СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2009 года по МПК F01C1/107 F04C2/107 E21B4/02 

Изобретение относится к винтовым героторным гидравлическим машинам, размещаемым в скважинах, и может быть использовано в двигателях для вращения ротора (с долотом) от насосной подачи текучей среды или в насосах для подачи текучей среды за счет вращения ротора, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин, добычи нефти и перекачивания жидкостей.

Известен статор винтового героторного гидравлического двигателя или насоса, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми зубьями, закрепленные в корпусе охватываемую и охватывающую обкладки из эластомера, при этом охватываемая обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми 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, F03C 2/08, Apr. 19, 2005).

Известный статор содержит гибкий слой, выполненный из эластомера, имеет одинаковую (однородную) толщину на внутренней поверхности корпуса, при этом на выступах и впадинах зубьев образуются зоны, отличающиеся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора по поверхности обкладки из эластомера в статоре.

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности увеличения диапазона рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс винтовых забойных двигателей, работающих в "горячих" скважинах, например, при температуре бурового раствора в "затрубном" пространстве до 160°С, а также повышения мощности, крутящего момента и усталостной выносливости (ресурса) эластомерной обкладки.

Недостатки известной конструкции объясняются, по существу, гладкой внутренней поверхностью обкладки из эластомера, что не обеспечивает улучшения герметизации винтовых шлюзовых камер по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев обкладки, повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера, а также уменьшения износа винтовых зубьев ротора при планетарно-роторном вращении по поверхностям обкладки из эластомера в статоре вследствие повышенного износа абразивными частицами, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см³, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, определяющего напряженно-деформированное состояние обкладки статора: при контактном давлении 4÷6 МПа, скоростях скольжения 0,5÷4,0 м/с, частоте нагружения до 30 Гц.

Недостатки известного статора объясняются также циклическим нагружением винтовых зубьев, выполненных, например, из эластомеров 81, 84 разной сдвиговой прочности, твердости и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев обкладки, нарушению натяга в рабочей паре, отслоению эластомерной обкладки 81 от корпуса 10, а также к расслоению между обкладками 81, 84 вследствие ухудшения отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки к потоку бурового раствора в зубьях рабочей пары героторного механизма, а также ухудшения отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки 84 сквозь слой материала 81 через стенки корпуса 10 к буровому раствору затрубного пространства.

При этом температура в эластомерной обкладке 84 может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять до 0,1 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, крутящего момента 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 гидравлический насос, имеющий статор и ротор, расположенный внутри статора, один из элементов, изготовленный из эластомерного материала, например из резины, другой элемент, изготовленный из металла, а также ротор, имеющий спиральную конструкцию круглой формы с постоянным диаметром в любом поперечном сечении, имеющую однозаходную резьбу в заданном направлении и заданной длины, соотношение шага ротора к диаметру ротора, не превышающее 1:1, а также статор, имеющий внутреннюю полость в форме двухзаходной винтовой резьбы в том же направлении и с длиной, дважды превышающей длину шага ротора, а также полость в поперечном сечении с продолговатым контуром, ограниченным двумя расположенными на расстоянии вогнутыми полукруглыми концами и сторонами, соединенными с полукруглыми концами, полукруглые концы, диаметр которых немного меньше диаметра круглой формы поперечного сечения ротора, что позволяет устанавливать посадку с натягом между гибким и твердым элементами и обеспечивает участки постоянного контактного давления между ротором и полукруглыми концами полости статора, при этом две стороны имеют внутреннюю кривизну, вследствие которой расстояние между парой сторон значительно меньше диаметра полукруглых концов, что позволяет установить увеличенный натяг и обеспечивает увеличенную площадь контактной поверхности между ротором и искривленными внутрь сторонами полости статора, где контактное давление контактной поверхности выше контактного давления между ротором и полукруглыми концами, а также внутренние линии изгиба сторон, представляющие собой дуги окружности, имеющие центры вне полости на ее противоположных сторонах, радиусы дуг, образующие внутренние линии изгиба, длина которых немного меньше диаметра полукруглых концов (US 4773834, F04C 2/107, Sep.27, 1988).

Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев обкладки, повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера, а также уменьшения износа винтовых зубьев ротора вследствие "вдавливания" в поверхность обкладки из эластомера, преимущественно на участках 31, Z, абразивных частиц, содержащихся в выкачиваемой нефтесодержащей жидкости из "песчаных" скважин, например, с содержанием песка 1,5÷2 г/л, и износа зубьев ротора периодически замещаемыми абразивными частицами, которые внедряются в поверхность обкладки из эластомера, затем "вымываются" напором текучей среды при планетарно-роторном вращении ротора по поверхности обкладки из эластомера в статоре.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является смещающий механизм, имеющий форму эксцентрикового винтового насоса или двигателя (1), который содержит статор (3), имеющий трубчатый кожух (22), имеющий на одном конце соединительную муфту (26), соединяющий кожух (22) с другой частью (2, 5), при этом кожух, имеющий эластичное гибкое покрытие (32), например, из резины на внутренней стороне, образует спиралевидный остов по всей длине, спиралевидный остов, образующий внутреннюю стенку, поперечное сечение которой расположено перпендикулярно к продольной оси трубчатого кожуха (22), край которого (44) имеет волнообразный профиль, благодаря чему по краям остова расположены спиралевидные зубья (37), отделенные друг от друга впадинами (38), внутренняя стенка поперечного сечения остова, имеющая множество дополнительных волн (41), каждая из которых расположена по спирали в продольном направлении, а размеры каждой из волн в круговом и радиальном направлениях меньше, чем размеры зубьев (37) остова, при этом каждый зуб ограничен волнообразным профилем, имеющим минимум одну дополнительную волну (41), ротор (4), расположенный внутри остова для совершения взаимного вращательного движения, при этом ротор (4) имеет форму зубчатого колеса со спиралевидными зубьями (одним или более) (35) и впадинами между зубьями (36), которые расположены внутри остова, имеющего покрытие (32), благодаря чему ротор может вращаться внутри остова, при этом зубья (35) ротора входят в зацепление с впадинами между зубьями (38) покрытия (32) (US 6716008 B1, F01C 1/107, Apr. 6, 2004).

В известном смещающем механизме кожух (22) имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность (21), радиальная толщина эластичного гибкого покрытия (32) в области впадин между зубьями (38) значительно меньше радиальной толщины покрытия в области зубьев (37), при этом кожух (22) имеет спиралевидную внутреннюю поверхность (21), эластичное гибкое покрытие (32) в области впадин между зубьями приблизительно равно по толщине эластичному гибкому материалу (32) в области зубьев (37), зубья (37) остова соединены с впадинами между зубьями (38) торцевыми поверхностями, а торцевые поверхности имеют дополнительные волны (41), как минимум часть которых повторяет спиралевидный профиль торцевых поверхностей, при этом радиальная протяженность дополнительных волн (41) на зубьях (37) остова больше радиальной протяженности дополнительных волн (41) на впадинах между зубьями (38) остова, дополнительные волны (41) на остове симметричны линии впадин между зубьями, которая повторяет спиралевидный профиль впадин между зубьями и имеет большее расстояние по радиусу от продольной оси остова (38), высота дополнительных волн (41) равна приблизительно 0,1+5 мм, высота дополнительных волн (41) остова составляет 1+50% от толщины стенки эластичного гибкого покрытия (32) по отношению к профилю (41) без волн, при этом остов имеет множество дополнительных углублений (39), расположенных рядом с каждой из волн (41), которые аналогично дополнительным волнам (41) вытянуты в длину примерно по спирали и размеры которых в круговом и в радиальном направлениях меньше размеров впадин между зубьями (38), а зубья (37) остова соединены торцевыми поверхностями с впадинами между зубьями (38), при этом торцевые поверхности имеют дополнительные углубления (41), часть которых повторяет спиралевидный профиль торцевых поверхностей.

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности увеличения диапазона рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс и надежность винтовых забойных двигателей, работающих в "горячих" скважинах, по существу, при температуре бурового раствора в "затрубном" пространстве до 160°С, а также неполное использование возможности повышения мощности, крутящего момента и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера.

Недостатки известной конструкции объясняются тем, что внутренняя поверхность обкладки из эластомера, например из резины, по существу, внутренняя стенка поперечного сечения остова, имеет множество дополнительных волн (41), каждая из которых расположена по спирали в продольном направлении, а размеры каждой из волн в круговом и радиальном направлениях меньше, чем размеры зубьев (37) остова, при этом каждый зуб ограничен волнообразным профилем, имеющим минимум одну дополнительную волну (41), что не обеспечивает улучшения герметизации шлюзовых камер по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения гидромеханических потерь, повышения усталостной выносливости (ресурса) эластомерной обкладки, а также уменьшения износа геликоидальной поверхности ротора, увеличения ресурса рабочей пары ротор-обкладка статора в двигателе при планетарно-роторном вращении ротора по поверхностям обкладки из эластомера в статоре вследствие повышенного износа абразивными частицами, например до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см³, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, определяющего напряженно-деформированное состояние обкладки статора: при контактном давлении 4÷6 МПа, скоростях скольжения 0,5÷4,0 м/с, частоте нагружения до 30 Гц.

