ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК E21B4/02 F01C5/04 

Изобретение относится к героторным гидравлическим приводам, включающим многозаходные многоступенчатые героторные механизмы, в частности к устройствам для бурения наклонно-направленных скважин.

Известен героторный механизм винтовой забойной гидромашины, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ходы винтовых линий статора и ротора пропорциональны их числам зубьев, ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профиль зубьев статора в торцевом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды с радиусом эквидистанты R_C1 [1].

В известной конструкции профиль зубьев ротора в торцевом сечении выполнен как огибающая другого исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, а радиус эквидистанты R_C2 рейки ротора выполнен больше радиуса эквидистанты R_C1 рейки статора.

Недостатком известной конструкции являются технологические трудности и высокая стоимость длинномерных моноблочных роторов и статоров при выполнении их рабочих органов многоступенчатыми и многошаговыми (с числами шагов более 4).

Известен героторный гидравлический двигатель, винтовой статор которого составлен из отдельных элементов, размещенных в общем корпусе [2]. В известной конструкции для обеспечения совпадения винтовых поверхностей каждый элемент статора снабжен фиксирующими элементами: штифтами, выступами, пазами, и др. Недостатком такой конструкции многошагового двигателя является высокая стоимость и сложность выполнения элементов статора, необходимость их углового ориентирования при сборке.

Наиболее близким к заявленному является 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 расположенным ниже валом шпинделя [3].

В известной конструкции 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. 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. Кинематическое устройство присоединено к ротору в месте соединения его элементов.

Недостатком известной конструкции являются технологические трудности и высокая стоимость длинномерного моноблочного ротора при выполнении его многошаговым (с числом шагов более 4). Другим недостатком известной конструкции являются большие межвитковые потери давления в кольцевых полостях между роторами при стыковке роторов при помощи резьбовых переводников, а также большая длина героторного двигателя. Это не позволяет минимизировать объемные потери давления в героторном механизме, уменьшить длину компоновки низа бурильной колонны и увеличить интенсивность изменения зенитного угла при проходке скважины, а также повысить моментные характеристики двигателя.

Техническая задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических характеристик, ресурса и надежности героторного механизма двигателя путем минимизации объемных и межвитковых потерь давления и уменьшения перекашивающих моментов роторов, перераспределением натяга зубьев ротора в статоре через кольцевые демпферные полости между роторами. Другой технической задачей является уменьшение стоимости многозаходных и многоступенчатых двигателей и повышение точности проходки скважин за счет уменьшения длины двигателя.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него многозаходный многоступенчатый героторный механизм, каждая ступень которого включает соосно расположенный статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и установленный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, ходы винтовых линий статора и ротора пропорциональны их числам зубьев, а ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, согласно изобретению, по меньшей мере, две ступени статора контактируют в зацеплении с одним ротором или с соответствующим этим ступеням статора числом ступеней ротора, а ступени ротора установлены на общем торсионном валу, при этом профили роторных зубьев в сечении вдоль винтовых линий в месте стыка винтовых зубьев статора очерчены дугами окружностей и образуют в роторе или между смежными ступенями ротора демпферные полости, а расстояние между торцами роторных зубьев в демпферных полостях не превышает радиальной высоты зубьев.

Отношение максимального объема винтовых камер между зубьями героторного механизма, образующих область высокого давления и момент от гидравлических сил в каждой ступени ротора, размещенной в соответствующей ступени статора, к объему расположенной ниже по потоку демпферной камеры равно (0,8...1,2)е, где е - эксцентриситет зацепления ротора относительно статора.

Каждая из демпферных полостей в роторе или между смежными ступенями роторов выполнена замкнутой в окружном направлении.

Каждая из демпферных полостей в роторе или между парой смежных ступеней ротора выполнена в виде форкамер, расположенных по окружности, а количество форкамер между зубьями пропорционально делителю, на который делится число зубьев ротора или статора.

Торцы зубьев смежных ступеней ротора в демпферной полости смещены в окружном направлении на величину, не превышающую величины эксцентриситета зацепления ротора относительно статора.

Расстояние между демпферными полостями героторного механизма или расстояние от входа и выхода героторного механизма до ближайшей демпферной полости равно, по меньшей мере, 1,05 длины хода винтовых линий ступени ротора.

Демпферные полости в роторе или между смежными ступенями ротора ограничены в радиальном направлении диаметром впадин их зубьев.

Торсионный вал и роторы всех или части ступеней ротора соединены между собой устройствами для передачи крутящего момента преимущественно зубьями или шлицами.

