СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК E21B4/02 F01C1/10 F03C2/08 

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых многозаходных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти из скважин, а также к винтовым гидромоторам и гидронасосам общего назначения.

Известен статор винтового забойного гидравлического двигателя ДВР3-176, в котором к толстостенному полому корпусу привулканизована обкладка с внутренними винтовыми зубьями, выполненная из резины (Журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, стр.10, рис.4).

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового забойного гидравлического двигателя, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки на буровое долото в стволе скважины.

Недостатки известной конструкции объясняются, в основном, циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев.

При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 60°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нарушению уплотнения в рабочей паре и разрушению зубьев в эластомерной обкладке статора.

Для известной конструкции существует ограничение между перепадом давления (межвитковым, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности и величиной натяга зубьев ротора в зубьях статора, а перепад давления в режиме максимальной мощности составляет, например, 10...13 МПа, что не позволяет повышать момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, снижать темп износа рабочих поверхностей, не обеспечивает возможности отработки рабочих пар до больших зазоров, при этом средний ресурс рабочей пары не превышает 300 часов.

Диапазон используемых в России винтовых забойных двигателей составляет, например, от двигателя Д-55 до двигателя Д-240, а диапазон момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности составляет от 0,2...0,34 до 10...14 кН·м.

При этом максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, например, на зубьях двигателя ДР-95 составляет 9...14 МПа (Журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, с.8).

Известен эксцентриковый винтовой насос или эксцентриковый винтовой двигатель, содержащий оболочку (остов) с наружной и внутренней поверхностями, выполненными в форме геликоида с полностью облицованным статором, в котором на торцовых краях содержатся уплотнения и стопорные кольца, которые монолитно переходят в облицовку постоянной толщины из эластомера для металлической оболочки (US 6666668 B1, Dec. 23, 2003).

Известная конструкция скрепляется шпильками, гайками и фланцами снаружи остова, а используется в наземном оборудовании, например, для героторных гидравлических винтовых насосов, где нет ограничений по наружным габаритам.

Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в скважинах, в обсадных трубах, например, для многозаходных героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин.

Это объясняется увеличенной по диаметру входной стороны, а также выходной стороны части оболочки, уплотнений и стопорных колец, которые монолитно переходят в облицовку, выполненную из эластомера с постоянной толщиной.

Для героторных механизмов винтовых забойных двигателей, размещаемых в нефтяных и газовых скважинах, использование известной конструкции не обеспечивает существенных преимуществ.

Известен статор винтового гидромотора, содержащий полый корпус с внутренней и наружной поверхностями в форме геликоида, внутренние конические резьбы по краям полого корпуса, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения внутри корпуса ротора с наружными винтовыми многозаходными зубьями, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев эластомерной обкладки корпуса (US 6309195 B1, Oct. 30, 2001).

Недостатком известной конструкции является низкая прочность и жесткость (устойчивость) полого корпуса, преимущественно при осевой нагрузке на долото и ударных воздействиях от ясов в составе изогнутой колонны бурильных труб, при прохождении через радиусные участки ствола скважин при горизонтальном бурении, что объясняется уменьшенным поперечным сечением полого корпуса и его наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида.

Недостатки известной конструкции объясняются также низким модулем упругости полого тонкостенного корпуса, что определяет недостаточную усталостную выносливость (ресурс) для обеспечения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, а также объясняются релаксацией напряжений в материале полого корпуса, которые искажают профиль сопряжения рабочей пары ротор-статор, вследствие чего уменьшается герметичность рабочей пары и возможность обеспечения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора при максимальном перепаде давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Известен статор винтового героторного гидромотора, содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями (или с внутренней и наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида), а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины (US 5171138, Dec. 15, 1992).

В известной конструкции статорная гильза выполнена в виде штампованной металлической трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями.

