阅读说明：本技术 泥浆马达定子和泵以及制造方法 (Mud motor stator and pump and method of manufacture ) 是由 C·汪恩海姆 W·休伯 F·戈英格 于 2017-04-05 设计创作，主要内容包括：一种泥浆马达定子或一种泵,其包括：管状外部；多个凸耳,其从所述管状外部径向向内延伸,多个凸耳中的至少一个凸耳包括骨架结构,以及一种用于制造泥浆马达定子或泵的方法,其包括放置材料并以由所述定子或泵的设计形状决定的图案将材料粘结在一起。(A mud motor stator or a pump comprising: a tubular outer portion; a plurality of lugs extending radially inward from the tubular outer portion, at least one lug of the plurality of lugs comprising a skeletal structure, and a method for manufacturing a mud motor stator or pump comprising placing material and bonding the material together in a pattern determined by a design shape of the stator or pump.)

泥浆马达定子和泵以及制造方法

本申请是国际申请号为PCT/US2017/026124、中国申请号为201780023527.8、申请日为2017年4月5日、名称为“泥浆马达定子和泵以及制造方法”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月18日提交的美国申请号15/132008的权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

在一些情况下，泥浆马达定子和泵由诸如金属之类的硬质材料构成，并且有时出于密封目的由金属上面对的较柔软材料构成。整体结构是螺旋形结构，其中凸耳朝(lobe)向定子的轴线延伸，这使得它们难以加工并且不可能调整特性。由于调整可以提高泥浆马达的效率，因此本领域总是接受对制造工艺和所得产品的功能特征的增强。

发明内容

本文公开了一种泥浆马达定子或一种泵。所述泥浆马达定子或泵包括管状外部和从管状外部径向向内延伸的多个凸耳，多个凸耳中的至少一个凸耳包括骨架结构。

还公开了一种用于制造泥浆马达定子或泵的方法，所述方法包括放置材料并以由定子或泵的设计形状决定的图案将材料粘结在一起。

还公开了一种用于制造泥浆马达定子或泵的方法，所述方法包括：创建定子或泵的计算机模型；将所述模型加载到增材制造设备中；以及操作增材制造设备以产生模型的物理复制品。

还公开了一种井下系统，其包括泥浆马达定子或泵，所述定子或泵如任何现有实施方案中所限定，包括管状外部和从管状外部径向向内延伸的多个凸耳，多个凸耳中的至少一个凸耳包括骨架结构。

附图说明

以下描述无论如何都不应被视为限制性的。参考附图，相似元件用相似数字编号：

图1是如本文所公开的用于泥浆马达的定子的示意性透视图；以及

图2是图1的定子的端视图，其示出了定子的组成；

图3是类似于图2的但是是替代实施方案的端视图；

图4是不对称的凸耳图案的示意图；

图5、图6和图7是替代的表面细节；以及

图8是包括如本文所公开的定子或泵的井下系统的示意图。

具体实施方式

本文参考附图通过举例而非限制的方式呈现了所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的具体实施方式。

同时参考图1和图2，可以用在泥浆马达或泵中并且构成井下系统的一部分的定子10包括管状外部12和朝向定子10的轴线延伸的多个凸耳14，凸耳14可以是不对称的。还可以看到密封材料16设置在定子主体10的径向内侧，并且密封材料16可以或可以不与凸耳14对称地设置。在一个实施方案中，密封侧上的密封材料比负载侧上的密封材料厚。凸耳14和材料16的精确定位和构造可以在密封能力、减振、功率输出、质量和寿命等方面显著影响定子10的功能和操作。

重量、材料成本和诸如弹性、柔顺性(compliance)、密封、承载、振动共振频率等特性都是定子功能的重要特征，但迄今为止尚未被认识到并且尚未得到解决。

如从图1和图2中可以看出，凸耳14不像现有技术的凸耳(实心的和弯曲的)那样构造，而是构造成在每个定子凸耳14的负载侧18上提供比每个定子凸耳14的密封侧20上更大的刚性。具体地，骨架结构22被构造成在一个实施方案中仅具有凸耳14的中空部24(图3)，并且在另一个实施方案中具有多个肋部26(图2)。骨架结构在本文中被定义为实心部分和限定在实心部分之间以呈现框架的开放空间的任何构型。中空部24由凸耳14的操作部分28界定。在图2的实施方案中，肋部26从由凸耳14的操作部分28界定的另外的中空空间内的一个点延伸到另一个点。如图2所示，肋部26从管状部分12径向向内延伸，直到它们连接到凸耳14的操作部分为止。还预期其他增强结构图案。在一些实施方案中，凸耳18的负载侧遵循靠近凸耳14的负载表面的轮廓。这使得密封材料16在凸耳的这一侧是薄的，但是由于高承载能力而被很好地支撑，同时仍然提供密封功能。相反，凸耳14的密封侧处的轮廓在很大程度上不受骨架结构22的支撑。在其他实施方案中，凸耳更不对称，并且密封材料16可以始终具有相同的厚度。参见图4，了解不对称的凸耳图案的示意图。密封材料16通常由橡胶构成，但是本文也预期包括具有调整的材料特性(诸如密度、弹性等)的金属的其他化合物。另外，可以优化对称或非对称的凸耳14的构型，以避免在使用期间产生谐振频率。

