МНОГОШАГОВЫЙ ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК E21B4/02 F01C5/04 

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин забойными двигателями.

Широко известны винтовые двигатели типа Д (см. например, авт.св. N 237596, B 04 C 5/02 от 12.11.1969). Эти двигатели характеризуются низкой стойкостью рабочих органов.

С целью повышения надежности винтовых двигателей их рабочие органы выполняются многошаговыми. Нетехнологичность изготовления длинномерных моноблочных роторов и статоров решается выполнением их из наборов составных элементов.

Одним из таких технических решений является двигатель (патент США N 3912426 F 01 C 5/04 от 14.10.75, прототип), винтовой статор которого составлен из отдельных элементов, размещенных в общем корпусе. Для обеспечения совпадения винтовых поверхностей каждый элемент статора снабжен фиксирующими элементами (штифты, выступы, пазы и пр.). Недостатком такой конструкции многошагового двигателя является сложность выполнения элементов статора, необходимость их взаимного ориентирования при сборке.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции двигателя и его сборки.

Указанная цель достигается тем, что в известном многошаговом винтовом двигателе, включающем статор, содержащий по своей длине его элементы, отцентрированные по наружным цилиндрическим поверхностям в корпусе двигателя и фиксированные в осевом направлении по своим концевым упорным поверхностям между двумя упорными уступами в корпусе, по крайней мере, один из которых является упорной концевой поверхностью переводника, соединенного резьбой с корпусом, эксцентрично расположенный относительно статора и находящийся с ним в зацеплении винтовыми зубьями ротор, соединенный кинематическим устройством с нижерасположенным валом шпинделя, концевые упорные поверхности элементов статора выполнены в виде поверхностей вращения относительно его обшей оси, причем соотношение между диаметральными размерами контактирующих поверхностей статора и корпуса находятся в пределах 0,96.1,00, а соотношение между длиной элемента статора и шагом его винтовой нарезки 0,4.4,5.

Кроме того, ротор выполнен из скрепленных между собой элементов, расположенных соосно и произвольно друг относительно друга в окружном и осевом направлениях, причем любой элемент статора находится в зацеплении только с одним элементом ротора.

На фиг. 1 схематично показан двигатель. Он включает статор 1, выполненный из набора элементов 1а и 1б, размещенных в корпусе 2. Винтовые зубья статора выполнены из эластомера. По концевым упорным поверхностям А элементы 1а и 1б статора зажаты между упорными уступами Б и В корпуса 2 и переводника 3, соединенного с последним резьбой Г. Двигатель включает также винтовой ротор 4, находящийся в зацеплении по винтовым зубьям со статором 1 и соединенный кинематическим устройством 5 (на фиг. 1-торсионом) с валом 6 шпинделя 7.

Концевые упорные поверхности А, Б и В выполнены в виде конических поверхностей с осью О-О, являющейся также осью двигателя. Ось О₁-О₁ ротора 4 размещена с эксцентриситетом е относительно оси О-О.

Элементы 1а и 1б устанавливаются в корпусе 2 по посадке с обеспечением соотношения d/D между наружным диаметром d элементов 1а и 1б и внутренним диаметром D корпуса 2 в пределах 0,96.1,00.

Кроме того, элементы 1а и 1б выполнены таким образом, что соотношение I/t длины элемента статора к шагу его винтовой нарезки составляет 0,4.4,5.

На фиг. 2 схематично показан многошаговый двигатель, винтовой ротор 4 которого выполнен из двух его элементов 4_а и 4_б, скрепленных между собой резьбами Е и Ж. Элементы ротора 4_а и 4_б имеют общую ось О₁-О₁. В общем случае указанные элементы ротора 4 имеют винтовые нарезки с окружным смещением друг относительно друга, т. е. винтовая поверхность одного элемента не является продолжением таковой другого элемента. Кинематической устройство 5 выполнено в виде карданного соединения.

На фиг. 3 показан вариант соединения двух элементов ротора 4_а и 4_б кинематического устройства 5.

Заявленные пределы соотношения d/D=0,96.1,00 диаметральных размеров элементов статора и корпуса определены исходя: из допустимых окружного и радиального взаимных смещений элементов статора, исключающих заклинку винтовой пары (нижний предел), и из условия монтажа элементов статора в корпусе без диаметрального натяга (верхний предел).

Заявленные пределы соотношения I/t=0,4.4,5 между длиной элемента статора и шагом его винтовой нарезки определены исходя из допустимой окружной деформации винтовых зубьев из эластомера (нижний предел). Указанная деформация возникает при креплении элементов статора переводником и является следствием неравнозначности коэффициентов трения по разным концевым упорным поверхностям элементов статора, корпуса и переводника.