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки (на долото) при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются низким модулем упругости статорной трубчатой гильзы, ее плохой свариваемостью с массивным полым корпусом, что определяет недостаточную усталостную выносливость (ресурс) статорной гильзы для обеспечения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются также релаксацией напряжений в материале штампованной металлической статорной гильзы, которые искажают профиль сопряжения рабочей пары ротор-статор, вследствие чего уменьшается герметичность рабочей пары и возможность обеспечения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора при максимальном перепаде давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются также циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, а также статорной трубчатой гильзы с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями, обладающими малой жесткостью, которые подвергаются высокой деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев, а также к отслоению эластомерной обкладки от статорной гильзы.

При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться более интенсивно за счет ее меньшей массы, например, до 80°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Известен винтовой героторный гидравлический насос или мотор, в котором статор выполнен в виде корпуса с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, размещенный внутри корпуса ротор с наружными винтовыми многозаходными зубьями, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6358027 B1, Mar. 19, 2002).

Известная конструкция используется в качестве насоса для выкачивания нефти из вертикальных скважин, для чего профиль ротора вдоль продольной оси выполнен корригированным: с меньшим поперечным сечением и меньшей толщиной зубьев в нижней части насоса, показано на фиг.9, по сравнению с толщиной зубьев в верхней, нагнетающей части насоса, показано на фиг.6.

При этом профиль статора вдоль продольной оси также выполнен с разной толщиной эластомерной обкладки и (или) с уменьшением ширины впадин внутренних зубьев от верхней к нижней частям корпуса.

В нижней части насоса, показано на фиг.15, 20, имеется гарантированный зазор, в верхней, нагнетающей части насоса, имеется натяг, показано на фиг.13, 17, а при осевом перемещении ротора относительно центральной оси статора можно изменять величину натяга и (или) зазора.

Недостатком известной конструкции является отсутствие существенных преимуществ регулировки и обеспечения требуемого радиального натяга зубьев рабочей пары ротор-статор за счет осевого перемещения ротора относительно статора при бурении наклонных и горизонтальных скважин, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, а также неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности при использовании известной конструкции в качестве винтового героторного гидромотора для бурения наклонных скважин, в изогнутой колонне бурильных труб, содержащей гидравлические ясы, а также повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки (на долото) при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Для известной конструкции существует ограничение между перепадом давления (межвитковым, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности и величиной натяга зубьев ротора в зубьях статора, при этом вместо натяга в известной конструкции в нижней части рабочей пары ротор-статор выполнен гарантированный зазор, что не позволяет повышать момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, снижать темп износа рабочих поверхностей, не обеспечивает возможности отработки рабочих пар до больших зазоров.

Другим недостатком известной конструкции является низкая прочность и точность корпуса: трубчатых деталей вследствие их выполнения в виде сварных узлов, что объясняется увеличенными в поперечном сечении габаритами, релаксацией напряжений присоединенных радиально фланцев, искривлением стенок корпуса, а также их центральной оси.

Другим недостатком известной конструкции являются большие поперечные силы (перекашивающий момент), действующие на совершающий планетарно-роторное вращение ротор, размещенный внутри эластомерной обкладки корпуса, вследствие гарантированных зазоров в нижней части рабочей пары ротор-статор, которые уменьшают ресурс и надежность.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор винтового героторного гидравлического насоса или мотора, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленными в корпусе, охватываемую и охватывающую обкладки из эластомера, при этом охватываемая обкладка выполнена с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, охватывающая обкладка скреплена с охватываемой обкладкой и с внутренней поверхностью корпуса, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6881045 В2, Apr. 19, 2005 - прототип).

Недостатком известного статора является неполная возможность улучшения энергетических характеристик, надежности и ресурса винтовой героторной гидромашины при использовании статора в винтовом забойном двигателе, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.

Недостатки известного статора для двигателя объясняются также циклическим нагруженном винтовых зубьев, выполненных из эластомеров разной прочности, твердости и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев, нарушению натяга в рабочей парс, отслоению эластомерной обкладки от корпуса, а также к расслоению между эластомерными обкладками вследствие ухудшения отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки сквозь слой эластомерного материала, через стенки корпуса к промывочному раствору затрубного пространства.

