过盈h1很大时，压缩力P1显著。另外，这些力集中在接触表面S1(图2B)的紧邻近处的体积内。
[0048] 所以，定子的肿胀3增大了过盈h1并导致集中到接触面S1的显著压缩力P1。图2A和2B中示出的这些接触表面S1，是定子3的弹性体的内面的表面，位置与转子2的凸出部分相对。
[0050] P1＝Ks.h1 h1＝P1/Ks Ks＝C3.E.R (5)
[0051] 转子2的螺旋运动产生剪切力Q1，其也取决于过盈h1(图2B)。该弹塑性逼近(斜坡)引出该方程：
[0052] Q1＝C5.f5(V).h1(1-h1/H1).E.R (6)
[0053] 施加于定子3的剪切力Q1是过盈h1的函数，Q1＝F(h1)；过盈h1越大，定子的受损风险越大。然而，正如前面提到的那样，传统的PCP1必须具有初始的0.5mm左右的过盈h1来保护不透流体的腔4。考虑到油井的生产条件(热力学-化学-动态力学)，该定子经历大约5到10％的厚度H1和H2的增加，并且，取决于弹性体的属性，过盈增加约1mm意味着其乘以2。在这些条件下，压缩力P1和剪切力Q1也乘以2。如由转子2的螺线旋转施加于定子3的动态力一样，这些取决于泵的转速V；为了在有成本效益的情况下生产(流动和压力)，PCP以200-500rpm的速度旋转。考虑到在井中的泵抽条件，弹性材料的定子3的使用寿命被显著地减少；经验示出平均是一年，但是在3月的操作之后已经观察到定子受损。
[0054] 转子的振动2取决于转子2的固有频率2和该泵的转速并且可以是非常显著的，特别是在转子2和该转速(频率)之间发生谐振时。转子2垂直于该轴线X-X振动的幅度，产生了增大的过盈h1，并且因此施加于定子3上的压缩力P1和剪切力Q1也增大了。
[0055] 因此，传统PCP1的操作关注转子2和定子3之间接触处的力，并且经常导致定子3的劣化。实际上，石油公司必须从井中移除受损的泵并对其更换；这是很长的过程，在此期间该井不再产出，并且因此带来相当大的经济影响。
[0056] 包括刚性的螺旋定子(金属、复合材料)的最新PCP24在图6中示出纵向截面。泵7包括螺旋转子，其在刚性的螺旋定子25内部旋转；在转子7和定子25之间存在一些间隙
26。
26。
[0057] 实际上，由刚性材料(金属、复合材料)制成的定子25被安装在外壳19的内部；然后，该螺旋转子7被插入刚性定子25的内部，带有一些间隙26。该PCP的结构类似于传统的PCP：不同之处在于转子7和刚性定子25之间存在间隙26。
[0058] PCP24特别被用于泵抽粘性液体(重油)；转子7携带有粘性液体，并且在转子7和刚性定子25之间的间隙26中形成液体膜。取决于该制造方法，该间隙小于1mm。
[0059] 结果，在转子7和定子25之间没有接触，PCP24泵抽该粘性液体(重油)。
[0060] 考虑到间隙26的存在，螺旋转子7在转子7和定子25之间以200-500rpm的速度旋转产生振动(谐振、非稳定振动)，以及冲击。
[0061] 例如，如果转子7和/或刚性定子25的固有频率与该转速(200-500每分钟转数的速度)的固有频率为同一数量级，由于振动和冲击产生的力乘以6-8；转子7和定子25无法长久经受这些力。
[0062] 带有刚性定子25的PCP24的动态响应能够损坏转子7和/或定子25。在这些环境中，石油公司必须更换泵，而这是带来显著经济影响的大操作。
[0063] 本发明的目的在于提供一种更可靠的PCP，其具有更长的使用寿命，以降低生产成本。为此，本发明目的在于提供一种用于螺杆泵(PCP)的新结构，其显著地提高了泵的可靠性和性能。