Разность в величинах силы трения воспринимается зубьями из эластомера.

Верхний предел соотношения I/t определен технологическими возможностями процесса обрезинивания длинномерных деталей.

Собирают устройство следующим образом. На винтовой ротор 4 устанавливают элементы статора 1_а и 1_б (см. фиг. 1). Затем посредством относительного вращения визуально центрируют элементы статора друг относительно друга в данную сборку вставляют в корпус 2. При этом благодаря выполнению концевых упорных поверхностей в виде поверхностей вращения и обеспечению заданного геометрического соотношения d/D элементы статора самоустановятся относительно корпуса 2 и ротора 4, образуя винтовую пару увеличенной длины. В результате самоустановки оси элементов 1_а и 1_б совмещаются на единой оси О-О.

Благодаря соблюдению соотношения I/t обеспечивается и фиксация элементов 1_а и 1_б в корпусе 2, исключающая их взаимный проворот, и сохранение взаимного положения элементов 1_а и 1_б и ротора 4.

Концевые упорные поверхности элементов статора, корпуса и переводника могут выполняться как коническими (фиг.), так и плоскими (торцевыми, фиг.2). Форма поверхности вращения может быть и иной.

При выполнении ротора 4 из скрепленных между собой элементов 4_а и 4_б (фиг. 2) сборки производится без взаимного ориентирования элементов 4_а и 4_б по их винтовым поверхностям. Достаточным условием является только их соосность.

Работает двигатель следующим образом. Поступающая с поверхности рабочая жидкость под действием перепада давлений на рабочей винтовой паре создает на ее роторе 4 вращающий момент силы, передаваемый через кинематическое устройство 5 на вал 6 шпинделя 7 на далее на породоразрушающий инструмент (на фиг. 1, 2 и 3 на показан). Благодаря многошаговой конструкции рабочей пары обеспечивается снижение удельного перепада давлений (перепада, приходящегося на один виток пары) и удельного давления в контакте ротора 4 и статора 1.

Предложенное техническое решение позволяет монтировать винтовую пару любой необходимой для практики длины.

Применение винтового двигателя с многошаговой рабочей парой позволяет повысить надежность и снизить себестоимость буровых работ.

Использование: в горной промышленности, в частности в конструкции винтовых забойных двигателей для бурения скважин. Сущность изобретения: двигатель включает составной винтовой статор, элементы которого отцентрированы в корпусе по наружным цилиндрическим поверхностям и зафиксированы по концевым упорным поверхностям между уступами в корпусе или в переводниках, и ротор, соединенный кинетическим устройствам с валом шпинделя. Концевые упорные поверхности элементов статора выполнены в виде поверхностей вращения относительно продольной оси двигателя, обеспечивающих самоустановку элементов в окружном направлении относительно ротора. Соотношение между диаметральными размерами контактирующих поверхностей статора и корпуса составляет 0,96... 1,00, а соотношение между длиной элемента статора и шагом его винтовой поверхности находится в пределах 0,4...4,5. 2 з.п. ф-лы, 3ил.

1. Многошаговый винтовой двигатель, включающий винтовой статор, содержащий по своей осевой длине его элементы, отцентрированные по наружным цилиндрическим поверхностям в корпусе двигателя и фиксированные в осевом направлении по своим концевым упорным поверхностям между двумя упорными уступами в корпусе, по крайней мере один из которых является упорной концевой поверхностью переводника, соединенного резьбой с корпусом, эксцентрично расположенный относительно статора и находящийся с ним в зацеплении винтовыми зубьями ротор, соединенный кинематическим устройством с нижерасположенным валом шпинделя, отличающийся тем, что концевые упорные поверхности элементов статора выполнены в виде поверхностей вращения относительно его общей оси, обеспечивающих возможность самоустановки элементов статора в окружном направлении относительно ротора и возможность восприятия реактивного момента за счет их сжатия между упорными уступами в корпусе, которые также выполнены в виде поверхностей вращения, причем отношение диаметральных размеров контактирующих поверхностей статора и корпуса находится в пределах 0,96 - 1,00, а отношение длины элемента статора к шагу его винтовой нарезки находится в пределах 0,4 4,5. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен из скрепленных между собой его элементов, расположенных на одной оси произвольно относительно друг друга в окружном и осевом направлениях, причем любой элемент статора находится в зацеплении только с одним элементом ротора. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что кинематическое устройство присоединено к ротору в месте соединения его элементов.