При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,085 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатком известной конструкции является также низкая прочность корпуса статора и потеря его устойчивости, преимущественно при осевой нагрузке на долото и ударных воздействиях от ясов в составе изогнутой колонны бурильных труб в наклонных и горизонтальных скважинах, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, что объясняется тем, что он выполнен составным: из корпуса - гладкой трубы, охватываемой и охватывающей обкладок из эластомера, выполненных в форме геликоида.

Эластомерную охватываемую обкладку (постоянной толщины) выполняют из материала, например, Ultra-Flex 114, а дополнительную охватывающую обкладку с внутренней поверхностью в форме геликоида, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями выполняют из более твердого и прочного материала.

При этом известный статор при использовании его в винтовом героторном гидравлическом двигателе не обеспечивает существенных преимуществ, например определенного темпа набора кривизны (при бурении наклонной скважины) вследствие разрушения корпуса, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с вращением (от ротора буровой) изогнутой колонны бурильных труб, с ударными нагрузками и ударными импульсами от гидравлических ясов, а также вследствие релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение энергетических характеристик, надежности и ресурса винтовой героторной гидромашины при использовании заявляемого статора в винтовом забойном двигателе, повышение максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.

Другой технической задачей является снижение темпа падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на долоте за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, а также снижения вероятности возникновения резонансных поперечных колебаний двигателя в скважине при осевых нагрузках, изменяемых при воздействии двигателя на забой, за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.

Сущность технического решения заключается в том, что в статоре винтовой героторной гидромашины, содержащем корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, например из резины, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, причем число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса, согласно изобретению минимальное число шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в корпусе на единицу больше разности чисел зубьев корпуса и ротора, а максимальное число шагов винтовой линии каждого винтового зуба в корпусе на единицу меньше числа зубьев ротора, при этом толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев и высота h внутренних винтовых зубьев в корпусе связаны соотношением ΔR_кор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины стенки корпуса вдоль впадин внутренних винтовых зубьев к его наружному диаметру находится в пределах 0,08...0,14.

Толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев, а высота h вдоль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе в поперечном сечении по краям зубьев.

Профиль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм.

Твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 60...65 ед. Шор А.

Каждый из краев корпуса выполнен с внутренней конической резьбой и цилиндрической расточкой, при этом максимальный диаметр цилиндрической расточки на величину высоты внутренних винтовых зубьев в корпусе превышает диаметр окружности впадин внутренних винтовых зубьев в корпусе.

В заявляемой конструкции за счет того, что минимальное число шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в корпусе на единицу больше разности чисел зубьев корпуса и ротора, а максимальное число шагов винтовой линии каждого винтового зуба в корпусе на единицу меньше числа зубьев ротора, при этом толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев и высота h внутренних винтовых зубьев в корпусе связаны соотношением ΔR_кор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины стенки корпуса вдоль впадин внутренних винтовых зубьев к его наружному диаметру находится в пределах 0,08...0,14, повышается ресурс, надежность и энергетические характеристики героторной винтовой гидравлической машины, например развиваемая мощность и крутящий момент в двигателе или развиваемое давление и расход в насосе, путем снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.

При этом заявляемая конструкция обеспечивает существенные преимущества, например, максимальный темп набора кривизны скважины для винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя, используемого для бурения наклонных скважин, например при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, за счет большей прочности, упругости и прямолинейности стенок (центральной оси) корпуса при использовании забойного двигателя в колонне бурильных труб с гидравлическими ясами, с вращением (от ротора буровой) изогнутой колонны бурильных труб, с ударными нагрузками и ударными импульсами от гидравлических ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб.

Возможность использования двигателя в наклонных и горизонтальных скважинах обеспечивается за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, который составляет, например, 27...33 МПа, а также повышения усталостной выносливости эластомерной обкладки за счет более прочного, с большим пределом упругости и меньшего по длине корпуса, сохранения прямолинейности его стенок, воспринимающих реакции от регулятора угла и реактивного момента, скрепляемого с забойным двигателем при бурении изогнутой наклонной скважины, при сохранении заданного натяга в рабочей паре ротор-статор.

