ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК F01C1/16 E21B4/02 

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей, а также к винтовым гидромоторам общего назначения.

Известен многозаходный винтовой героторный механизм винтового забойного двигателя по патенту RU 2165531 С1, 2001.04.20, содержащий 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 числам их зубьев. Профили зубьев статора и ротора в торцовом сечении выполнены как огибающие общего исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды. При этом в торцовом сечении толщина C_t зуба статора по среднему диаметру D_cp 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_cp зубьев в сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба статора, и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением С_N/h≥1,75.

Недостатком известного героторного механизма является то, что полученная форма зуба не оптимальна с точки зрения восприятия изгибных нагрузок. В результате этого нарушается расчетная кинематика героторного механизма, увеличивается износ зубьев статора, уменьшается ресурс героторного механизма.

Наиболее близким к заявленному изобретению является героторный механизм по патенту RU 2166603 С1, 10.05.2001, Е21В 4/02, содержащий 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, ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны числам их зубьев. Профиль зубьев статора в торцовом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой с радиусом R_C1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцовом сечении выполнен как огибающая другого исходного контура циклоидальной рейки с радиусом эквидистанты R_C2, выполненным больше, чем R_C1, или связанным соотношением R_C2=R_C1+(0,1…0,5)E, где Е - радиус производящей окружности, равный величине эксцентриситета. Другим вариантом известного изобретения является также выполнение героторного механизма таким образом, что профиль зубьев статора в торцовом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой с радиусом R_c1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцовом сечении очерчен сопряженными дугами окружностей, причем выступ зуба ротора очерчен дугой радиуса R_B, большего, чем радиус эквидистанты статора R_c1, или связан с ним соотношением R_c2+R_c1(0,1…0,5)E, а профиль впадины зуба ротора очерчен дугой радиуса R_v, зависящего от числа зубьев ротора, его наружного диаметра и эксцентриситета.

Однако выполнение зубьев героторного механизма по указанным выше вариантам не соответствует оптимальным с точки зрения восприятия изгибных нагрузок.

Для получения высокой изгибной жесткости зубьев статора в героторном механизме винтового забойного двигателя или в винтовом насосе с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, объем зуба упругоэластичной обкладки статора необходимо рассчитать в зависимости от величины радиальной Fr и перекашивающей F_пер сил, определяемых при силовом расчете или полученных при испытании героторного механизма.

Поставленная задача решена в героторном механизме винтового забойного двигателя, содержащего статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, с шагами винтовых линий на зубьях ротора и статора пропорциональными числам их зубьев, согласно изобретению площадь F_kz сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце зубчатого венца торцового сечения статора определяется выражением

а профиль этих зубьев очерчен эквидистантой укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, обеспечивающими получение площади F_kz сечения, и определяется из выражения

где

F_kz - площадь сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце r_f1…f_a1 зубчатого венца,

π=3,14159265358979,

h₁=2e - высота зуба статора,

е - эксцентриситет зацепления,

D_cp=D_k-h₁ - средний диаметр зубчатого венца статора,

D_k - контурный диаметр,

πh₁D_cp1=F_k - площадь контурного кольца статора r_f1…r_а1,

F_пер - перекашивающая сила,

F_r - радиальная сила,

Z₁ - число зубьев статора,

r - радиус катящейся окружности при образовании эквидистанты укороченной гипоциклоиды,

r_ц - радиус эквидистанты укороченной гипоциклоиды,

f(r, r_ц) - подынтегральная функция аргументов r, r_ц площади статора,

Ψ - угол поворота круга радиуса r при качении,

r_f1 - радиус впадин статора; контурный радиус,

r_a1 - радиус выступов зубьев статора.

Кроме того, модифицированный профиль ротора может быть выполнен по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, проходящей через 3 коррегирующие точки, образующие профиль ротора.

Величина F_kz может быть изменена по результатам испытания или в зависимости от условий эксплуатации героторного механизма.

На предварительном этапе проектирования героторного механизма по известным методикам, например БАЛДЕНКО Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели, Москва, Недра, 1999; ГУСМАН М.Т., и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин, Москва, Недра, 1981, сс.86-94, определены D_k, е, z₁, z₂, радиальная F_r и перекашивающая F_пер силы.