Недостатки известного статора для двигателя объясняются также циклическим нагружением множества дополнительных волн (41), каждая из которых расположена по спирали в продольном направлении, а размеры каждой из волн в круговом и радиальном направлениях меньше, чем размеры зубьев (37) остова, при этом дополнительные волны (41) винтовых зубьев обкладки из эластомера подвергаются деформации и изгибу в поперечном направлении, по существу, под углом, близким к прямому или под прямым углом к боковым стенкам дополнительных волн при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что не обеспечивает возможности улучшения отвода внутреннего тепла от эластомера зубьев обкладки, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления (улучшения герметизации шлюзовых камер) при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, не обеспечивает возможности улучшения отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки к потоку бурового раствора в зубьях рабочей пары героторного механизма, а также отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки через стенки корпуса к буровому раствору затрубного пространства.

При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять до 0,1 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, крутящего момента на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, не обеспечивает возможности улучшения уплотнения винтовых шлюзовых многозаходных многошаговых камер между зубьями ротора и зубьями обкладки, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора вследствие вдавливания и воздействия абразивных частиц, например до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³ на геликоидальные поверхности рабочей пары ротор-обкладка статора при планетарно-роторном вращении ротора по поверхностям обкладки из эластомера в статоре.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении диапазона рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс и надежность винтового героторного многозаходного гидравлического двигателя, работающего в "горячих" скважинах, например, при температуре бурового раствора в "затрубном" пространстве до 160°С, а также в повышении мощности, крутящего момента и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера за счет улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев обкладки, а также уменьшения абразивного износа винтовых зубьев ротора путем выполнения дополнительных волн на внутренней поверхности обкладки из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья, в виде непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, при этом максимальный шаг непрерывной винтовой волны двойной кривизны равен шагу между смежными винтовыми зубьями в обкладке из эластомера, вход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны первого края винтовых многозаходных зубьев, а выход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны второго края винтовых многозаходных зубьев.

Сущность технического решения заключается в том, что в статоре винтовой героторной гидравлической машины, например, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды или насоса для подачи текучей среды за счет вращения ротора, содержащем трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, выполненную с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, ось ротора смещена относительно оси зубьев в обкладке на величину эксцентриситета, равного, например, половине радиальной высоты зубьев, при этом внутренняя поверхность обкладки из эластомера выполнена с дополнительными волнами, например, расположенными по спирали, а высота дополнительных волн меньше, чем размеры зубьев обкладки статора, например, высота дополнительных волн равна 0,1÷5 мм, согласно изобретению, дополнительные волны на внутренней поверхности обкладки из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья, выполнены в виде непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, при этом максимальный шаг непрерывной винтовой волны двойной кривизны равен шагу между смежными винтовыми зубьями в обкладке из эластомера, вход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны первого края винтовых многозаходных зубьев, а выход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны второго края винтовых многозаходных зубьев.

Непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев, выполнена с минимальным шагом вдоль центральной продольной оси статора, равным 0,2 мм.

Непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки кратно шагу между витками непрерывной винтовой волны двойной кривизны.

Непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов непрерывной винтовой волны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки равно числу зубьев обкладки.

Твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 67÷73 ед. Шор А.

В заявляемой конструкции за счет того, что дополнительные волны на внутренней поверхности обкладки из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья, выполнены в виде непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, при этом максимальный шаг непрерывной винтовой волны двойной кривизны равен шагу между смежными винтовыми зубьями в обкладке из эластомера, вход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны первого края винтовых многозаходных зубьев, а выход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны второго края винтовых многозаходных зубьев, увеличивается диапазон рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс и надежность винтового героторного многозаходного гидравлического двигателя, работающего в "горячих" скважинах, например, при температуре бурового раствора в "затрубном" пространстве до 160°С, а также повышается мощность, крутящий момент и усталостная выносливость (ресурс) обкладки из эластомера, а также уменьшается абразивный износ винтовых зубьев ротора за счет улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев обкладки из эластомера.

