МНОГОЗАХОДНЫЙ ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F04C2/16 F04C5/00 

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости, а также в винтовых гидромашинах общего назначения (насосах, моторах или компрессорах).

Известен многозаходный винтовой героторный механизм (см. М.Т. Гусман, Д. Ф. Балденко, А. М. Кочнев, С.С. Никомаров. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М.: Недра, 1981, с. 41-44, рис. 19, 21), включающий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями. Число зубьев статора на единицу больше числа зубьев ротора. Ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев. Торцовый профиль статора выполнен как эквидистанта укороченной гипоциклоиды, а профиль ротора - как огибающая профиля статора при взаимном обкатывании по рабочим центроидам.

Недостатком известного героторного механизма является то, что профили ротора и статора строятся как специальные, пригодные лишь для данного конкретного механизма. Изменение диаметральных размеров, числа зубьев у элементов механизма приводит к необходимости проектирования и изготовления нового зуборезного инструмента.

Указанный недостаток частично устранен в известном героторном механизме винтового забойного двигателя (см. пат. СССР 1595105, М.кл. F 04 C 2/16, опубл. 20.12.1999 г.), содержащем элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями. Зубья статора и ротора имеют разницу их чисел, равную единице. Ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев. Торцовые профили ротора и статора выполнены в виде огибающих общего исходного контура рейки, очерченного по эквидистанте укороченной циклоиды, со смещениями общего исходного контура при образовании профилей зубьев статора и ротора. Диаметральный натяг обеспечивается за счет разницы смещений исходного контура при образовании профилей зубьев ротора и статора.

Недостатком известного героторного механизма является то, что профили ротора и статора, построенные от общего исходного контура рейки, имеют погрешности взаимоогибания и неравномерный натяг, в результате чего во внеполюсных зонах контакта зубьев статора и ротора возникают зазоры, которые приводят к утечкам промывочной жидкости, что снижает долговечность героторного механизма.

Задачей настоящего изобретения является создание многозаходного героторного механизма винтовой гидравлической машины с равномерным натягом во всех фазах контакта зубьев статора и ротора, что обеспечивает повышение надежности и долговечности механизма.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном многозаходном героторном механизме винтовой гидравлической машины, содержащем элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, причем число зубьев статора на единицу больше числа зубьев ротора, ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев, а торцовый профиль зубьев одного из элементов выполнен как огибающая исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды со смещением, согласно изобретению торцовый профиль зубьев другого элемента выполнен в виде эквидистанты огибающей первого элемента при обкатывании без проскальзывания их центроид, а величина эквидистантности составляет половину величины диаметрального натяга в зацеплении.

Такое выполнение героторного механизма позволяет создать равномерный натяг между всеми зубьями статора и ротора во всех фазах зацепления, повысить энергетическую характеристику за счет уменьшения утечек жидкости, увеличить запасы на износ зубьев и повысить долговечность героторного механизма.

На фиг.1 показан общий вид многозаходного героторного механизма винтовой гидравлической машины в продольном разрезе;
на фиг.2 приведено поперечное сечение механизма по линии А-А;
на фиг. 3 показан в увеличенном масштабе торцовый профиль зубьев одного из элементов механизма (статора) и профиль исходного контура рейки;
на фиг. 4 показаны в увеличенном масштабе торцовые профили зубьев статора, огибающей статора и зубьев ротора.

Многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины (фиг.1) содержит два элемента: статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и металлический ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4. Число Z₁ зубьев 2 статора 1 выполнено на единицу больше числа Z₂ зубьев 4 ротора 3 (фиг.2), а ось O₁ статора 1 смещена относительно оси О₂ ротора 3 на величину эксцентриситета равную половине высоты Н зубьев.

Торцовый профиль зубьев одного из элементов, например статора 1, выполнен как огибающая исходного контура рейки 5, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды 6 со смещением Δh₁. Укороченная циклоида 6 образуется точкой М круга 7, катящегося без скольжения по оси y_pt (фиг.3).

Координаты х_рt, y_pt и угол профиля α_pt, исходного контура рейки 5 рассчитываются по уравнениям
x_pt = -r+cosψ_p+r_ysinα_pt,
y_pt = r•ψ_p+cosψ_p+r_ycosα_pt,

где а - радиус производящей окружности, равный эксцентриситету (межосевому расстоянию) героторного механизма;
r - радиус катящейся окружности;
r_ц - радиус эквидистанты укороченной циклоиды;
ψ_p - текущий угловой параметр рейки.

Образованный от исходного контура рейки 5 торцовый профиль зубьев 2 одного из элементов (статора 1) описывается уравнениями, определяющими координаты точки В профиля х₁, y₁, r₁ и углы ξ₁, ν₁, δ₁:
x₁ = (x_pt+r_w1+Δh₁)cosϕ₁-(y_pt-r_w1ϕ₁)sinϕ₁;
y₁ = (x_pt+r_w1+Δh₁)sinϕ₁+(y_pt-r_w1ϕ₁)cosϕ₁;



ν₁ = α_pt-ϕ₁;
ξ₁ = ν₁-δ₁,
где r_w1 - радиус делительной окружности статора 1, r_w1=rZ₁;
Δh₁ - смещение исходного контура рейки 5 от делительной окружности статора r_w1;
ϕ₁ - угол поворота системы координат, связанной со статором 1, по отношению к положению, показанному на фиг.3;
δ₁ - полярный угол текущей точки профиля статора 1;
ξ₁ - угол между направлением касательной к профилю и полярным радиусом-вектором;
ν₁ - угол между направлением касательной к профилю и осью ординат O₁X₁.