Профиль статора и площадь сечения внутренних винтовых упругоэластичных зубьев статора, очерченных эквидистантой укороченной гипоциклоиды, рассчитывается по результатам динамического расчета.

Например, на предварительном этапе проектирования героторного механизма по известным методикам определены D_k, e, z₁, z₂, радиальная F_r и перекашивающая F_пер силы, тогда профиль статора определяется:

r_f1=D_k/2 - контурный радиус, радиус впадин зубчатого венца статора,

е - эксцентриситет,

h₁ - высота зуба статора,

r_а1=r_f1-2е; радиус выступов зубьев статора,

r_ср=r_f1-е; средний радиус зубчатого венца,

r - радиус катящегося круга; находится из интегрального уравнения,

f=r/e; коэффициент внецентроидности,

r_b=rz₁; радиус базовый окружности при качении по ней круга радиуса r для образования гипоциклоидального профиля статора,

r_ц=r_а1-r_b+е+r; радиус эквидистанты.

Находится из интегрального уравнения,

Ψ - параметр расчета; задаваемый угол поворота круга радиуса r при качении.

Изменение Ψ в процессе счета при поиске радиуса r катящегося круга и радиуса r_ц эквидистанты приводит к решению интегрального уравнения.

δ=ArcTg(SinΨ/(CosΨ-f));

t=r·Ψ/r_b;

ζ=δ-t;

o=(-r+e·CosΨ)/Cosδ+r_ц;

r₁=(r_b ²+o²+2·r_b·o·Cosδ)^1/2;

γ=ArcTg(Sinδ/(Cosδ+о/r_b));

m₁=1-f·CosΨ.

Производные по аргументу Ψ:

δ'=m₁/(2·m₁+f²-1);

t'=r/r_b;

ζ'=δ'-t';

S'=r_b·t'·Cos(δ)-o·ζ';

Area₁=R₁S'Cos(γ);

где

δ, δ', t, t', ζ, ζ', О, r₁, γ, m₁, S' - вспомогательные величины,

Area₁ - подынтегральная функция.

Дифференциал dS дуги профиля статора

dS=S'dΨ=(r_b·t'·Cos(δ)-o·ζ')dΨ.

Площадь, ограниченная торцовым контуром профиля статора

Площадь F_k кольца r_f1…r_a1

F_k=πh₁D_cp.

Площадь F_kz зубьев статора в кольце

F_kz=π(r_f1)²-F₁.

Площадь F_kv впадин статора в кольце

F_kv=F₁-π(r_a1)²=F_k-F_kz.

Угол γ_пер от главного (перекашивающего) момента из расчета гидравлических радиальной F_r и перекашивающей F_пер сил (F_r, F_п≡F_пер - см. Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых. «Винтовые забойные двигатели», Москва, Недра, 1999, стр.156):

γ_пер=ArcTg(2F_пер/F_r).

Коэффициент К_р, учитывающий прочностные свойства зубчатого венца статора, назначается конструктором зацепления из условия

Cos²(γ_пер)≤К_р≤Sec²(γ_пер); (γ_пер=32,5° при числе шагов k=1; 0,8≤К_р≤1,3)

(γ_пер, k - см. γ_п, k Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых. «Винтовые забойные двигатели», Москва, Недра, 1999, стр.156).

К_р может быть изменен по результатам работы героторното механизма.

Начальное значение на предварительном этапе расчета зацепления К_р=Sec²(γ_пер).

Интегральное уравнение для определения профиля статора. Поиск радиуса r катящегося круга и радиуса r_ц эквидистанты.

F_kvK_p-F_kz=0.

Профиль статора, полученный с учетом влияния изгибных нагрузок, действующих со стороны ротора, обеспечивает получение оптимальной формы зуба ротора, необходимой для передачи контактных нагрузок. При использовании расчета профиля зуба с учетом влияния изгибных нагрузок устраняется недостаток расчетов, когда при экстремальных профилях линейная величина толщины зуба статора на окружности D_cp перестает характеризовать прочностные свойства зуба.

Профиль статора, полученный с учетом влияния изгибных нагрузок исключает применение рейки. Полученная форма зуба, оптимальная для восприятия контактных напряжений и изгибающих эластомерные зубья статора нагрузок, становится независимой от смещения рейки.