При этом многократно уменьшаются эрозионные "размывы" и отслоения, например хромового покрытия зубьев ротора вследствие волнового винтового направленного движения абразивных частиц бурового раствора вдоль впадин между гребнями волн, образованных огибанием непрерывной винтовой волны двойной кривизны циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, а также повышается ресурс рабочей пары ротор-обкладка статора при планетарно-роторном вращении ротора по поверхностям обкладки из эластомера в статоре вследствие улучшения герметизации шлюзовых камер и уменьшения износа гребней волн абразивными частицами, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см³, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа и определяющего напряженно-деформированное состояние обкладки статора: при контактном давлении 4+6 МПа, скоростях скольжения 0,5÷4,0 м/с, частоте нагружения до 30 Гц.

За счет того, что непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев, выполнена с минимальным шагом вдоль центральной продольной оси статора, равным 0,2 мм, обеспечивается улучшение герметизации шлюзовых камер и уменьшение износа абразивными частицами гребней волн обкладки, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер-глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см³, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа за счет направленного прохождения абразивных частиц между гребнями волн обкладки, а также обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора.

За счет того, что непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки кратно шагу между витками непрерывной винтовой волны двойной кривизны, повышаются энергетические характеристики винтовой героторной гидравлической машины, по существу, 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, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев обкладки, повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера, а также за счет уменьшения износа и отслоения, например, хромового покрытия винтовых зубьев ротора.

За счет того, что твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 67÷73 ед. Шор А, увеличивается усталостная выносливость (ресурс) обкладки из эластомера вследствие выполнения дополнительных волн на внутренней поверхности обкладки из эластомера в виде непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, при этом абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, "вдавливаются" геликоидальной поверхностью ротора между гребнями волн, периодически "вымываются" и "замещаются" новыми абразивными частицами под действием напора бурового раствора, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа.

При использовании конструкции статора увеличивается диапазон рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс и надежность винтового героторного многозаходного гидравлического двигателя, работающего в "горячих" скважинах, например, при температуре бурового раствора в "затрубном" пространстве до 160°С, повышается мощность, крутящий момент и усталостная выносливость (ресурс) обкладки из эластомера за счет улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев, а также уменьшения износа винтовых зубьев ротора.

Ниже представлен лучший вариант секции статора винтового героторного гидравлического двигателя для бурения нефтяных скважин.

На фиг.1 показан продольный разрез секции винтового героторного гидравлического двигателя.

На фиг.2 показан продольный разрез статора винтового героторного гидравлического двигателя.

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

На фиг.4 показан разрез Б-Б на фиг.2 поперек статора винтового героторного гидравлического двигателя.

На фиг.5 показан элемент I на фиг.2 обкладки статора винтового героторного гидравлического двигателя.

На фиг.6 показан элемент II на фиг.1 ротора и обкладки статора винтового героторного гидравлического двигателя.

На фиг.7 показана траектория непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора.

На фиг.8 показан вид на внутреннюю поверхность обкладки из эластомера с непрерывной винтовой волной двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев.

Статор винтовой героторной гидравлической машины, например, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды, содержит трубчатый корпус 1, закрепленную в корпусе 1 обкладку 2 из эластомера, выполненную с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3, предназначенными для размещения ротора 4, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями 5, число (8) зубьев 5 ротора 4 на единицу меньше числа (9) зубьев 3 обкладки 2, ходы (не показаны) винтовых зубьев 5 ротора 4 и винтовых зубьев 3 обкладки 2 пропорциональны их числу 8 и, соответственно, числу 9 зубьев 3 и 5, центральная продольная ось 6 ротора 4 смещена относительно центральной продольной оси 7 зубьев 3 в обкладке 2 на величину эксцентриситета 8, равного, например, половине радиальной высоты 9 зубьев 3, 5, при этом внутренняя поверхность 10 обкладки 2 из эластомера выполнена с дополнительными волнами 11, например, расположенными по спирали 12, а высота 13 дополнительных волн 11 меньше, чем размеры, например, радиальная высота 9 зубьев 3 обкладки 2 статора, например, высота 13 дополнительных волн 11 равна 0,1÷5 мм, показано на фиг.1, 2, 3, 4, 6.

При этом шаг Т (или ход P_z) винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в обкладке 2 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 7 зубьев 3 в обкладке 2, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр.17.

Дополнительные волны 11 на внутренней поверхности 14 обкладки 2 из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья 3, выполнены в виде непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом 16 вдоль центральной продольной оси 7 статора (трубчатого корпуса 1), при этом максимальный шаг 16 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны может быть равен шагу 17 между смежными винтовыми зубьями 3 в обкладке 2 из эластомера, вход 18 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны на внутренней поверхности 14 винтовых многозаходных зубьев 3 обкладки 2 расположен со стороны первого края 19 винтовых многозаходных зубьев 3, а выход 20 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны на внутренней поверхности 14 винтовых многозаходных зубьев 3 обкладки 2 расположен со стороны второго края 21 винтовых многозаходных зубьев 3, показано на фиг.1, 2, 3, 4, 6, 7.