[0064] 为了达到上述目的，本发明提出了一种螺杆泵，其包括：
[0065] -圆筒形外壳，具有纵向轴线；所述外壳在一个端部处设有进口孔，并在在它的相对端部设有出口孔，
[0066] -螺旋定子，被容纳在所述外壳内部；所述螺旋定子包括螺旋圆筒，所述螺旋圆筒具有中心轴线，所述中心轴线与所述外壳的纵向轴线重合；
[0067] -螺旋转子，适于在所述螺旋圆筒的内部旋转，从而将流体从所述进水口孔朝着所述出口孔移动，
[0068] 其特征在于所述螺旋定子进一步包括至少一个补偿器，其设置在所述外壳的内部，位于所述外壳和所述螺旋圆筒之间；所述螺旋圆筒和所述补偿器适于在垂直于所述纵轴的方向变形。
[0069] 因此，所述补偿器具有开放或闭合的可变形的轮廓，针对其形状、尺寸和使用的材料提供了必要的弹性来补偿所述螺旋定子的变形。
[0070] 一些实施例非限制性地包括：
[0071] -所述螺旋定子包括弹性层，所述弹性层被固定到所述螺旋圆筒的内面。
[0072] -所述弹性层具有0.5cm到2cm之间、特别是0.5到1.5厘米之间的厚度。
[0073] -所述螺旋转子适于以一定旋转频率旋转，并且所述至少一个补偿器能将螺旋转子和螺旋定子组合件的固有频率与螺旋转子的旋转频率解耦合。
[0074] -所述至少一个补偿器由刚度系数(K)限定，其满足下列方程：
[0075] Ko≤(1/9).M.W2
[0076] 其中：
[0077] -W是螺旋转子的旋转频率，
[0078] -M是螺旋转子和螺旋定子的总质量。
[0079] -所述至少一个补偿器具有闭合轮廓。
[0080] -所述至少一个补偿器的横截面具有椭圆横截面。
[0081] -所述至少一个补偿器具有开放轮廓。
[0082] -所述至少一个补偿器被设置在所述螺旋圆筒的凹进部分。
[0083] -所述至少一个补偿器被设置在所述螺旋圆筒的凸出部分。
[0084] 所述螺旋定子包括沿所述外壳均匀分布的多个补偿器。
[0085] -所述螺旋定子包括单个补偿器，其为螺旋形状，被设置为围绕所述螺旋圆筒。
[0086] -所述补偿器由金属或复合材料制成。
[0087] 本发明也涉及一种如上所述用于泵抽液体的泵的应用，所述流体是液体、粘性液体或气体，并且用于泵抽带有固体颗粒的液体和气体的多相混合物。
[0089] -图1A是根据本发明第一实施例的PCP泵6的轴向横截面。
[0090] -图1B是在图1A中示出的箱形区域B的放大视图。
[0091] -图2A是一种现有技术已知的传统PCP1中具有弹性材料定子的泵的轴向横截面。
[0092] -图2B是图2A中示出的箱形区域B的放大视图。
[0093] -图2C是在图1中示出的泵的一部分的轴向横截面。
[0094] -图2D是图2C中示出的箱形区域D的放大视图。
[0095] -图3A是与图2D中针对PCP5示出的视图(图1A和1B中示出)类似的视图，所述PCP6在该泵处于运行之前具有转子7和弹性层9之间的初始过盈h3，以及表示等效于所述弹性层9-补偿器11组合件的弹簧系统的示意图。
[0096] -图3B是与图3A示出的视图一致的视图，但是在该泵处于运行之后，产生增大的过盈h'3>h3，以及示出等效于所述弹性层9-补偿器11组合件的弹簧系统的示意图。
[0097] -图4是根据本发明第二实施例的PCP的一部分的轴向横截面。
[0098] -图5是根据本发明第三实施例的PCP的一部分的轴向横截面。
[0099] 图6是现有技术已知的具有刚性定子(金属、复合材料)的PCP的一部分的轴向横截面。