在图2的重述中，肋部26(示出了三个，但是预期更多或更少)取向成基本垂直于凸耳14的负载侧18的表面。这在结构上为凸耳14的负载侧提供了很大的刚性，同时相对于现有技术构型减轻了重量。如所指出，预期在其他构型中也提供肋部或其他结构或形状，并且这样做的一个目的是调整凸耳14的负载侧的柔顺性以用于可能受益于此的应用。

在图3中，根本没有肋部，而是在凸耳14内仅具有中空部24。然而，密封材料16在所述实施方案中是相同的，以便与图2的实施方案进行比较，并且因此理解概念。

除了所公开和示出的结构的结构和重量特征之外，还应当理解，肋部26或中空部24之间的体积可以用作流体管道(输送和/或冷却)或导体管道(用于电动、液压或光学线路)。

除了如上所述的凸耳14的整体形状和结构之外，本文中还预期改变凸耳14和定子主体12的内表面30上的表面状况。参考图5、图6和图7，在一些实施方案中，表面是随机粗糙的，有菱形图案的(图5)、波浪形的(图6)、具有凹槽32和/或凸块34(图7)等，这是为了增加将要设置在其上的材料16的粘附性，以及通过增加粘附性和降低注射压力和温度来改善橡胶注射过程的功能。

定子或泵10可以通过传统的制造方法来产生，但是将很难实现。因此，本发明人还注意到，增材制造或3D打印非常适合于产生上文关于本文公开的定子或泵的各种替代实施方案所述的所有特征。每个定子或泵实施方案可以使用选择性激光熔融、直接金属激光烧结、直接金属激光熔融、选择性激光烧结、电子束制造、直接激光沉积、冷气处理、激光熔覆、直接材料沉积、陶瓷增材制造、超声焊接或粘结剂喷射和后续烧结中的一者或多者来产生，例如在粉末床或喷嘴进料或送丝构型中。沉积的材料通过焊接、粘合和烧结等粘结在一起。增材制造工艺是本领域已知的，并且不需要结合本公开来进行具体讨论。

在上述每个增材制造工艺(或其他类似地起作用的制造工艺)中，附图中表示的复杂形状易于以增材制造工艺的逐层或逐颗粒方法来产生。除了如所示的整体形状之外，增材制造(AM)还支持上面关于用于制造定子10的材料的密度、弹性、柔顺性等(见上文)讨论的其他调整，即：可以修改工艺的操作参数之一以在定子10内的某个位置产生与定子10中其他地方的材料特性不同的材料特性。例如，可以在开口所处的地方停止熔融过程。替代地或另外地，可以改变过程以在某些区域中改变基础材料的密度，以使特征具有弹性或柔顺性。

为了如上所述改变特性，可以对用于产生材料的增材制造工艺的一个或多个参数进行改变。这些改变包括但不限于：改变通过能量源(例如激光或电子束)施加于进给材料的能量(改变能量源功率，包括零功率；改变能量源焦点；改变能量源扫描速度，改变能量源行间距)或改变可以采用的进给材料本身。更具体地，关于所施加的能量，所采用的能量源，无论是例如200W、400W、1000W还是任何其他能量源功率，均可以在所选位置处降低功率以减少粉末状(或其他类型的)进给材料的熔融。在零功率的情况下，熔融量的减少将改变制造零部件在熔融减少或消除的位置处的密度(这将简单地使进给材料保持不变，例如仍然是粉末状的)。替代地，人们可以改变能量源焦点，这也改变了施加到进给材料的能量。此外，另一种替代方案是改变激光能量源扫描速度以改变在某些位置赋予给进给材料的能量。改变扫描能量源的行间距导致定子10在行间距偏离零部件的其他正常行间距的地方的孔隙率或密度改变。导致行间距变大将导致在行间距增大的那些区域中定子10的密度更低且孔隙率更大。这些情况中的每一种都将改变该位置处的进给材料与周围的进给材料颗粒的熔合程度，并因此改变该位置处最终制造产品的密度或孔隙率。应当理解，也可以使用改变进给材料的过程来改变其他材料特性，诸如导热性、导电性、磁性等。

虽然上面讨论了减少施加的能量，但是同样重要的是，要注意能量增加也可能对实现定子10中所需的特定材料特性是有用的。增加能量源功率将往往使粉末状金属蒸发，从而留下孔隙。

返回参考另一种确定的用于改变定子中材料特性的方法，所述方法不依赖于所供应的能量，可以改变进给材料本身。这可以通过改变在粉末状进给材料的进给头处供应的材料或通过在送丝过程中改变丝线组成来实现。能够用不同材料进行增材制造的工艺包括例如冷气工艺、能量源熔覆或直接激光沉积。

