ОБЪЕМНЫЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин в качестве забойного двигателя для привода породообразующего инструмента.

Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус, масляный компенсатор, статорные втулки, гидравлически и механически соединенные между собой ступени, состоящие из секций ротора и статора, установленных с зазором между осью шарнира и статорной секцией поворотных лопастей со средством поворота. Каждая поворотная лопасть выполнена в виде пластины, жестко соединенной с осью шарнира и расположенной тангенциально относительно нее. Лопасть установлена в пазу статора с возможностью постоянного опирания на ротор. Средство поворота лопасти выполнено в шарнире в виде каналов продольного, расположенного эксцентрично относительно наружной поверхности оси шарнира и поперечных, оси которых не пересекаются с осью вращения лопасти ( авт.св. N 1313997).

Данная конструкция гидравлического забойного двигателя сложна по устройству, нуждается в сравнительно больших диаметральных размерах и приводит к быстрому износу трущихся поверхностей, воспринимающих на себя постоянные большие усилия от гидравлического давления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является забойный двигатель, включающий цилиндрический корпус, имеющий вертикальные нагнетательные и сливные каналы, с закрепленными в нем профилированным статором, разделенным на поперечные камеры, имеющие по два продольных окна, соответственно сообщенных с нагнетательным и сливным каналами и ступенчатым ротором с подвижно установленными в его диаметральных сквозных пазах лопастями, которые выполнены под углом один к другому, причем угол поворота пропорционален количеству ступеней ротора [1] К недостаткам этого забойного двигателя можно отнести сложность изготовления: лопастного узла, который состоит из 19-ти деталей вместо предлагаемых 3-х, статора, который имеет сложную конфигурацию, дающую основания сомневаться в возможности его изготовления. Конструкция статорной полувтулки с расположенными в ней промывочными каналами не позволяет создать надежный в работе забойный двигатель с минимальными размерами по длине и диаметру.

Главная цель предлагаемого объемного забойного двигателя получение необходимого числа оборотов и крутящего момента на забое, независимых от крепости проходимых пород и нагрузки на долото, т.е. характеристики мотора, которой не обладает ни турбобур, ни винтовой двигатель с обрезиненным статором, нашедшие наибольшее распространение и применение в производстве. Кроме основной цели, при разработке объемного забойного двигателя, преследовалось сокращение его диаметральных размеров, простота конструкции, повышения КПД, долговечность, снижение металлоемкости, использование в других областях народного хозяйства.

Указанные цели достигаются тем, что стенки рабочих камер совмещены с одной стороны со стенкой цилиндрического корпуса, а с другой стороны ограничиваются статорными полувтулками, жестко закрепленными к корпусу болтами.

Входные и выходные промывочные каналы рабочих камер расположены должным образом в вырезах и срезах самих статорных полувтулках. Лопасти ротора выполнены из двух половин, разделенных регулировочной прокладкой. Разделительные перегородки имеют вертикальные окна, последовательно соединяющие рабочие камеры. Лопасти рабочих камер расположены в одной плоскости, а полувтулки повернуты относительно друг друга на 180^о.

На фиг.1 показан общий вид объемного забойного двигателя; на фиг.2, 3, 4 сечения по А-А, Б-Б, В-В соответственно; на фиг.5 полувтулка.

Двигатель состоит из следующих основных узлов и деталей: корпуса 1 с переводниками 2 и 3, рабочего вала 4 с лопастями 5, полувтулок 6, межкамерной перегородки 7 с герметизирующими кольцами 8, опорных подшипников 9 (осевой), 10, 11 (радиальные), полого выходного вала 12, ориентирующих штифтов 13, 14, крепежных болтов 15, 16, регулировочных прокладок 17, 18, 19, 20,набора уплотнений 21, 22 и 23, 24, 25, 26 и компенсационных пружин 27.

Внутренние детали корпуса 1 (пакет подшипников 10 и 11, полувтулок 6, межкамерной перегородки 7) зажимаются от осевого и радиального перемещения переводниками 2 и 3. Кроме этого, полувтулка 6 и межкамерная перегородка 7 крепятся к корпусу крепежными болтами соответственно 15 и 16.

Необходимое взаимное расположение полувтулок 6, подшипников 10, 11 и межкамерной перегородки 7 обеспечивается штифтами 13, 14. Рабочие камеры, состояние из корпуса 1, вала 4, лопастей 5 и полувтулок 6 аналогичны по устройству, но только полувтулки 6 их повернуты относительно друг друга на 180^о. Это сделано для равномерной работы двигателя, для лучшей переработки энергетических возможностей потока жидкости.

