РОТОРНО-ВИНТОВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного движения, в частности к устройствам для бурения газовых и нефтяных скважин.

Известен непосредственный привод резца (резцодержателя) для станка глубокого сверления, содержащий статор и ротор. Ротор в данном приводе выполнен составным и имеет эластичный корпус с наружной винтовой поверхностью и металлический конический каркас, на котором установлен с возможностью осевого перемещения эластичный корпус. Эластичный корпус и металлический каркас связаны между собой посредством шлицевого соединения и имеют механизм осевого перемещения эластичного корпуса на каркасе для изменения диаметра этого корпуса /1/.

Наличие шлицевого соединения эластичного корпуса с металлическим каркасом и механизмом осевого перемещения эластичного корпуса на каркасе усложняет конструкцию привода, снижает его надежность, а кроме того требует подъема буровой колонны из скважины и отстыковки привода. Основным недостатком известного изобретения является износ винтовой рабочей пары рабочим телом - промывочной жидкостью, а вследствие этого - малый ресурс двигателя. Наибольший ресурс лучших российских и зарубежных двигателей не превышает 350 часов.

Известен также винтовой забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенные в корпусе статор и ротор с многозаходными винтовыми зубьями, гибкую оболочку и выходной вал, соединенный с ротором /2/.

Известный двигатель также требует подъема буровой колонны из скважины для подкачки масла через обратный клапан в гибкую оболочку, выполненную в виде гибкого кольцевого замкнутого коллектора до тех пор, пока момент на проворачивание вала двигателя не достигнет требуемой величины. Этим компенсируется износ вершин статора и таким образом поддерживаются рабочие характеристики двигателя. По мере износа винтовой рабочей пары двигателя требуется подъем буровой колонны из скважины, глубина которой обычно 5 - 8 км. Основным недостатком известного двигателя является износ винтовой рабочей пары вследствие взаимодействия металлического вала - ротора с эластичным резиновым статором, при этом происходит износ преимущественно эластичного статора. Из-за этого при достижении определенного износа происходят утечки промывочной жидкости из одной полости в другую. Это приводит к тому, что с ростом износа ухудшаются рабочие характеристики двигателя, уменьшается момент на валу, сокращается ресурс его работы. Это существенно ухудшает технико-экономические показатели бурения, а также часто приводит к заклиниванию долота в скважине и его безвозвратной потере.

Наиболее близким к заявляемому является винтовой забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него с образованием полостей низкого и высокого давления многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор с эластичной оболочкой и установленный внутри статора ротор, а также приводной вал шпиндельной секции, соединенный с ротором /3/.

Основным недостатком известного двигателя является износ героторного механизма вследствие взаимодействия металлического вала-ротора с эластичным статором, между которыми существует натяг до 1 мм по вершинам спиральных поверхностей зубьев. Натяг необходим для обеспечения герметичности между полостями низкого и высокого давления и предотвращения утечек жидкости из одной полости в другую. По мере износа происходит разгерметизация полостей и наблюдаются утечки из одной полости в другую, происходит выработка ресурса героторного механизма, что требует подъема буровой колонны и замены винтового двигателя. Износ героторного механизма (винтовой рабочей пары) повышается также вследствие того, что промывочная жидкость - это вода из открытого водоема, а в ней обычно содержится от 3 до 5% абразивных частиц. Таким образом, в известном двигателе также невозможно исключить контакт рабочего тела - промывочной жидкости с винтовой поверхностью ротора, что снижает ресурс двигателя - это является основным его недостатком.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении ресурса и надежности двигателя за счет уменьшения износа винтовой рабочей пары путем направления потока текучей среды в проточные винтовые каналы, образованные статором и гибкой оболочкой, и применения масляной системы смазки рабочей поверхности ротора.

Сущность технического решения заключается в том, что в роторно-винтовом гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор, эластичную оболочку и установленный внутри статор ротор, а также приводной вал, соединенный с ротором, согласно изобретению, гибкая оболочка размещена между статором и ротором, скреплена со статором и закреплена на роторе с возможностью вращения ротора относительно нее, при этом между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью оболочки образованы проточные винтовые каналы, профиль каждого из которых выполнен замкнутым в поперечном сечении, соосным винтовой поверхности статора, а шаг каждого из каналов совпадает с шагом винтовой поверхности статора. Ротор выполнен с замкнутой полостью, заполненной смазывающей жидкостью, а по краям ротора выполнены ряды отверстий, сообщающих вышеуказанную полость с наружной поверхностью ротора.

Размещение между статором и ротором гибкой оболочки, скрепленной со статором и закрепленной на роторе с возможностью вращения ротора относительно нее, с образованием между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью оболочки проточных винтовых каналов, выполнение профиля каждого из каналов замкнутым в поперечном сечении, соосным винтовой поверхности статора, а шага каждого из каналов - совпадающим с шагом винтовой поверхности статора позволяет направить поток рабочего тела - промывочной жидкости в проточные винтовые каналы, т.е. мимо рабочей поверхности ротора, сохраняя его планетарное движение относительно статора, которое посредством выходного вала преобразуется во вращательное движение бурильного инструмента. Абразивные частицы в промывочной жидкости, содержание которых обычно составляет 3 - 5%, без заметного воздействия вдавливаются в гибкую оболочку и эластичный статор и вымываются далее на выход двигателя, не оказывая существенного износа эластичных сопряженных поверхностей.

