ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F01C1/16 F01C5/04 E21B4/02 

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости.

Известен многозаходный винтовой героторный механизм винтового забойного двигателя (см. авт. свид. N 436944, опубл. БИ N 27 за 1974 г.), содержащий рабочие органы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зуба. Профили зубьев ротора и статора построены с использованием внецентроидного гипоциклоидального зацепления. Для создания минимального контактного давления в паре "ротор - статор" рабочие органы выполнены с отношением величины эксцентриситета зацепления к радиусу впадины зуба статора 0,3 - 0,85 и с отношением эксцентриситета зацепления к радиусу подвижной начальной окружности 0,9 - 0,98.

Недостатком многозаходного винтового героторного механизма винтового забойного двигателя является то, что при оценке минимального контактного давления не учитывался пространственный характер винтового зацепления, в результате чего при малых значениях хода винтовой линии статора возникали условия, приводящие к самоторможению механизма.

Указанный недостаток частично устранен в известном героторном механизме винтового забойного двигателя (см. патент СССР 926209, опубл. 07.05.82; БИ N 17), имеющем рабочие органы, содержащие статор с внутренними винтовыми зубьями из упругоэластичного материала и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев. Профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Для исключения явления самоторможения в механизме и улучшения его пусковых характеристик шаг t винтовой поверхности рабочего органа и средний диаметр D_ср винтовой поверхности рабочего органа связаны соотношением t/D_ср = 5,5 - 12.

Вышеуказанный героторный механизм удовлетворительно работает в винтовом забойном двигателе во всех режимах, кроме режима, близкого к тормозному. Как показали многочисленные стендовые испытания, в режиме работы двигателя, близком к тормозному, изгибная жесткость зуба статора, подверженного действию окружных сил и перепада давления, оказывалась недостаточной для обеспечения нормальной работы механизма, так как под действием перепада давления и окружных сил зубья статора получали чрезмерную деформацию и происходило "заклинивание" зубьев ротора сдеформированными зубьями статора, что приводило к полному торможению двигателя. При этом развиваемый двигателем вращающий момент при полной остановке двигателя оказывался ниже, чем в фазе, предшествующей моменту остановки. Если после остановки двигателя нагрузочный момент от тормоза снимался без выключения насосов, то двигатель вновь не запускался. Если же насосы выключались, то при их повторном включении запуск двигателя происходил беспрепятственно. Это свидетельствует о реальности описанного механизма заклинивания ротора зубьями статора. Анализ экспериментальных данных показал, что чрезмерная изгибная деформация зубьев статора приводит к снижению энергетической характеристики, надежности и долговечности героторного механизма и является следствием неудовлетворительных соотношений геометрических параметров профиля зубьев статора.

Задачей настоящего изобретения является создание героторного механизма винтового забойного двигателя, в котором устранены указанные недостатки и который обеспечивает повышение энергетической характеристики, надежности и долговечности за счет повышения изгибной жесткости зубьев статора.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном героторном механизме винтового забойного двигателя, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, согласно изобретению в торцевом сечении, перпендикулярном оси героторного механизма, толщина C_t зуба статора по среднему диаметру D_ср зубьев и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением:
C_t/S_t = 0,45 - 0,65,
а толщина C_N зуба статора по среднему диаметру D_ср зубьев в нормальном сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба статора на этом же диаметре, и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением:
C_N/h ≥ 1,75
Выполнение отношения C_t/S_t = 0,45 - 0,65 обеспечивает форму зуба статора в торцевом сечении, оптимальную с точки зрения восприятия изгибных нагрузок, действующих со стороны ротора, и в то же время обеспечивает благоприятную форму зуба ротора для передачи контактных нагрузок.

При выполнении отношения C_t/S_t меньше 0,45 толщина зуба статора уменьшается и становится недостаточной для восприятия окружных сил, действующих со стороны ротора.

Если отношение C_t/S_t больше 0,65, то это приводит к получению заостренного зуба ротора с малым радиусом кривизны у вершины зуба, что приводит к увеличению контактных напряжений в зацеплении и повышенному износу зубьев.

Выполнение зуба статора в нормальном сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба, с отношением C_N/h ≥ 1,75 определяет повышение устойчивости зуба статора к изгибу под действием перепада давления.

Если отношение C_N/h < 1,75, то изгибная жесткость зуба статора при его деформировании под действием перепада давления становится недостаточной для устойчивой работы винтового героторного механизма в режиме, близком к тормозному.

На фиг. 1 показан героторный механизм винтового забойного двигателя в продольном разрезе; ротор частично оборван для показа направления винтовых зубьев статора; на фиг. 2 приведено поперечное сечение героторного механизма винтового забойного двигателя по линии А - А;
на фиг. 3 приведен в увеличенном масштабе профиль зуба статора в торцевом сечении А-А, перпендикулярном оси механизма, совмещенный с профилем зуба статора в нормальном сечении N-N, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба.