Циклоидально-реечное зацепление для получения рабочих органов заменено проектированием эквидистанты укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, проходящей через 3 точки в кольце зубчатого венца статора. Для контурного кольца статора первая точка лежит на R_f1, промежуточная вторая - есть функция известной площади эквидистанты укороченной гипоциклоиды, определенной через силовой расчет, третья точка принадлежит диаметру выступов зубьев статора. Так же, как в реечном зацеплении существуют экстремальные смещения еС_Δ контура рейки, так и при проектировании статора изобретения должны быть определены экстремальные линии эквидистанты укороченной гипоциклоиды в контурном кольце (см. фиг.4) зацепления.

Поскольку наработка на отказ героторного механизма определяется, главным образом, фрикционным износом пары ротор-статор, то для обеспечения минимизации скорости изнашивания рабочих органов модифицированный (коррегированный) профиль ротора может быть выполнен по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, проходящей через 3 коррелирующие профиль точки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен героторный механизм ВЗД или ВН в продольном разрезе;

ротор частично оборван для показа направления винтовых зубьев статора.

На фиг.2 приведено поперечное сечение ГМ ВЗД или ВН по линии А-А.

На фиг.3 в увеличенном масштабе вычерчен профиль зуба статора в контурном кольце ГМ, поясняющий техническое решение.

На фиг.4 по данным таблицы 1 прочерчены семь профилей внутренних винтовых зубьев статора в торцевом сечении. Каждый профиль - эквидистанта укороченной гипоциклоиды (ЭУГЦ) с разным сочетанием параметров r и r_ц при е, Z₁,

D_k=Const. Жирной линией выделен профиль изобретения, полученный из динамического расчета, как один из профилей между экстремальными контурами 1 и 7.

На фиг.5 по данным таблицы 4 построено торцовое сечение РО ВЗД z₂=5 и z₁=6 с наименьшей толщиной зуба ротора на среднем диаметре и соответственно наименьшей шириной впадины зубчатого венца статора на среднем диаметре контурного кольца статора. Экстремальность значений обеспечивается расчетными предельными величинами параметров r и r_ц зацепления в заданном габарите (z₁=6; e=1 мм; контурный диаметр D_k=18.1 мм). Радиусы кривизны головки зуба статора и ножки зуба ротора максимальны. Радиус же кривизны головки зуба ротора минимален и находится на границе среза, заострения зуба.

На фиг.6 по данным таблицы 5 построено торцовое сечение РО ВЗД z₂=5 и z₁=6 с наибольшей шириной впадины зубчатого венца статора на среднем диаметре его контурного кольца и с предельными значениями параметров r и r_ц зацепления в заданном габарите (z₁=6; e=1 мм; контурный диаметр D_k=18.1 мм). Радиусы кривизны головки зуба статора и ножки зуба ротора минимальны. Радиус же кривизны ножки зуба статора в заданном габарите - максимально возможный и находится на границе поднутрения под зуб или, по-другому, на границе подреза зуба.

В изобретении реальный профиль контура статора для заданного габарита ГМ ⌀18.1 мм, впервые связан с динамическим расчетом ГМ, получается из динамического расчета ГМ как один из профилей статора между экстремальными очертаниями профилей, показанными на фиг.5 и фиг.6.

В подтверждении идеи изобретения приведен еще один расчет экстремальных профилей РО ВЗД z₁=8; e=1 мм и контурного диаметра D_k=22.5 мм для последующего динамического расчета зацепления.

На фиг.7 по данным таблицы 6 построено торцовое сечение РО ВЗД z₂=7 и z₁=8 с наименьшей толщиной зуба ротора на среднем диаметре и, соответственно, наименьшей шириной впадины зубчатого венца статора на среднем диаметре контурного кольца статора. Экстремальность значений обеспечивается расчетными предельными величинами параметров r и r_ц зацепления в заданном габарите (z₁=8; e=1 мм; контурный диаметр D_k=22.5 мм). Радиусы кривизны головки зуба статора и ножки зуба ротора максимальны. Радиус же кривизны головки зуба ротора минимален и находится на границе среза, заострения зуба.