[0100] -图7是根据本发明第四实施例的PCP的一部分的轴向横截面；以及[0101] -图8是曲线图，其中x轴表示螺旋转子7的旋转频率W与螺旋转子7和螺旋定子8的组合件的振动频率W3的比率，并且y轴表示垂直于螺旋定子8的中心轴Y-Y的方向上的振动X3的幅度。
[0102] 在图1A和1B中图示的、根据本发明第一实施例的PCP泵6，包括具有纵轴X-X的圆筒形外壳19、容纳在该外壳19中的螺旋定子8，以及能在螺旋定子8内部旋转的螺旋转子7。
[0103] 外壳19在一个端部设有进口孔14，并在在它的相对端部设有出口孔15。
[0104] 螺旋转子7适于在螺旋定子8的内部以预定的被称作转速的速度旋转，以将流体从进口孔14朝着出口孔15移动。
[0105] 螺旋定子8包括一般为弹性体的薄弹性层9，具有与外壳19的纵轴X-X重合的中心轴Y-Y的螺旋圆筒10，以及能为了补偿螺旋圆筒10在径向尺寸的变化而变形的补偿器11。
[0106] 螺旋圆筒10通常由金属或复合材料制成。它适于将由转子7施加到弹性层9上的力传递到补偿器11。
[0107] 螺旋圆筒10具有面向外壳19的面17，以下简称外面17，以及面向转子7的面16，以下简称内面16。
[0108] 螺旋圆筒10连续收缩并且沿其长度增加直径，在螺旋圆筒10的外面17和内面16上形成与凹进部分12交替的凸出部分13。
[0109] 弹性层9具有0.5到2厘米之间的不变厚度，并且优选在0.5cm到1.5cm之间。
[0110] 弹性层9附接于螺旋圆筒10的内面16。该附接可以由粘着、胶合或热加工方法和/或由机械附接设备实现。
[0111] 补偿器11是弹性的并且具有可变形的轮廓。补偿器11适于在垂直于所述纵轴(X-X)的方向上变形，一方面用以补偿弹性层9的膨胀，并且另一方面当螺旋转子7在螺旋定子8的内部旋转时用以减少螺旋转子7施加在弹性层9上的振动。
[0112] 当补偿器11补偿弹性层9的膨胀时，补偿器11的尺寸在垂直于所述纵轴(X-X)的方向上减小以补偿在该泵经受导致该膨胀的热、化学和压力条件的整个时间段期间弹性层9、螺旋圆筒10和螺旋转子7的膨胀。
[0113] 当补偿器11在减少由螺旋转子7施加到弹性层9的振动时，补偿器的尺寸11将以等于螺旋转子7的旋转频率的频率连续地在垂直于所述纵轴(X-X)的方向上收缩和膨胀，以补偿转子7的振动。
[0115] 可替换地，补偿器11包括容纳有橡胶的铝壳。
[0116] 根据另一个实施例，补偿器11是由复合材料制成的壳。
[0117] 补偿器11被设置在外壳19的内部，位于螺旋圆筒10和外壳19之间。特别地，根据在图1A和1B中图示的本发明第一实施例，补偿器11附接到外壳19的内壁并且附接到螺旋圆筒10的凹进部分12。
[0118] 有利地，环绕螺旋圆筒10的环状补偿器18也被附接在螺旋圆筒10的每个端部和外壳19的每个端部之间。
[0120] 选择补偿器11的尺寸、形状、几何结构和厚度以及补偿器11的成分材料，以便于：
[0121] -补偿弹性层9(弹性体)、转子7以及螺旋圆筒10的膨胀，
[0122] -减少由螺旋转子7的旋转频率和螺旋定子8-转子7组合件的固有频率之间的耦合产生的振动。
[0123] 例如，补偿器11具有椭圆形的横截面，其轴线为1.2cm到4cm，由2mm厚度的铝板制成，确保由转子7施加到弹性层9上的力减小70％。具有椭圆横截面的这种补偿器11，可被用于内径测量值为7厘米(如上所述)的外壳19中。
[0124] 在该外壳19中，弹性材料的弹性层9的厚度可以例如测量值为1.5cm并且螺旋圆筒10可以由大约2mm厚度的金属板制成。