Выполнение, по меньшей мере, двух ступеней статора контактирующими в зацеплении с одним ротором или с соответствующим этим ступеням статора числом ступеней ротора, а ступеней ротора - установленными на общем торсионном валу, при этом профилей зубьев ротора или ступеней ротора в сечении вдоль винтовых линий в месте стыка винтовых зубьев статора - очерченными дугами окружностей и образующими в роторе или между смежными ступенями ротора демпферные полости, а расстояния между торцами роторных зубьев в демпферных полостях - не превышающего радиальной высоты зубьев, повышает энергетические характеристики героторного гидравлического двигателя.

При отношении максимального объема винтовых камер между зубьями героторного механизма, образующих область высокого давления и момент от гидравлических сил в каждой ступени статора, к объему расположенной ниже по потоку демпферной полости, равном (0,8...1,2)е, где е - эксцентриситет зацепления ротора относительно статора, обеспечиваются минимальные межвитковые потери давления на длинах роторов, кратных, по меньшей мере, 1,05 длины хода винтовых ступеней ротора, уменьшается длина героторного двигателя и повышаются его моментные характеристики.

Это объясняется уменьшением удельного перепада давлений, т.е. перепада, приходящегося на один виток героторного механизма, и удельного давления в рабочих камерах между зубьями каждой ступени ротора в ступени статора, а также перераспределением натяга зубьев ротора в статоре через демпферные камеры между ступенями ротора. Перераспределение натяга в героторном механизме появляется при изменениях межвиткового удельного давления, что уменьшает износостойкость героторного механизма за счет уменьшения перекашивающих моментов, уменьшения внецентроидности ротора или ступеней ротора, закрепленных на общем торсионном валу.

Вследствие этого повышается плавность хода, уменьшаются вибрации роторов в статорах и динамические нагрузки в опорах шпинделя.

Выполнение демпферной полости в роторе или между смежными роторами замкнутой в окружном направлении уменьшает удельный перепад давлений, приходящийся на один виток героторного механизма в рабочих камерах каждой ступени ротора, имеющего нечетное или состоящее из простых чисел число зубьев. Это объясняется синхронизацией рабочих камер высокого давления при изменениях межвиткового удельного давления. Вследствие этого дополнительно повышается крутящий момент и КПД героторного механизма, повышается плавность хода и уменьшаются динамические нагрузки в опорах шпинделя.

Выполнение демпферной полости в роторе или между парой смежных роторов в виде форкамер, расположенных по окружности, а количества этих форкамер - пропорциональным делителю, на который делится число зубьев ротора и (или) статора, уменьшает перепад давлений, приходящийся на один виток героторного механизма, в котором четное или состоящее из простых чисел число зубьев имеет ступень ротора. Вследствие этого также дополнительно повышается крутящий момент и КПД героторного механизма.

При выполнении торцев зубьев смежных ступеней ротора в демпферной полости смещенными в окружном направлении на величину, не превышающую величины эксцентриситета зацепления ступеней ротора относительно ступеней статора, с расстоянием между смежными демпферными полостями героторного механизма или от входа и выхода героторного механизма до ближайшей демпферной полости равным, по меньшей мере, 1,05 длины хода винтовых линий ступени ротора, а также с демпферными полостями между смежными роторами, ограниченными в радиальном направлении диаметром впадин их зубьев, дополнительно снижаются межвитковые потери давления в ступени статора за счет выравнивания удельного давления в рабочих камерах высокого давления, образующих момент от гидравлических сил в каждой ступени ротора. Это объясняется также уменьшением внецентроидности ступеней роторов за счет их гидроимпульсного центрирования.

При выполнении, по меньшей мере, части ступеней ротора закрепленными на общем торсионном валу, а торсионного вала и роторов всех или части ступеней ротора - соединенными между собой устройствами для передачи крутящего момента, преимущественно зубьями или шлицами, повышается надежность героторного механизма при бурении преимущественно гидроимпульсным методом твердых пород.

На фиг.1 показан продольный разрез героторного гидравлического двигателя, в котором две из трех ступеней статора контактируют в зацеплении с одним ротором.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 кольцевой демпферной полости.

На фиг.3 показан разрез А-А на фиг.1 поперек героторного двигателя.

На фиг.4 показан продольный разрез героторного двигателя, в котором три ступени статора контактируют в зацеплении с тремя ступенями ротора и образуют две демпферные полости.

На фиг.5 показан разрез Б-Б поперек замкнутой в окружном направлении демпферной полости героторного двигателя.

На фиг.6 показан разрез В-В поперек демпферной полости в виде форкамер, расположенных по окружности ротора героторного двигателя.

Героторный гидравлический двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него многозаходный многоступенчатый героторный механизм 2, каждая ступень 3, 4, 5 которого включает соосно расположенный статор 6 с внутренними винтовыми зубьями 7, выполненными из упругоэластичного материала, и установленный внутри статора ротор 8 с наружными винтовыми зубьями 9 (см. фиг.1).

