螺杆马达定子衬套结构设计优化

邵增元，关勤勤，刘轶溟

中石化石油机械股份有限公司，湖北武汉 430000

螺杆钻具是石油钻井中为钻头提供破岩扭矩的一种工具，随钻头一起在井下工作。螺杆钻具主要由旁通阀、螺杆马达、万向轴和传动轴等四大总成组成，其中螺杆马达是将液体的压力能转换成机械能的能量转换装置，是螺杆钻具最核心的部件。螺杆马达由定子、转子组成，转子是表面经过硬化的钢件，定子通常是在钢管内壁压注橡胶衬套而形成，定子橡胶衬套的内孔表面与转子的外表面为相互啮合的螺旋面，利用两者的导程差和定子的局部预压缩形成螺旋密封腔，泥浆进入马达后，密封腔与非密封腔之间的压差推动转子旋转，从而为钻头提供旋转扭矩。

螺杆马达定子在使用中会出现机械失效、疲劳失效、热失效和化学失效[1]。其中定子的疲劳失效和热失效与定子衬套的壁厚结构设计相关。

1 等壁厚定子衬套结构设计与分析

（1）常规定子衬套结构设计及性质。等壁厚定子衬套是对常规定子衬套结构的一次设计优化，常规定子衬套的截面如图1所示。

图1 常规螺杆马达定子

从图1中可以看出，定子衬套a、b处的壁厚相差很大。橡胶是黏弹性材料，螺杆马达工作过程中，定子橡胶受到转子和流体压力的重复挠曲作用，其中一部分挠曲能转换成热能，由于橡胶的导热性较差，定子衬套壁厚中心的温度较高，图2是有限元分析得出的定子衬套的温度分布[2]，厚壁中心温度比表面温度高30℉（1℉=9/5℃+32）。

图2 常规定子衬套的温度分布/℉

计算结果与理论分析一致。热聚集的结果导致定子橡胶物理性能减弱，发生失效。高温下不同时刻定子橡胶受损情况如图3所示[3]。

图3 高温下不同时刻定子橡胶受损情况

（2）等壁厚定子衬套结构设计及性质。针对常规螺杆马达壁厚中心的热聚集问题，对马达定子衬套的壁厚结构进行了优化设计，研发出等壁厚定子衬套（马达称为等壁厚螺杆马达），见图4。

图4 等壁厚螺杆马达定子

等壁厚螺杆马达的定子衬套壁厚沿螺旋面法线方向处处相等。采用有限元法对等壁厚定子衬套与常规定子衬套的受力和变形进行分析，结果表明，在相同压力下，等壁厚定子衬套的最大位移比常规定子衬套小59%[4]，说明等壁厚定子衬套位移变化平缓，热聚集问题得到显著改善。

2 等壁厚定子衬套结构的进一步优化

2.1 等壁厚螺杆马达定子衬套结构设计存在的问题分析

虽然采用有限元受力分析方法得出的结论认为，等壁厚螺杆马达定子衬套位移以及热性能均优于常规螺杆马达，但实际使用中，等壁厚螺杆马达定子衬套仍然会发生掉胶失效现象，于是对等壁厚定子衬套结构进行了更深入的分析研究。

采用流固耦合的理论和方法进行研究，发现在转子沿定子的运动过程中，定子表面的受力是不均匀的，研究结果见图5。

图5（a）显示：定子衬套啮入面波峰与波谷之间的应力最大，此处最容易发生橡胶失效；图5（b）显示：失效定子的实际失效部位与图5（a）分析结果一致。当转子波峰沿定子波峰啮入波谷过程中，定子衬套啮入面波峰-波谷中间的应力先增大，然后减小，其应力均值和幅值的大小影响着定子衬套的疲劳寿命。

2.2 等应力螺杆马达定子衬套结构设计及性质

针对等壁厚螺杆马达定子衬套存在的上述缺陷，提出了一种定子管内轮廓波峰波谷非对称的螺杆马达[5]（专利正在审理），其在定子钢管中压注橡胶形成定子衬套，见图6。该马达的定子衬套设计目的是减小高应力区的应力水平和应力波动，因此也称作等应力螺杆马达。

图5 等壁厚螺杆马达定子应力分布与失效

图6 等应力螺杆马达定子

由图6可见：定子衬套的波峰a与波谷c几何结构不对称，啮入面波峰与波谷之间b处的壁厚适当增大。

采用流固耦合方法对优化的定子衬套进行了计算分析，计算结果表明，改进后的定子衬套，其最大承载点的平均应力降低了18%，应力幅值降低了38%。等壁厚螺杆马达和等应力螺杆马达的定子衬套最大承载点的应力变化见图7。

图7 两种螺杆马达的定子衬套最大承载点的应力变化

3 结束语

等壁厚螺杆马达虽然改善了常规螺杆马达定子衬套的热性能，减小或消除了常规螺杆马达的热聚集问题，但由于其定子衬套啮入面波峰-波谷之间的应力水平和应力波动较大，依然不能解决定子衬套因疲劳而产生的掉胶问题。

对等壁厚螺杆马达定子衬套结构进行了优化，设计了等应力螺杆马达，采用流固耦合的方法对两种马达定子的受力进行了分析对比，与等壁厚螺杆马达对比，等应力螺杆马达定子的衬套最大承载点的平均应力降低了18%，应力幅值降低了38%，能够改善等壁厚螺杆马达定子衬套的疲劳性能。