[0125] 所以，根据本发明设置的补偿器11赋予该泵应对泵抽操作的热力学-化学-动态力学条件的能力，因此改进了PCP6的可靠性和性能。
[0126] 为了评估补偿器的效率11，将图2C和2D中示出的本发明的PCP6与在图2A和2B中示出的传统PCP1进行比较。
[0127] 如可以在图2A和2B中看到的，传统的PCP1的弹性材料的定子3经受热力学-化学-动态力学过程，这导致大厚度H1的膨胀和过盈h1的增大。
[0128] 这些过程因此导致施加于螺旋转子2和螺旋定子3之间的接触表面S1的相当大的压缩力P1和剪切力Q1。这导致弹性材料的螺旋定子3的受损风险。
[0129] 如可以在图2C和2D中看到的，根据本发明的PCP6包括：
[0130] -具有小厚度H3的弹性层9，例如在1.5cm左右，通常为弹性体，[0131] -螺旋转子7和弹性层9之间的过盈，在下面被称作h3，
[0132] -弹性层9被固定到其的螺旋圆筒10。
[0133] 该螺旋圆筒10将施加于弹性层9上的力传递到补偿器11。补偿器11能够补偿弹性层9的变形并且从而减少过盈h3和压缩力P2以及剪切力Q2。补偿器11传递该力到外壳19。
[0134] 同时，补偿器11有助于减少由转子7的振动产生在弹性层9上的动态力。补偿器11的振动属性取决于它们的形状、它们的尺寸和使用的材料。通过选择特定形式或使用补偿器11的某种材料，转子7-螺旋定子8组合件的固有频率受到控制，避免谐振和动态响应的不稳定性。在这些条件下，补偿器11减少了压缩力P2和剪切力Q2的振动成分。
[0135] 因此，补偿器11能够将螺旋定子8和螺旋转子7组合件的固有频率与螺旋转子7的旋转频率解耦合。
[0136] 例如，普遍的注意到，在油田中，传统PCP1的转子2当其以300rpm旋转时，具有不稳定性。为了避免传统PCP1由于这些不稳定性所引起的劣化，石油公司必须将转子2的转速降低到150rpm，这使生产下降。
[0137] 由于有补偿器11，PCP6稳定了转子7的振动响应，其支持它的生产能力到300rpm，因此满足了经济的生产条件。
[0138] 从而，根据本发明的PCP的操作减少了压缩力P2和剪切力Q2，从而改进了PCP6的可靠性。
[0139] 如可以从图3A中看到的，在该泵置于运行以前，PCP6的弹性层9具有厚度H3，且螺旋转子7具有过盈h3。弹性层9-补偿器11组合件的等效机械系统包括刚度不同的两个弹簧。Ks是弹性层9的等效刚度，并且Ko是补偿器11的刚度。
[0140] 在该泵置于运行之后，热-化学-动态力过程导致弹性层9的肿胀，其中厚度变为H'3>H3，导致增大的过盈h'3>h3。
[0141] 如在图3B中可以看到的，在该泵置于运行之后，补偿器在垂直于轴线X-X方向上的尺寸被减小以补偿该增大的过盈。
[0142] 因此，补偿器11被确定尺寸以补偿弹性层9的肿胀，并且以减少作用于弹性层9的力。它们的尺寸被选择来保持初始过盈，意指h'3≈h3。当该过盈h'3保持基本上不变时，螺旋转子7-弹性层9组合件的接触力被维持在所需要的水平。
[0143] 为了实现这些，我们必须表征弹性层9-螺旋圆筒10-补偿器11的组合件的弹性。
[0144] 关于弹性材料的定子的响应的公式(5)引出等效刚度Ks(图3A和3B)：
[0145] h3＝P2/Ks Ks＝C3.E.R (7)
[0146] h’3＝P’2/Ks
[0147] 由于压缩力P2的效果，补偿器11的形变揭示了结构的刚度Ko：
[0148] P2＝Ko.Xo Ko＝C7.Eo.I/r3 (8)