Для лучшей гидроизоляции между рабочими камерами внутри перегородки 7 предусматривается самоуплотняющее, самопритирающее кольцо 8.

С целью герметизации и прочности, при окончательной сборке двигателя все поверхности контактирующих неподвижных деталей и резьб смазываются эпоксидной смолой или краской. Конструкция двигателя рассчитана на самоприработку его рабочих органов за счет наличия компенсационных пружин 27 и на текущий ремонт за счет постановки и выброса регулировочных прокладок 17, 18, 19, 20.

Двигатель работает следующим образом. Жидкость по боковому внешнему каналу подшипника 10 попадает в рабочую камеру (фиг.1 и 2). В рабочей камере она встречает с одной стороны неподвижную преграду полувтулки 6, а с другой подвижную стенку лопасти 5, которую и заставляет вращать вал 4. Совершив поворот вала 4 на угол рабочей камеры, жидкость поступает по специальному вырезу С в полувтулке 6 через окно Д межкамерной перегородки 7 в следующую рабочую камеру.

В это время лопасть 5 вступает в переходную "мертвую зону" (участок перехода лопасти из рабочего состояния в холостое с одной стороны, а с другой стороны из холостого в рабочее) и скользит по скосу полувтулки 6. Благодаря этому направляющему скосу лопасть 5 с одной стороны входит в вал 4, а с другой стороны выходит из него Таким образом, за 1 оборот вала 4 лопасть 5 дважды проходит по рабочей камере, сокращая тем самым ее холостой пробег.

В тот момент, когда лопасть 5 в первой камере проходит мертвую зону (фиг.4), во второй камере лопасть 5 находится, благодаря смещению полувтулки на 180^о, в середине рабочего цикла и полностью воспринимает на себя энергию потока.

Во второй рабочей камере переработка энергии потока жидкости происходит аналогично первой. Из нее жидкость по промывочному каналу в опорном подшипнике 11 попадает в переводник 3, а из него через отверстие полого вала 12 к буровому наконечнику.

Преимущества предлагаемого объемного забойного двигателя состоят еще в том, что он:
может использоваться для работы в условиях высоких температур и агрессивных сред, так как в своей конструкции не содержит резиновых элементов;
может быть использован в качестве насоса для подъема воды и нефти из скважин с гораздо большей глубины в сравнении с центробежными насосами;
позволяет создать мощный малогабаритный забойный двигатель (с уменьшенным диаметром и длиной), что крайне важно при бурении с выходом на горизонтальный ствол и при бурении сверхглубоких скважин для снижения влияния горного давления на состояние ствола скважин.

Использование: привод для вращения породоразрушающего инструмента при бурении скважин. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндрический корпус. Внутри корпуса без зазора закреплены профилированные статоры в виде полувтулок в поперечные перегородки с каналами. Каналы последовательно соединяют рабочие камеры. В нижней угловой части входной кромки каждой полувтулки выполнен выходной канал в виде выреза, совмещенного с каналом перегородки. Внутри корпуса размещен ротор со сквозными пазами, расположенными в одной осевой плоскасти. В пазах расположены лопасти, установленные с возможностью радиального перемещения. Лопасти выполнены в виде двух половин и подпружинены в радиальном направлении. Между половинами лопасти установлена регулировочная прокладка. Полувтулки статоров повернуты друг относительно друга на 180°. 5 ил.

ОБЪЕМНЫЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, включающий цилиндрический корпус с закрепленными в нем профилированными статорами, разделенными на поперечные рабочие камеры перегородками с каналами для прохода жидкости, ротор со сквозными пазами, в которых помещены подвижные в диаметральных направлениях подпружиненные лопасти, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и технологии изготовления при одновременном сокращении размеров по длине и диаметру, повышения КПД и эксплуатационной надежности двигателя, статор в каждой камере выполнен в виде полувтулки, сплошной по длине и поперечному сечению, причем входной канал в рабочую камеру выполнен в самой полувтулке по всей ее длине в виде части ее среза по диаметру и образующей, выходной канал выполнен в виде выреза в нижней угловой части входной кромки статора и совмещен с вертикальным каналом перегородки, последовательно соединяющим рабочие камеры, при этом все лопасти ротора расположены в одной осевой плоскости и выполнены в виде двух половин, между которыми установлена регулировочная прокладка, полувтулки сопряжены с внутренней поверхностью корпуса и без зазора с помощью болтов и повернуты относительно одна к другой на 180^o.