Число зубьев 9 ротора 8 на единицу меньше числа зубьев 7 статора 6, ходы винтовых линий статора 6 и ротора 8 пропорциональны их числам зубьев соответственно 7, 9, а ось 10 ротора 8 смещена относительно оси 11 статора 6 на величину эксцентриситета 12(е), равную половине радиальной высоты 13 зубьев 7, 9 (см. фиг.1, 3).

По меньшей мере, две ступени 3, 4 статора 6 контактируют в зацеплении с одним ротором 8 (см. фиг.1) или с соответствующим этим ступеням 3, 4, 5 статора 6 числом ступеней 14, 15, 16 ротора, а ступени 14, 15, 16 ротора установлены на общем торсионном валу 17 (см. фиг.4). Кроме того, на фиг.1 показан вал 18, на котором установлена ступень 16 ротора и скреплена с целым ротором 8.

Профили зубьев ротора 8 или ступеней 14, 15, 16 ротора в сечении вдоль винтовых линий в месте стыка 19, 20 винтовых зубьев 7 статора 6 очерчены дугами 21 окружностей, выпуклые стороны 22 которых обращены к стыку 19, 20 винтовых зубьев 7 статора 6 и образуют в роторе 8 или между смежными ступенями ротора 14 и 15, а также 15 и 16, полости 23, 24 (см. фиг.1, 2).

Расстояние Т между торцами зубьев 9 ротора 8 в полости 23 (см. фиг.2) (вдоль винтовых линий), а также между торцами зубьев 9 ротора 8 и ступени ротора 16 в полости 24 (см. фиг.1), между торцами зубьев 9 ступеней ротора 14 и 15 в полости 23, а также между торцами зубьев 9 ступеней ротора 15 и 16 в полости 24 (см. фиг.4), не превышает радиальной высоты 13 зубьев 7, 9.

Демпферные полости 23, 24 в роторе 8 или между каждой парой смежных ступеней 14 и 15, а также 15 и 16, выполнены в виде форкамер Ф, расположенных по окружности, а количество форкамер между зубьями 9 пропорционально делителю, на который делится число зубьев 9 ротора 8 или зубьев 7 статора 6 (см. фиг.1, 6).

Отношение максимального объема винтовых камер 25 между зубьями 7, 9, образующих область высокого давления и момент от гидравлических сил в каждой ступени 14, 15, 16 ротора, размещенной в соответствующей ступени 3, 4, 5 статора 6, к объему расположенной ниже по потоку демпферной полости 23, 24 равно (0,8...1,2)е, где е - эксцентриситет зацепления 12 ротора 8, 16, 14 и 15 относительно статора 6 (см. фиг.1, 2, 3).

Торцы 22 зубьев 9 смежных ступеней 8 и 16, 14 и 15, 15 и 16 в демпферной полости 23 и 24 смещены в окружном направлении на величину, не превышающую величины эксцентриситета 12 (е) зацепления ступеней 8, 16, а также 14 и 15, 15 и 16 ротора относительно ступеней 3, 4, 5 статора (не показано).

Секции 3, 4, 5 между смежными демпферными полостями 23, 24 героторного механизма или расстояние от входа 26 и выхода 27 героторного механизма до ближайшей демпферной полости 23 или 24 равно, по меньшей мере, 1,05 длины хода винтовых линий ступени 14, 15, 16 ротора (см. фиг.1).

Демпферные полости 23 в роторе 8 или между смежными ступенями 14 и 15, а также 15 и 16 роторов ограничены в радиальном направлении диаметром 28 впадин их зубьев 9 (см. фиг.2).

Торсионные валы 17, 18 и роторы всех 14, 15, 16 или части ступеней 8, 16 ротора соединены между собой устройствами для передачи крутящего момента, преимущественно зубьями или шлицами (см. фиг.1, 4), а шлицы или зубья не показаны.

Кроме того, на фиг.1 показано: поз. 29 - шпиндельная секция; поз. 30 - изогнутый переводник; поз. 31 - резьбовой кожух; поз. 32 - приводной вал; поз. 33 - резьбовая втулка для присоединения долота; поз. 34 - направление потока промывочной жидкости; поз. 35 - переходник для колонны буровых труб.

Героторный гидравлический двигатель работает следующим образом: поток 34 промывочной жидкости под давлением 40...60 кгс/см² по колонне буровых труб подается в винтовые камеры 25 между зубьями 7, 9 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил в каждой ступени 14, 15, 16 ротора, размещенной в соответствующей ступени 3, 4, 5 статора 6 (см. фиг.1, 3, 4).