За счет того, что толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев, а высота h вдоль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе в поперечном сечении по краям зубьев, обеспечивается меньший уровень вибраций, повышенная плавность хода и усталостная выносливость (ресурс), повышенная стойкость: абразивная и в среде нефтепродуктов, высокая упругость, эластичность и надежность уплотнения рабочей пары ротор-статор в режиме максимальной мощности.

За счет того, что профиль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм, например, электроэрозионным методом, а твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 60...65 ед. Шор А, обеспечивается повышенная прочность крепления (адгезия) резиновой обкладки статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев в корпусе, а также повышенная усталостная выносливость обкладки статора.

За счет того, что каждый из краев корпуса выполнен с внутренней конической резьбой и цилиндрической расточкой, максимальный диаметр которой на величину высоты зуба в корпусе превышает диаметр окружности впадин его внутренних винтовых зубьев, обеспечиваются равнопрочные резьбовые соединения корпуса с резьбовыми переводниками, регуляторами угла и реактивного момента или другими резьбовыми частями компоновки низа бурильной колонны.

Ниже представлен лучший вариант конструкции статора для винтового многозаходного героторного гидравлического (забойного) двигателя УД-195 PC с числом заходов (отношением числа зубьев ротора и статора) 9/10 и наружным диаметром 195 мм.

На фиг.1 показан продольный разрез статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя.

На фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 поперек статора и ротора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя.

На фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1 поперек статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя.

Статор винтовой героторной гидромашины содержит полый корпус 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными многошаговыми зубьями 3, закрепленную в корпусе 1 обкладку 4 из эластомера, например из резины, выполненную в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными многошаговыми зубьями 5, а также содержит две внутренних конических резьбы 6, 7, расположенных по краям соответственно 8, 9 корпуса 1, показано на фиг.1, 2, 3.

Статор предназначен для винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя, где поз.10 - ротор, поз.11 - центральная продольная ось ротора 10, поз.12 - центральная продольная ось полого корпуса 1 и эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, поз.13 - величина эксцентриситета ротора 10, установленного в эластомерной обкладке 4 корпуса 1, поз.14 - винтовые многозаходные многошаговые зубья ротора 10, число зубьев 14 ротора 10 на единицу меньше числа зубьев 3 корпуса 1, показано на фиг.1, 2.

При этом шаг Т (или ход P_z) винтовой линии каждого зуба 3 равен расстоянию по сосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса, например вокруг центральной продольной оси 12 полого корпуса 1, а также эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр.17.

Минимальное число шагов 15·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу больше разности чисел зубьев 3 корпуса 1 и зубьев 14 ротора 10, а также на единицу больше разности чисел зубьев 5 в обкладке из эластомера 4 и зубьев 14 ротора 10, показано на фиг.1.

Максимальное число шагов 16·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1, а также каждого винтового зуба 5 в обкладке из эластомера 4 на единицу меньше числа зубьев 14 ротора 10, показано на фиг.1.

Толщина 17, ΔR_кор стенки корпуса 1 вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев 3 и высота 18, h внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1 связаны соотношением ΔR_кор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины 17, ΔR_кор стенки корпуса 1 к его наружному диаметру 19 находится в пределах 0,08...0,14, показано на фиг.1, 2, 3.

Толщина 17, ΔR_кор стенки корпуса 1 вдоль впадин внутренних винтовых зубьев 3 выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев 3, а высота 18, h вдоль внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1 выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе 1 в поперечном сечении по краям зубьев 3, показано на фиг.1, 2, 3.

Профиль внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1 выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм.

Твердость обкладки 4 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 5, выполненной из резины ИРП-1226-5, составляет 60...65 ед. Шор А, а наружная поверхность 19 корпуса 1 выполнена, по меньше мере, частично без механической обработки.