Профиль другого элемента механизма - ротора 3 выполняется в виде эквидистанты огибающей 8 статора 1 (фиг.4), которая образуется при обкатывании центроиды 9 ротора 3 радиуса R_w2=a_w12Z₂ по центроиде 10 статора 1 радиуса R_w1= a_w12Z₁.

Координаты x_oc, y_ос точек огибающей 8 статора 1 рассчитываются по формулам
x_oc = x₁cos(ϕ_O2-ϕ_O1)-y₁sin(ϕ_O2-ϕ_O1)-a_w12cosϕ_O2;
y_oc = x₁sin(ϕ_O2-ϕ_O1)+y₁cos(ϕ_O2-ϕ_O1)-a_w12sinϕ_O2;


ξ_oc = ν₁-δ_oc-(ϕ_O2-ϕ_O1);


где ϕ_O2, ϕ_O1 - углы поворота систем координат, связанных соответственно с ротором 3 и статором 1.

Координаты x₂, y₂, r₂ и углы ξ₂, ν₂, δ₂ в текущей точке С торцового профиля зубьев 4 ротора 3 как эквидистанты огибающей 8 статора 1 рассчитываются по формулам:


ν₂ = ν_oc = ξ_oc-δ_oc;


ξ₂ = ν₂-δ₂,
где Δ - диаметральный натяг в зацеплении,
ξ₂ - угол между направлением касательной к профилю ротора 3 и полярным радиусом-вектором;
ν₂ - угол между направлением касательной к профилю ротора 3 и осью ординат О₂Х₂;
δ₂ - полярный угол текущей точки С профиля ротора 3.

Возможен и такой случай, не показанный на чертежах, когда в виде огибающей исходного контура циклоидальной рейки 5 выполнен торцовый профиль зубьев другого элемента механизма - ротора 3. В этом случае профиль статора 1 выполняется как эквидистанта огибающей профиля ротора 3 при обкатывании центроиды 10 статора 1 радиуса R_w1=a_w12 Z₁ по центроиде 9 ротора 3 радиуса R_w2=a_w12Z₂.

В верхней части статора 1 героторного механизма выполнена резьба 11 для присоединения к колонне бурильных труб (не показана), в нижней части статор 1 снабжен резьбой 12 для присоединения к корпусу опорного узла, а в нижней части ротора 3 выполнена резьба 13 для соединения с валом опорного узла (корпус и вал опорного узла не показаны).

Многозаходный винтовой героторный механизм гидравлической машины работает следующим образом. Винтовые зубья статора 1 и ротора 2 образуют замкнутые винтовые камеры. Промывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в героторный механизм, ротор 3 которого под действием неуравновешенных гидравлических сил совершает планетарное движение относительно статора 1, при этом происходит качение без проскальзывания рабочих центроид 9 и 10 статора 1 и ротора 3. Ось О₂O₂ ротора 3 вращается вокруг оси O₁O₁ статора 1 по окружности радиуса а_w12, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O₂O₂ в противоположном направлении.

В описываемом героторном механизме во всех зонах контакта зубьев (фиг.4) обеспечивается равномерный натяг, показанный в увеличенном масштабе заштрихованными областями (I, II, III, IV), что обеспечивает уменьшение утечек жидкости, создает равномерный запас на износ по вершинам, впадинам и боковым сторонам зубьев героторного механизма, в результате чего повышается долговечность гидравлической машины.

Изобретение относится к технике строительства скважин и может быть использовано в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости, а также в винтовых гидромашинах общего назначения. Механизм содержит статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и ротор с наружными винтовыми зубьями. Число зубьев статора выполнено на единицу больше числа зубьев ротора, а ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев. Торцовый профиль зубьев одного из элементов выполнен как огибающая исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды со смещением. Торцовый профиль зубьев другого элемента выполняется в виде эквидистанты огибающей первого элемента при обкатывании без проскальзывания их центроид, а величина эквидистантности составляет половину величины диаметрального натяга в зацеплении. Обеспечивается равномерный натяг во всех фазах контакта зубьев статора и ротора, что повышает надежность и долговечность механизма. 4 ил.

Многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины, содержащий элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, причем число зубьев статора больше числа зубьев ротора на единицу, ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев, а торцовый профиль зубьев одного из элементов выполнен как огибающая исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды со смещением, отличающийся тем, что торцовый профиль зубьев другого элемента выполнен в виде эквидистанты огибающей первого элемента при обкатывании без проскальзывания их центроид, а величина эквидистантности составляет половину величины диаметрального натяга в зацеплении.