预期用于构造定子或泵的材料包括细颗粒或丝线(包括金属和/或金属合金材料)并且还可以任选地包括塑料、陶瓷和/或有机材料。更具体地，材料可以包括例如钴、镍、铜、铬、铝、铁、钢、不锈钢、钛、钨或它们的合金和混合物、磁响应材料、聚醚醚酮(PEEKTM)、碳基材料(例如，石墨、石墨烯、金刚石等)和/或玻璃。可以采用的材料的具体非限制性实例包括PA12-MD(Al)、PA12-CF、PA11、18Mar 300/1.2709、15-5/1.4540、1.4404(316L)、合金718、合金625、CoCrMo、UNS R31538、Ti6Al4V和AlSi10Mg、合金945x、17-4/1.4542、合金925、CrMnMoN-钢、CoCr合金

CoNiAlloy、MP35或等同物、4140、4145、WC-Ni、WC-Co和/或W。所采用的材料的另一个实例是与陶瓷材料的细颗粒混合的金属或金属合金材料的细颗粒，所述材料被构造成形成金属-陶瓷复合材料(例如，金属陶瓷)，其中在金属和/或金属合金材料颗粒熔融和聚结时，陶瓷颗粒嵌入金属或金属合金基体内。更具体地，这些材料可以是与碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化钼和其他金属碳化物陶瓷材料的细颗粒混合的钴、镍、铁、钢、不锈钢或它们的合金和混合物的细颗粒。

参考图8，示意性地示出了井下系统，其具有设置在其中的如本文所公开的定子或泵。所述系统包括设置在井眼42中的管柱40，所述管柱包括定子或泵10。

下文阐述的是前述公开的一些实施方案：

实施方案1：一种用于制造定子的方法，其包括：放置材料并将所述材料以由所述定子的设计形状决定的图案粘结在一起，所述形状包括多个凸耳，所述多个凸耳中的至少一个凸耳包括骨架结构，所述多个凸耳中的至少一个凸耳具有负载侧和密封侧，所述密封侧与所述负载侧相比被所述骨架结构更少地支撑。

实施方案2：根据任何在先实施方案的方法，其中，通过直接金属激光熔融进行所述粘结。

实施方案3：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述放置和粘结是增材制造工艺的一部分。

实施方案4：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述增材制造工艺包括逐层或逐颗粒的方法。

实施方案5：根据任何在先实施方案的方法，其中，通过焊接、粘合和烧结中的一种进行所述粘结。

实施方案6：根据任何在先实施方案的方法，其中，修改所述增材制造工艺的操作参数，以在所述定子内的一位置中产生与所述定子内的其它地方的材料特性不同的材料特性。

实施方案7：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述材料是金属或金属合金。

实施方案8：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述金属或金属合金包括钴，镍，铜，铬，铝，铁，钢，不锈钢，钛，和钨中的至少一种。

实施方案9：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述材料是聚醚醚酮，碳基材料，和玻璃中的至少一种。

实施方案10：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述材料是金属陶瓷复合材料。

实施方案11：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述方法还包括将密封材料设置在密封侧。

实施方案12：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述骨架结构包括最内不对称表面，并且所述最内不对称表面的至少一部分被调整。

实施方案13：根据任何在先实施方案的方法，其中，所述调整呈现出菱形图案。

实施方案14：一种用于制造定子的方法，其包括：创建定子的计算机模型，所述定子具有多个凸耳，所述多个凸耳中的至少一个凸耳包括骨架结构，所述多个凸耳中的至少一个凸耳具有负载侧和密封侧，所述密封侧与所述负载侧相比被所述骨架结构更少地支撑；将所述模型加载到增材制造设备中；操作所述增材制造设备以产生所述模型的物理复制品。

在描述本发明的上下文中(尤其在随附权利要求的上下文中)使用术语“一个”和“一种”以及“所述/该”还有类似指称应理解为涵盖单数与复数，除非本文另外指明或明显地与上下文矛盾。另外，还应注意的是，在本文中的术语“第一”、“第二”和类似者不是指示任何顺序、数量或重要性，而是用来区分各个元件。结合数量使用的修饰词“约”包括陈述的值并且具有上下文规定的含义(例如，其包括了与特定数量的测量相关联的误差度)。

虽然本发明已参考一个或多个示例性实施方案进行了描述，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可以用等同物取代本发明的元件。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改，以使特定的状况或材料适应本发明的教导。因此，预期的是，本发明不限于作为被构想用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本发明将包括落在权利要求范围内的所有实施方案。另外，在附图和描述中，已公开了本发明的示例性实施方案，并且虽然已采用了特定术语，但是除非另有说明，否则它们都仅用于一般和描述性意义，而不用于限制性的目的，因此本发明的范围不限于此。