На фиг.1 показано: поз.20, 21 - длина цилиндрических расточек в корпусе 1, диаметр которых, по меньшей мере, равен диаметру впадин 28 внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1;

На фиг.1, 2 показано: поз.22 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями 14 ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4; поз.23 - направление потока рабочей жидкости (бурового раствора); поз.24 - толщина эластомерной обкладки 4 во впадинах зубьев 3 корпуса 1; поз.25 - толщина эластомерной обкладки 4 на выступах зубьев 3 корпуса 1.

Толщина 24 эластомерной обкладки 4 во впадинах зубьев 3 корпуса 1 и толщина 25 эластомерной обкладки 4 на выступах зубьев 3 корпуса 1 связаны между собой определенным соотношением или могут быть выполнены с постоянной величиной.

Каждый из краев 8 и 9 корпуса 1 с внутренней конической резьбой 6 и 7 может быть выполнен соответственно с цилиндрическими расточками 26 и 27 на длине 20 и 21, при этом максимальный диаметр расточек 26 и 27 на величину высоты зуба 18, h в корпусе 1 превышает диаметр окружности 28 впадин внутренних винтовых зубьев 3, что обеспечивает равнопрочные резьбовые соединения корпуса 1 с резьбовыми переводниками, регуляторами угла или другими резьбовыми частями компоновки низа бурильной колонны, показано на фиг.1, 3.

Минимальное число шагов (2) винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу больше разности чисел зубьев 3 корпуса 1 и зубьев 14 ротора 10, а максимальное число шагов (8) винтовой линии каждого винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу меньше числа (9) зубьев 14 ротора 10, что образует типоразмер двигателей с определенным числом заходов рабочих органов (отношением чисел зубьев ротора и корпуса) в корпусе одного наружного диаметра, например 3/4,4/5, 5/6, 6/7, 9/10, а также образует типоразмер двигателей и секций двигателя различного диаметра и длины, например диаметров 40...250 мм и длины 1,5...5,5 м.

Конструкция статора при ее использовании в винтовом многозаходном героторном гидравлическом (забойном) двигателе работает следующим образом: поток бурового раствора 23 под давлением, например, 25...30 МПа в режиме максимальной мощности по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 22 между зубьями 14 ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 10 внутри эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1.

Винтовые зубья 5 эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 10 внутри статора.

Винтовые (шлюзовые) камеры 22 между зубьями 14 ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 23 бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Обкладка 4, выполненная из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 10 - обкладка 4) необходимого натяга контактное давление составляет 4...6 МПа, скорость скольжения 0,5...4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 60 МПа.

Одним из существенных факторов, определяющих нагрузки, например, в шарнирных узлах карданного вала, соединенных с ротором 10 героторного гидравлического двигателя и шпинделем, оказывающих влияние на стойкость и эффективность работы долота, являются интенсивные поперечные колебания, обусловленные отличиями конструкции винтовых забойных двигателей от других типов забойных двигателей, например, турбобуров.

Ротор 10, расположенный в обкладке 4 корпуса 1 эксцентрично, с величиной эксцентриситета 13, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 11 и обращение относительно оси 12 корпуса 1 с частотой в Z_p раз больше частоты вращения вала двигателя (карданного вала, вала шпинделя), где Z_p - число зубьев ротора 10, показано на фиг.2.

Основными причинами поперечных колебаний винтового забойного двигателя, соединенного с валом шпинделя карданным валом, являются инерционные силы вращающегося с высокой частотой и значительным эксцентриситетом массивного ротора 10 и действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 10.

Основная частота колебаний двигателя всегда совпадает с частотой вращения ротора, по существу, всегда в Z_p раз больше частоты вращения вала (ротора) двигателя. Качественных отличий характера резонансных режимов для всех типоразмеров гидравлических забойных двигателей нет.

Из результатов эксплуатации известно, что собственные частоты колебаний винтовых забойных двигателей находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 50...150 кН.