На фиг.8 по данным таблицы 6 построено торцовое сечение РО ВЗД z₂=7 и z₁=8 с наибольшей шириной впадины зубчатого венца статора на среднем диаметре его контурного кольца и с предельными значениями параметров r и r_ц зацепления в заданном габарите (z₁=8; e=1 мм; контурный диаметр D_k=22.5 мм). Радиусы кривизны головки зуба статора и ножки зуба ротора минимальны. Радиус же кривизны ножки зуба статора в заданном габарите - максимально возможный и находится на границе поднутрения под зуб или, по-другому, на границе подреза зуба.

В изобретении реальный гипоциклоидальный профиль контура статора для заданного габарита ГМ ⌀22.5 мм, будет получен из динамического расчета ГМ как один из профилей статора между экстремальными очертаниями профилей, показанными на фиг.7 и фиг.8.

При проведении исследований были выявлено, что изгибная жесткость зубьев увеличивается, если профиль этих зубьев очерчен эквидистантой укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, обеспечивающими получение площади F_kz сечения.

В предлагаемом героторном механизме винтового забойного двигателя образование рабочих органов посредством циклоидально-реечного зацепления заменено на проектирование эквидистанты укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц. Так же, как в реечном зацеплении существуют экстремальные смещения еС_Δ контура рейки, так и при проектировании статора по изобретению должны быть определены экстремальные линии, очерченные эквидистантой укороченной гипоциклоиды в контурном кольце (см. фиг.4) зацепления.

Героторный механизм винтового забойного двигателя или винтового насоса (фиг.1 и 2) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, очерченными эквидистантой укороченной гипоциклоиды и выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых Z₂ на единицу меньше числа Z₁ внутренних винтовых зубьев 2 статора 1. Ось О₂О₂ ротора 3 смещена относительно оси O₁O₁ статора 1 на величину эксцентриситета е, равную половине радиальной высоты h₁ зубьев 2 и 4. Контуры наружных винтовых зубьев 4 ротора 3 и внутренних винтовых зубьев 2 статора 1 в торцовом сечении показаны в соответствии с данными, приведенными в таблицах 1, 2 и 3. Каждый профиль - эквидистанта укороченной гипоциклоиды с разным сочетанием параметров r и r_ц при е, Z₁, D_k=Const. Жирной линией выделен профиль, полученный из динамического расчета, как один из профилей между экстремальными значениями, приведенными в таблицах 1, 2 и 3. В таблицах 1 и 2 приведены результаты аналитического расчета вариантов для z₁=6; e=1; D_k=18.1 мм и z₁=8; e=1; D_k=22.5 мм. В соответствии с вышеизложенным, модифицированный профиль ротора может быть выполнен по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, проходящей через 3 коррелирующие точки, образующие профиль ротора.

В верхней части рабочий орган винтового забойного двигателя - 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 О₂О₂ вращается вокруг оси O₁O₁ статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса е, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O₂O₂ по часовой стрелке с уменьшенной в Z₂ раз угловой скоростью.

Окружная сила, соответствующая развиваемому крутящему моменту, воспринимается эластомерными зубьями 2 статора 1 в меру их изгибной жесткости в торцовом сечении, определяемой интегральным отношением предлагаемого технического решения.

При использовании героторного механизма в винтовых насосах ротор 3 приводится во вращение и, обкатываясь по зубьям 2 статора 1, преобразует механическую энергию вращения в гидравлическую энергию потока жидкости.

Кинематика движения ротора 3 винтового насоса и преимущества, получаемые при использовании предложенного героторного механизма, аналогичны описанным выше для винтового двигателя.

Благодаря наличию этих признаков в предлагаемом героторном механизме винтового забойного двигателя за счет повышения изгибной жесткости зубьев повышается КПД и эффективная мощность, минимизирована скорость изнашивания рабочих органов, а случаи не запуска двигателя после его полного торможения отсутствуют.