[0150] 如所提及的，在该泵置于运行之后(图3B)，该热力学-化学-动态力过程导致弹性层9的膨胀，这产生过盈的变化Δh：
[0151] h’3＝h3+Δh (9)
[0152] 本发明的补偿器11优选地选择为使得弹性层9的肿胀被每个补偿器11的压缩ΔXo所补偿：
[0153] P’2＝Ko.(Xo+ΔXo) (10)
[0154] 这意味着如果h’3≈h3，Δh是最小的：
[0155] Δh＝ΔXo.(Ko/Ks)；
[0156]
[0157] 并且因此初始过盈H3被保持为基本上不变，而不管弹性层9的肿胀。
[0158] 补偿器11补偿弹性层9的形变，并且施加在弹性层9的弹性体上的力保持在初始水平。
[0159] 同样，控制补偿器11的刚度Ko，促进控制该动态响应(特别是固有频率)，并且因此避免与转子7的振动的谐振。
[0160] 为此，根据本发明的补偿器11具有刚性系数Ko，其满足下列方程：2
[0161] Ko≤(1/9).M.W (12)
[0162] 其中：
[0163] -W是螺旋转子7的旋转频率，
[0164] -M是螺旋转子7和螺旋定子8的总质量。
[0165] 同时，补偿器11的刚度Ko的选择提供了对压缩力和剪切力以及振动的控制。
[0166] 考虑到热力学-化学-动态力学条件(振动)，补偿器11的优化将螺旋转子7施加在弹性层9上的力保持在所要求的可靠性限制之内。
[0167] 如所提及的，带有弹性材料的定子3的传统PCP1关注于转子2和定子3之间的接触表面S1的两个功能：相对的不透流体性和高接触力(压缩力P1和剪切力Q1)。
[0168] 根据本发明的PCP6分离了这两个功能：
[0169] -螺旋转子7弹性层9之间的接触处的不透流体性得以维持，
[0170] -力被传到补偿器11并被传递外壳19上。
[0171] 根据本发明的PCP6的操作产生了施加在弹性层9上的减小的力并且改进了泵的可靠性。
[0172] 图4示出了根据本发明第二实施例的PCP20的轴向横截面。
[0173] 图4中示出与本发明第一实施例(图1A和1B)相同或类似的元件并具有相同的附图标记，并且不会再次被描述。
[0174] 根据该可替换实施例，补偿器21具有弹性开放轮廓(金属或复合材料制成)，每个均置于外壳19和螺旋圆筒10的凹进部分12之间。
[0175] 开放补偿器21能够补偿弹性层9的形变并将力传递到外壳19。
[0176] 例如，对于具有7cm外径的PCP，补偿器21为铝制并且形状像倒转的U，其高度为1.2cm并且宽度为3cm，厚度大约为2mm。
[0177] 例如，所述补偿器21的形状犹如具有尖端和宽基部的空心销；所述尖端被设置为抵靠所述螺旋圆筒10；所述宽基部被固定为抵靠所述外壳19的内面。
[0178] 根据本发明第三实施例的PCP22在图5中示出。
[0179] 图4中示出与本发明第一实施例(图1A和1B)相同或类似的元件并具有相同的附图标记，并且不会再次被描述。
[0180] 特别地，该PCP22包括在螺旋定子8内部旋转的螺旋转子7，其中的元件是：
[0181] -弹性层9被固定到螺旋圆筒10，
[0182] -补偿器23为封闭的弹性壳，其具有大致椭圆形的轮廓，并且由金属或复合材料制成。它们被设置在螺旋圆筒10的凸出部分13和外壳19之间。根据本发明该实施例的补偿器23类似于本发明第一实施例的补偿器11，但是具有沿着垂直于外壳19的纵轴(X-X)的轴线的尺寸，该尺寸小于根据本发明第一实施例的补偿器11沿着相同轴线的尺寸。所以它们比那些补偿器11扁平。