В процессе бурения скважин с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости получено, например, что при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).

Амплитуда колебаний корпуса винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора 10 винтового забойного двигателя увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также многократно снижается механическая скорость проходки скважины.

При выполнении статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя таким образом, что минимальное число шагов 15·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу больше разности чисел зубьев 3 корпуса 1 и зубьев 14 ротора 10, а также на единицу больше разности чисел зубьев 5 в обкладке из эластомера 4 и зубьев 14 ротора 10, а максимальное число шагов 16·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1, а также каждого винтового зуба 5 в обкладке из эластомера 4 на единицу меньше числа зубьев 14 ротора 10, обеспечивается синхронизация работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями 14 ротора 10 и обкладки 4 для двигателей с разным числом заходов рабочих органов (отношением чисел зубьев ротора и корпуса) в корпусе одного наружного диаметра), например, с заходностью 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, а также 9/10.

Например, в режиме максимальной мощности частота вращения вала шпинделя составляет (1,4...2)c^-1; момент силы на выходном валу составляет (14...18) кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности составляет 27...33 МПа; осевая нагрузка составляет 250 кН, а при достижении частоты колебаний ω=75 рад/с наступает режим резонанса, амплитуда колебаний составляет ≈0,33 мм, при этом до использования существенных признаков заявляемого статора винтового забойного двигателя амплитуда колебаний составляла ≈2,5 мм.

При этом снижаются гидромеханические потери за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, что обеспечивает наибольшее снижение амплитуды колебаний корпуса винтового забойного двигателя в условиях резонанса, обеспечивает наилучший эффект демпфирования поперечных колебаний ротора винтового забойного двигателя на других режимах работы.

При использовании заявляемой конструкции статора повышаются энергетические характеристики винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя, надежность и ресурс, максимальная мощность, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимая осевая нагрузка на долото, обеспечивается без поломок заданный темп набора кривизны при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении.

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых многозаходных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти из скважин, а также к винтовым гидромоторам и гидронасосам общего назначения. Техническим результатом является повышение ресурса, надежности и энергетических характеристик, меньший уровень шума и вибраций, повышение максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки. Достигается тем, что статор винтовой героторной гидромашины содержит корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, например из резины, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса, минимальное число шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в корпусе на единицу больше разности чисел зубьев корпуса и ротора, а максимальное число шагов винтовой линии каждого винтового зуба в корпусе на единицу меньше числа зубьев ротора, при этом толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев и высота h внутренних винтовых зубьев в корпусе связаны соотношением ΔR_кор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины стенки корпуса вдоль впадин внутренних винтовых зубьев к его наружному диаметру находится в пределах 0,08...0,14. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статор винтовой героторной гидромашины, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, например из резины, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, причем число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса, отличающийся тем, что минимальное число шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в корпусе на единицу больше разности чисел зубьев корпуса и ротора, а максимальное число шагов винтовой линии каждого винтового зуба в корпусе на единицу меньше числа зубьев ротора, при этом толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев и высота h внутренних винтовых зубьев в корпусе связаны соотношением ΔR_кор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины стенки корпуса вдоль впадин внутренних винтовых зубьев к его наружному диаметру находится в пределах 0,08...0,14.2. Статор винтовой героторной гидромашины по п.1, отличающийся тем, что толщина ΔR_кор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев, а высота h вдоль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе в поперечном сечении по краям зубьев.3. Статор винтовой героторной гидромашины по п.1, отличающийся тем, что профиль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм.4. Статор винтовой героторной гидромашины по п.1, отличающийся тем, что твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 60...65 ед. Шор А.5. Статор винтовой героторной гидромашины по п.1, отличающийся тем, что каждый из краев корпуса выполнен с внутренней конической резьбой и цилиндрической расточкой, при этом максимальный диаметр цилиндрической расточки на величину высоты внутренних винтовых зубьев в корпусе превышает диаметр окружности впадин внутренних винтовых зубьев в корпусе.