Героторный механизм винтового забойного двигателя (фиг. 1 и 2) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых Z_р на единицу меньше числа Z_ст внутренних винтовых зубьев 2 статора 1. Ось O₁O₁ ротора 3 смещена относительно оси O₂O₂ статора 1 на величину эксцентриситета E, равную половине радиальной высоты h зубьев 2 и 4. Профили наружных винтовых зубьев 4 ротора 3 и внутренних винтовых зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми. Взаимоогибаемость профилей зубьев 4 и 2 соответственно ротора 3 и статора 1 может быть достигнута, например, выполнением профиля зубьев 2 статора 1 по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, а профиль зубьев 4 ротора 3 при этом образуется как огибающая профиля зубьев 2 статора 1 при качении без скольжения центроиды статора радиуса a = EZ_ст по центроиде ротора радиуса b = Е Z_р. Ход T_р винтовой линии зубьев 4 ротора 3 и ход T_ст винтовой линии зубьев 2 статора 1 пропорциональны числам зубьев этих элементов Z_р и Z_ст. Может быть использован и иной метод формообразования зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3, например, от исходного контура циклоидальной рейки по дугам окружностей или другие методы, обеспечивающие взаимоогибаемость профилей.

В торцевом сечении героторного механизма (фиг. 3), перпендикулярном оси O₂O₂ героторного механизма, толщина C_t зуба 2 статора 1 по среднему диаметру D_ср зубьев 2 и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением:
C_t/S_t = 0,45 ÷ 0,65.

В нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии М - М зуба 2 статора 1, толщина C_N зуба 2 статора 1 по среднему диаметру D_ср зубьев 2 и радиальная высота h (h = 2E) зуба 2 статора 1 связаны соотношением:
C_N/h ≥ 1,75.

В верхней части статор 1 снабжен резьбой 5 для присоединения к колонне бурильных труб (не показаны), в нижней части статор 1 снабжен резьбой 6 для соединения с корпусом опорного узла (последний не показан), а ротор 3 резьбой 7 соединен с валом опорного узла (не показан).

Героторный механизм винтового забойного двигателя работает следующим образом. Промывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в верхнюю часть героторного механизма, и в результате винтового направления зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3 под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 3 приводится во вращение, при этом его ось O₁O₁ вращается вокруг оси O₂O₂ статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса E, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O₁O₁ по часовой стрелке с уменьшенной в Z_р раз угловой скоростью. Окружная сила, соответствующая развиваемому крутящему моменту, воспринимается эластомерными зубьями 2 статора 1 в меру их изгибной жесткости в торцевом сечении, определяемой отношением толщины C_t зуба 2 статора 1 по среднему диаметру D_ср зубьев 2 к окружному шагу S_t, которое находится в пределах (0,45 - 0,65). Зубья 2 статора 1 подвергаются также действию межвиткого перепада давления и способность зубьев 2 противостоять деформациям от действия давления определяется отношением толщины C_N зуба 2 статора 1 по среднему диаметру D_ср зубьев 2 в нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии M - M зуба 2 статора 1, к радиальной высоте h зуба 2 статора 1 (C_N/h ≥ 1,75).

Как показали экспериментальные исследования, при выполнении зубьев 2 статора 1 в соответствии с вышеуказанными соотношениями за счет повышения изгибной жесткости зубьев героторный механизм винтового забойного двигателя имеет повышенные КПД и эффективную мощность, а случаи незапуска двигателя после его полного торможения отсутствуют.

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости. Героторный механизм винтового забойного двигателя содержит статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Профили наружных винтовых зубьев ротора и внутренних винтовых зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми. Ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. В торцевом сечении, перпендикулярном оси O₂O₂ героторного механизма, толщина C_t зуба статора по среднему диаметру зубьев и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением C_t/S_t = 0,45 - 0,65. В нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии М - М зуба статора, толщина С_N зуба 2 статора 1 по среднему диаметру D_ср зубьев и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением C_N/h ≥ 1,75. Повышаются энергетические характеристики, надежность и долговечность. 3 ил.

Героторный механизм винтового забойного двигателя, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упруго-эластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, отличающийся тем, что в торцевом сечении, перпендикулярном оси O₂O₂ героторного механизма, толщина C_t зуба статора по среднему диаметру D_ср зубьев и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением
C_t/S_t = 0,45 - 0,65,
а толщина C_N зуба статора по среднему диаметру D_ср зубьев в нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии M - M зуба статора, и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением
C_N/h ≥ 1,75.