[0183] 补偿器23能够补偿弹性层9的形变并将力传递到外壳19。例如，对于具有7cm的外径的PCP 22，补偿器23为铝制并且具有扁平的椭圆轮廓，并且轴线为1cm和2cm，厚度为大约1-2mm。
[0184] 根据本发明第四实施例的PCP27在图7中示出。
[0185] 图7中示出与本发明第一实施例(图1A和1B)相同或类似的元件并具有相同的附图标记，并且不会再次被描述。
[0186] 根据该实施例，螺旋定子28包括刚性的螺旋圆筒29和补偿器11，补偿器11置于刚性螺旋圆筒29和外壳19之间。特别地，螺旋圆筒29没有像在本发明的其他实施例一样覆盖有弹性层。
[0187] 螺旋圆筒29由金属或复合材料制成。
[0188] 有利地，补偿器11提供了螺旋转子7和螺旋定子28之间的动态接触所需的弹性。
[0189] 根据上述方程(12)确定补偿器11的尺寸，使得刚度Ko能够适应螺旋系统7-螺旋定子28的动态性能(特别是固有频率)，以避免冲击、谐振和动态不稳定性。
[0190] 对于在现有技术中已知并且在图6中图示的具有刚性定子25的PCP24，如果该成对的螺旋转子7-刚性定子25的固有频率接近旋转频率(200-500rpm的速度)，那么由于振动和冲击产生的力乘以6-8并且存在该泵受损的明显风险。
[0191] 补偿器11在图7中图示的PCP27的螺旋定子28中的布置显著地改变了螺旋定子28的固有频率并且解除了与螺旋转子7的旋转频率的耦合。在这些条件下，该振动力被减小。与之前的情况相比，它们除以了6到8。包括补偿器11的PCP27的振动响应保持在该泵的最佳操作所要求的限制之内。.
[0192] 补偿器11提供了针对螺旋转子7和螺旋定子28之间的动态接触(振动)的必要弹性，并且将力传递到外壳19。
[0193] 例如，对于具有7cm的直径的PCP22，补偿器11是铝制的并且具有椭圆轮廓，并且直径为1.5cm和5cm，厚度为2mm左右。
[0194] 根据图1A、4、5和7中图示的实施例，螺旋定子8、28包括全部沿着外壳19均匀分布的多个补偿器11、18、21、23。
[0195] 根据本发明的变化形式(未示出)，螺旋定子8具有单个补偿器，其为螺旋形状，并且关于所述螺旋圆筒10设置。
[0196] 可替换地，该补偿器包括弹簧或多道褶皱。
[0197] 作为结论，我们发现传统PCP1(具有弹性材料定子)在转子和定子之间的接触处结合了两个功能：
[0198] -相对不透流体性以限制在腔之间的渗漏，
[0199] -接触力的集中并将它们传递到外壳。
[0200] 因此，如已经解释的，热力学-化学-动态力学过程导致定子的体积增加，这产生了可能损坏定子的过大的力。
[0201] 统计结果示出这些泵在油井中的使用寿命大约为一年，但是在1-3月的操作之后已经观察到定子受损。
[0202] 本发明提出一种用于泵的结构，其包括螺旋定子，其分离了这两个功能：
[0203] -转子和弹性层之间的接触提供了腔之间的相对不透流体性，
[0204] -弹性层的增大的体积和产生的力由该补偿器进行补偿；
[0205] 该力被限制在所要求的限制之内，并且继而被传递到该外壳。
[0206] 本发明允许减小由该转子施加在弹性层(弹性体)上或刚性螺旋圆筒(金属、复合材料)上的动态力(振动、冲击)。
[0207] 因此，本发明的PCP包括补偿器，所述补偿器能够将该定子的弹性(弹性材料的)或刚性(金属、复合材料)元件与该转子的振动解耦和，从而改进PCP的动态可靠性和性能。
[0208] 实例
[0209] 传统PCP1。传统PCP正被用于油井生产；考虑到井中的泵抽条件，初始的转子-定子过盈h1＝0.5mm。