Возникающий на роторах 8, 16 или на ступенях 14, 15, 16 роторов крутящий момент вызывает планетарное вращение внутри ступеней 3, 4, 5 статора 6, которое при помощи приводного вала 32 преобразуется во вращение шпинделя внутри шпиндельной секции 29 и резьбовой втулки 33 с долотом. Направление вращения втулки 33 долота противоположно планетарной обкатке роторов 8 и 16 или 14, 15, 16 в ступенях 3, 4, 5 статора 6 (см. фиг.3).

Винтовые камеры 25 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 34 промывочной жидкости, взаимодействуя с демпферными полостями 23, 24. При отношении максимального объема винтовых камер 25 между зубьями 7, 9 героторного механизма 2, образующих область высокого давления и момент от гидравлических сил в ступени 3 статора, к объему расположенной ниже по потоку 34 демпферной полости 23, а также объема ступени 4 соответственно к объему демпферной полости 24, равного (0,8...1,2)е, где е - эксцентриситет зацепления 12 ротора 8, 14, 15 и 16 относительно статора 6, обеспечиваются минимальные межвитковые потери давления на длинах, кратных, по меньшей мере, 1,05 длины хода винтовых ступеней 3, 4, 5 ротора 8, 14, 15 и 16, за счет синхронизации камер 25 высокого давления при изменениях межвиткового удельного давления.

Изобретение повышает моментные характеристики, КПД, ресурс и надежность героторного механизма путем минимизации объемных и межвитковых потерь давления в демпферных полостях и винтовых камерах, уменьшает длину героторного двигателя.

Источники информации

1. RU, патент 2166603, МКИ Е 21 В 4/02, 2000.

2. US, патент 3912426, МКИ F 01 C 5/04, 1975.

3. RU, патент 2075589, МКИ Е 21 В 4/02, F 01 C 5/04, 1994.

Изобретение относится к героторным гидравлическим двигателям и насосам, включающим многоступенчатые героторные механизмы, в частности к устройствам для бурения наклонно-направленных скважин. Двигатель содержит полый корпус, размещенный внутри него многозаходный многоступенчатый героторный механизм, каждая ступень которого включает соосно расположенный статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и установленный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, ходы винтовых линий статора и ротора пропорциональны их числам зубьев, а ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев. По меньшей мере, две ступени статора контактируют в зацеплении с одним ротором или с соответствующим этим ступеням статора числом ступеней ротора. Ступени ротора установлены на общем торсионном валу. Профили зубьев ротора или ступеней ротора в сечении вдоль винтовых линий в месте стыка винтовых зубьев статора очерчены дугами окружностей и образуют в роторе или между смежными ступенями ротора демпферные полости. Расстояние между торцами зубьев в демпферных полостях не превышает радиальной высоты зубьев. Изобретение повышает энергетические характеристики, ресурс и надежность героторного механизма. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Героторный гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный многоступенчатый героторный механизм, каждая ступень которого включает соосно расположенный статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и установленный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, ходы винтовых линий статора и ротора пропорциональны их числам зубьев, а ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, отличающийся тем, что, по меньшей мере, две ступени статора контактируют в зацеплении с одним ротором или с соответствующим этим ступеням статора числом ступеней ротора, а ступени ротора установлены на общем торсионном валу, при этом профили роторных зубьев в сечении вдоль винтовых линий в месте стыка зубьев статора очерчены дугами окружностей и образуют в роторе или между смежными ступенями ротора демпферные полости, а расстояние между торцами роторных зубьев в демпферных полостях не превышает радиальной высоты зубьев.2. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что отношение максимального объема винтовых камер между зубьями героторного механизма, образующих область высокого давления и момент от гидравлических сил в каждой ступени ротора, размещенной в соответствующей ступени статора, к объему расположенной ниже по потоку демпферной полости равно (0,8…1,2)e где e - эксцентриситет зацепления ротора относительно статора.3. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая из демпферных полостей в роторе или между смежными ступенями роторов выполнена замкнутой в окружном направлении.4. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая из демпферных полостей в роторе или между парой смежных ступеней ротора выполнена в виде форкамер, расположенных по окружности, а количество форкамер между зубьями пропорционально делителю, на которое делится число зубьев ротора или статора.5. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцы зубьев смежных ступеней ротора в демпферной полости смещены в окружном направлении на величину, не превышающую величины эксцентриситета зацепления ротора относительно статора.6. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между демпферными полостями героторного механизма или расстояние от входа и выхода героторного механизма до ближайшей демпферной полости равно, по меньшей мере, 1,05 длины хода винтовых линий ступени ротора.7. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что демпферные полости в роторе или между смежными ступенями ротора ограничены в радиальном направлении диаметром впадин их зубьев.8. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что торсионный вал и роторы всех или части ступеней ротора соединены между собой устройствами для передачи крутящего момента, преимущественно зубьями или шлицами.