Защита винтовой поверхности ротора от промывочной жидкости позволяет применить масляную систему смазки ротора. Для этого ротор выполнен с замкнутой полостью, заполненной смазывающей жидкостью, а по краям ротора выполнены ряды отверстий, сообщающих вышеуказанную полость с наружной поверхностью ротора.

Выполнение отверстий по краям ротора позволяет также обеспечить циркуляцию смазки, т.к. винтовые поверхности ротора выполняют одновременно функцию эжекторного насоса по прокачке части смазки вдоль винтовых линий.

На фиг. 1 представлен продольный разрез роторно-винтового гидравлического двигателя, а именно: одна из секций многосекционного двигателя, имеющего одинаковые секции; на фиг. 2 показан разрез A - A на фиг. 1.

Роторно-винтовой гидравлический двигатель содержит полый корпус 1, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор 2, эластичную оболочку 3 и установленный внутри статора ротор 4, приводной вал 5, соединенный с ротором 4 по конусной поверхности 6. Эластичная оболочка 3 размещена между статором 2 и ротором 4, скреплена со статором 2 методом совместной вулканизации и переплетения армирующего наполнителя по винтовым пояскам 7 и закреплена на роторе 4 при помощи цилиндрических поясков 8 и 9 с возможностью вращения ротора 4 относительно эластичной оболочки 3 по поверхности 10 ротора 4. Ротор 4 скреплен с переводником 11 и один из поясков, например, 8 расположен на нем. При этом между внутренней поверхностью 12 статора 2 и наружной поверхностью 13 оболочки 3 образованы проточные винтовые каналы 14, профиль каждого из которых 15 выполнен замкнутым в поперечном сечении, т.е. герметичным вдоль канала, соосным винтовой поверхности статора 2, а шаг каждого из каналов 14 совпадает с шагом винтовой поверхности статора 2. Входная часть 16 между эластичной оболочкой 3 и статором 2 выполнена скошенной к потоку 17 рабочего тела - промывочной жидкости для обеспечения беспрепятственного прохода ее в проточные каналы 14 при запуске двигателя. Внутри ротора 4 установлена втулка 18 с уплотнениями 19, которая фиксируется вдоль ротора пояском 20 приводного вала 5. При этом втулка 18 образует внутри ротора 4 замкнутую полость 21, заполненную маслом 22, а по краям ротора выполнены ряды отверстий 23 и 24, сообщающих полость 21 с наружной поверхностью 10 ротора 4.

Двигатель работает следующим образом.

Промывочная жидкость 17 под давлением 140 - 60 атм по колонне буровых труб подается в проточные винтовые каналы 14, профиль которых выполнен замкнутым, т. е. все каналы 14 изолированы один от другого. Возможность подачи промывочной жидкости обеспечивается известным техническим решением - вследствие разницы в количестве выступов (зубьев) в них, т.е. число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Возникающий на роторе 4 крутящий момент вызывает его планетарное движение относительно статора 2, которое при помощи приводного вала 5 преобразуется во вращательное движение долота (не показано). В работе полости проточных винтовых каналов 14 промывочная жидкость поступает соосно винтовой поверхности 12 статора 2 с шагом каждого из каналов 14, совпадающим с шагом винтовой поверхности статора 2. Винтовая поверхность 10 ротора 4 смазывается маслом 22 из замкнутой полости 21, часть которого поступает через ряды отверстий 24, продавливается выступами ротора 4 в направлении к рядам отверстий 23 и возвращается в полость 21. Часть смазки 22 вращается вместе с ротором 4 относительно поверхности оболочки 3, имеющей антифрикционное покрытие по краям оболочки 3.

Предлагаемое изобретение более чем в 20 раз увеличивает ресурс, повышает надежность двигателя, уменьшает вероятность потери долота в скважине.

Источники информации:
1. Патент Германии DE 3019308 C2, E 21 B 4/02.

2. Патент России N 1717782 A1, E 21 B 4/02.

3. Патент России N 1594258 A1, WE 21 B 4/02.

Роторно-винтовой гидравлический двигатель предназначен для использования при бурении скважин. Двигатель содержит полый корпус, размещенные внутри него статор с эластичной оболочкой, ротор и соединенный с ротором приводной вал. Эластичная оболочка размещена между статором и ротором. Она скреплена со статором и закреплена на роторе с возможностью вращения ротора относительно нее. Между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью оболочки образована проточные винтовые каналы для подачи рабочей жидкости, выполненные с шагом, совпадающим с шагом винтовой поверхности статора. Такое выполнение двигателя позволяет значительно повысить его ресурс работы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторно-винтовой гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор, эластичную оболочку и установленный внутри статора ротор, а также приводной вал, соединенный с ротором, отличающийся тем, что гибкая оболочка размещена между статором и ротором, скреплена со статором и закреплена на роторе с возможностью вращения ротора относительно нее, при этом между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью оболочки образованы проточные винтовые каналы, профиль каждого из которых выполнен замкнутым в поперечном сечении, соосным с винтовой поверхностью статора, а шаг каждого из каналов совпадает с шагом винтовой поверхности статора. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен с замкнутой полостью, заполненной смазывающей жидкостью, а по краям ротора выполнены ряды отверстий, сообщающих указанную полость с наружной поверхностью ротора.