[0210] 操作条件的改变导致增大的过盈；通常观察到定子膨胀了其厚度的5％，并且存在增大的过盈h1＝1mm。
[0211] 因此，该新的过盈和施加于弹性定子上的力变为两倍大。考虑到定子的行为，它的弹性体遭受周期性应力(S-N曲线)，定子的使用寿命除以二。
[0212] 对于本发明的PCP6，在油井生产期间，该补偿器补偿该定子的肿胀并且该初始过盈h1＝0.5mm被保持而没有显著的变化；该力保持在可接受的限制之内。
[0213] 因此，包括根据本发明的螺旋定子的PCP6，具有两倍于该传统PCP1的使用寿命；这是显著的技术和经济优势。
[0214] 参考文献
[0215] 1、专利EP0220318A1公开了一种用于石油钻探的螺杆电机。钻探泥浆为传动液。为了实现这些，该钻头被设置在该电机之后，所述钻头传递给该电机强烈的纵向振动，其可以损坏该弹性材料的定子。这些强烈的纵向振动是由于该钻头在穿透岩石时产生的应力。
[0216] 为了降低该纵向振动的影响，该专利提供了"冲击吸收器"系统(能量吸收器10，专利的图1)。
[0217] 类似于液压轴承，该“冲击吸收器”通过液压曲径消散纵向振动的能量。实际上，在液压曲径内的液体的流动的粘性摩擦通过消散能量抑制了纵向振动；其是一种吸收器，通过液体摩擦消散能量(专利的图3、4、5)。
[0218] 钻探泥浆的化学成分没有造成该定子弹性体的肿胀。所以，被用来泵抽油的PCP的定子的肿胀问题没有在井下电机的情况中出现。
[0219] 同时，该冲击吸收器的液体(液压曲径)是不可压缩的；该设备无法针对弹性定子的横向膨胀或横向振动进行补偿。
[0220] 作为本发明的目的，该PCP包括补偿器(图1A和1B)，其可以通过它们的弹性补偿该定子的横向形变。实际上，定子由于在采油期间的井下泵抽的工作条件而肿胀：损坏液体和气体、高温和压力。
[0221] 因此，我们发现井下电机的工作条件与油的泵抽毫无共同之处。.[0222] 该补偿器是弹性元件，其由金属或复合材料制成，变形以补偿该定子的体积上的变化(弹性层的肿胀)和转子的横向振动。
[0223] 所以它们没有液压曲径(液压冲击吸收器)，该液压曲径的作用是消散来自钻进岩石的纵向振动的能量。
[0224] 包括螺旋定子和补偿器的PCP的结构和操作与由该专利提出的包括液压冲击吸收器系统的井下电机非常不同。
[0225] 2、US专利2006/0153724A1公开了一种钻井电机，其包括螺杆定子，所述螺杆定子由两层具有不同的机械性能的弹性体组成。
[0226] 如上所述，当在油井中泵抽时，该热力学-化学-动态力学效应导致该定子弹性体的形变(肿胀)。石油钻探是完全不同的；该钻井电机的液体包括从表面注入的加压的钻探泥浆。
[0227] 油井中泵抽的操作条件与钻探时的操作条件非常不同。
[0228] 该专利描述包括两个弹性体层的定子。在这些条件下，泵抽油的热力学-化学-动态力学效应产生了弹性材料的定子的畸变差值。
[0229] 转子导致两层弹性材料的定子受损的风险仍然存在。
[0230] 所以，在泵抽油时利用该两层弹性材料的定子导致了可靠性和使用寿命的降低。
[0231] 包括具有补偿器的螺旋定子的PCP的结构与操作与由该专利提出的包括具有两个弹性体层的定子的钻井电机非常不同。
[0232] 图8是曲线图，其中x轴代表螺旋转子7的旋转频率W与螺旋转子7和螺旋定子8的组合件的振动频率W3的比率，并且y轴代表在垂直于螺旋定子8的中心轴Y-Y的方向上的振动X3的幅度。当螺旋转子7旋转时，它导致螺旋圆筒10在穿过中心轴线Y-Y的平面上的振动，该移动为带有旋转的直线轨迹的组合。