Героторный механизм винтового забойного двигателя Таблица 1 № е Z₁=6. Контурный ⌀18.1 Z₁=8. Контурный ⌀22.5 Примечание R r_ц X_кр r r_ц X_кр 1   1.0584 2.7580   1.0740 2.7366 0 Предел. r_ц мах 2   1.1486 2.3072   1.1448 2.2361 Кр=1 3   1.1750 2.1750   1.1750 2.1750 -0.1.5 По ОСТ 39-154-84 4 1     0 1.2073 1.7987   Из расчета сил 5         1.3027 1.1312   Промежуточный 6   1.6100 0.0000   1.4643 0.0000 0 r_ц=0 7   1.6790 -0.3452   1.4929 -0.2002   Предел, r_ц min

Таблица 2 Z₁=6. Контурный ⌀18.1 е r r_ц F_kz К_р=F_kz/F_kv F_kv/F_kx   1.05839684 2.758015801 4.831824378 1.342876244 0.744670259   1.148554202 2.30722899 4.214970144 1 1 1 1.175 2.175 4.044623509 0.922310454 1.084233617   1.61 0.0000000 2.380455965 0,798716737 1.25200832   1.67903525 -0.345176252 2.230621284 0.779412122 1.28301828

Таблица 3 Z₁=8. Контурный ⌀22.5 а r r_ц F_kz К_р=F_kz/F_kv F_kv/F_kx   1.073606272 2.734756098 4.65822 1.373250978 0.728199008   1.144833616 2.236164685 4.025165587 1 1 1 1.175 2.175 3.943956686 0.960447396 1.041181437   1.464285714 0.0000000 2.149421185 0.789407058 1.266773574   1.492890995 -0.200236967 2.047301366 0.775978155 1.288696072

Таблица 4 Z1=6. Контурный диаметр 18.1 е r Гц 1 1.67903525 -0.345176252

Таблица 5 Z1=6. Контурный диаметр 18.1 Е r Гц 1 1.05839684 2.758015801

Таблица 6 Z1=8. Контурный диаметр 22.5 е r Гц 1 1.492890995 -0.200236967

Таблица 7 Z1=8. Контурный диаметр 22.5 е r Гц 1 1.073605272 2.734756098

Изобретение относится к героторным механизмам винтового забойного двигателя. Героторный механизм винтового забойного двигателя содержит статор и ротор. Статор выполнен с внутренними винтовыми зубьями из упругоэластичного материала. Ротор выполнен с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Шаги винтовых линий на зубьях ротора и статора пропорциональны числам их зубьев. Профиль и площадь сечения внутренних винтовых упругоэластичных зубьев статора, очерченных эквидистантой укороченной циклоиды, находятся в зависимости от величины радиальной и перекашивающей сил. Модифицированный профиль ротора выполнен по эквидистанте укороченной циклоиды, проходящей через 3 коррегирующие точки, образующие профиль ротора. Обеспечивается получение высокой изгибной жесткости зубьев статора. 1 з.п. ф-лы, 7 табл., 8 ил.

1. Героторный механизм винтового забойного двигателя, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, с шагами винтовых линий на зубьях ротора и статора пропорциональными их числам зубьев, отличающийся тем, что площадь F_kz сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце зубчатого венца торцового сечения статора определяется выражением

а профиль этих зубьев очерчен эквидистантой укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, обеспечивающими получение площади F_kz сечения и определяется из выражения

где F_kz - площадь сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце r_f1…r_а1 зубчатого венца;
π=3,14159265358979;
h₁=2e - высота зуба статора;
е - эксцентриситет зацепления;
D_cp=D_k-h₁ - средний диаметр зубчатого венца статора;
D_k - контурный диаметр;
πh₁D_cp1=F_k - площадь контурного кольца статора r_f1…r_а1;
F_пер - перекашивающая сила;
F_r - радиальная сила;
Z₁ - число зубьев статора;
r - радиус катящейся окружности при образовании эквидистанты укороченной гипоциклоиды;
r_ц - радиус эквидистанты укороченной гипоциклоиды;
f(r, r_ц) - подынтегральная функция аргументов r, r_ц площади статора;
Ψ - угол поворота круга радиуса r при качении;
r_f1 - радиус впадин статора; контурный радиус;
r_а1 - радиус выступов зубьев статора.

2. Героторный механизм винтового забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что модифицированный профиль ротора может быть выполнен по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, проходящей через 3 коррегирующие точки, образующие профиль ротора.