[0233] 当螺旋转子7的旋转频率与螺旋定子8的组合件的振动频率W3等于螺旋转子7的旋转频率W时，螺旋定子8和螺旋转子7的组合件谐振振动。这导致该泵的快速老化。
[0234] 在通过分析根据本发明的泵获得的图8的曲线图中，揭示出当螺旋转子7的旋转频率W与螺旋转子7和螺旋定子8的组合件的振动频率W3的比率大于3时，螺旋转子7的旋转频率与螺旋圆筒10的旋转频率解除耦合。
[0235] 因此，为了使螺旋定子8不再与螺旋转子7的旋转谐振振动，期望螺旋转子7的旋转频率W与螺旋转子7和螺旋定子8的组合件的振动频率W3的比率大于3。
[0236] 换句话说，
[0237] 所以
[0238] 此外，已知补偿器的刚度Ko等于螺旋转子7和螺旋定子8组合件的总质量之和M，乘以螺旋转子7和螺旋定子8组合件的振动频率W3的平方。2
[0239] Ko＝M.W3 (15)
[0240] 通过结合方程(14)和(15)，我们获得下列方程：
[0241] Ko≤(1/9).M.W2 (12)
[0242] 其中：
[0243] -W是螺旋转子7的旋转频率，
[0244] -M是螺旋转子7和螺旋定子8的总质量。
[0245] 因此，补偿器11的刚度Ko的选择允许了解除螺旋转子7的旋转频率与螺旋定子8和螺旋转子7组合件的固有频率之间的耦合。
[0246] 在描述的所有实施例中，螺旋圆筒10是刚性的。
[0247] 有利地，有可能根据基于螺旋转子7沿着该泵的形变(固有振动模式)所确定的分布方案沿着该泵设置补偿器。
[0248] 所述可变形的补偿器是弹性结构，由金属或复合材料组成，补偿器的机械性能(弹性、滞变)和对周期性疲劳应力(活勒疲劳曲线)的良好耐受能力，确保良好的泵可靠性。
[0249] 所述可变形的补偿器沿着该泵的分布可以是：连续不断的或间断的、均匀或不均匀、不变密度或可变密度、不变刚性或可变刚性。实际上，在振动期间，螺旋转子-螺旋定子组合件沿着该泵变形；例如，在该端部的偏转更大。为了补偿端部的形变，对补偿器的分布进行调节，例如该泵的端部附近处具有更大的密度。
[0250] 在这些条件下，螺旋转子-螺旋定子组合件的移动是作为一个单元，从而消除冲击、相差以及螺旋转子和螺旋定子之间的不稳定性的风险。图8示出带有补偿器11的PCP的振动行为；转子-定子组合件的振动X3具有频率W3并且转子的旋转发生在频率W处。
[0251] 结果，补偿器11的刚度Ko设计得足以显著地降低PCP泵(图8)的振动。.[0252] 可变形的补偿器11执行若干功能：
[0253] -补偿转子-定子组合件的移动(振动)；
[0254] -补偿转子-定子组合件沿着泵的形变；
[0255] -控制PCP泵的振动并且因此确保改进的可靠性和增加的液压特性；.[0256] 如图8所示，刚度Ko为用于可变形的补偿器11的设计准则。刚度Ko确定尺寸、形状(几何结构)、以及材料(弹性和对于周期性应力的耐受性)。.
[0257] 实际上，由于刚度Ko，补偿器11提供了作用于转子-定子组合件的振动态力的大幅降低并且显著地改进了泵的可靠性。
[0258] 补偿器的材料是金属(钢、铝)以及复合材料。该补偿器是弹性结构，其变形以补偿转子-定子组合件的移动(振动)。要求的材料机械属性是：弹性(线性和滞变)并且能承受大量的周期性疲劳应力(沃勒曲线)。
[0259] 金属材料(钢、铝)具有这些属性。在复合材料中，存在多种具有在承受周期性应力(沃勒曲线)时具有良好的行为的高强度结构。
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