Непрерывная винтовая волна 15 двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3, может быть выполнена с минимальным шагом 16 вдоль центральной продольной оси 7 зубьев 3 в обкладке 2 статора, равным 0,2 мм, показано на фиг.2, 6.

Непрерывная винтовая волна 15 двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом вдоль центральной продольной оси 7 статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов 22 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны на внутренней поверхности 14 винтовых многозаходных зубьев 3 обкладки 2 кратно шагу 17 (или 16) между витками непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны, показано на фиг.2, 5, 7.

Непрерывная винтовая волна 15 двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом вдоль центральной продольной оси 7 статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов 22 непрерывной винтовой волны 15 на внутренней поверхности 14 винтовых многозаходных зубьев 3 обкладки 2 равно числу (9) зубьев обкладки 2, показано на фиг.2, 5, 7.

Твердость обкладки 2 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3, выполненной из резины, составляет 67…73 ед. Шор А (не показано).

Кроме того, на фиг.1, 3 показано: поз.23 - многозаходные винтовые шлюзовые камеры между зубьями 5 ротора 4 и зубьями 3 обкладки 2 из эластомера; на фиг.1 показано: поз.24 - направление потока бурового раствора внутри статора винтового героторного гидравлического двигателя; поз.25 - направление потока бурового раствора в затрубном пространстве.

Ротор 4 двигателя в компоновке низа бурильной колонны предназначен для соединения с карданной трансмиссией, ротором шпинделя и долотом (не показаны).

Конструкция статора предназначена для использовании в винтовом героторном гидравлическом двигателе, работающем в "горячих" скважинах, например, при температуре бурового раствора в "затрубном" пространстве до 160°С, и работает следующим образом: поток бурового раствора 24, содержащий абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, содержащихся в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, под давлением 25÷35 МПа по колонне бурильных труб (не показаны) подается в многозаходные винтовые шлюзовые камеры 23 между винтовыми зубьями 5 ротора 4 и винтовыми зубьями 3 обкладки 2 из эластомера и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 4 внутри обкладки 2 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1, а также приводит во вращение приводной вал, вал шпинделя и долото (на фигуре не показаны), осуществляя бурение скважины.

Винтовые зубья 3 обкладки 2 из эластомера подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 4 внутри обкладки 2, закрепленной в трубчатом корпусе 1 (в статоре).

Винтовые шлюзовые камеры 23 между винтовыми зубьями 5 ротора 4 и винтовыми зубьями 3 обкладки 2 из эластомера имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 24 бурового раствора, содержащего абразивные частицы, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, определяющего напряженно-деформированное состояние обкладки статора: при контактном давлении 4÷6 МПа, скоростях скольжения 0,5÷4,0 м/с, частоте нагружения до 30 Гц.

Температура бурового раствора 24 в двигателе составляет: 80÷90°С летом, при температуре воздуха 20÷30°С и, соответственно, 40÷70°С зимой, при температуре воздуха -20÷-55°С.

Поток бурового раствора 25 в затрубном пространстве направлен от долота к устью скважины (к буровой установке) и нагревает внешнюю поверхность трубчатого корпуса 1.

Двигатель работает при температуре бурового раствора 25 в затрубном пространстве 130÷160°С за счет непрерывной насосной подачи и отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки 2 к потоку бурового раствора 24 в винтовых зубьях 3, 5 рабочей пары героторного механизма.

Так как эластомер характеризуется высокими изоляционными свойствами, он задерживает передачу тепла от бурового раствора 25 в затрубном пространстве в большей степени вдоль "гребней" дополнительных волн 11 на внутренней поверхности 14 обкладки 2 из эластомера, выполненных в виде непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом 16 вдоль центральной продольной оси 7 статора (трубчатого корпуса 1), по сравнению с меньшими толщинами обкладки 2 из эластомера между гребнями вышеуказанной непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны.

За счет того, что дополнительные волны 11 на внутренней поверхности 14 обкладки 2 из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья 3, выполнены в виде непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом 16 вдоль центральной продольной оси 7 статора (трубчатого корпуса 1), при этом максимальный шаг 16 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны может быть равен шагу 17 между смежными винтовыми зубьями 3 в обкладке 2 из эластомера, вход 18 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны на внутренней поверхности 14 винтовых многозаходных зубьев 3 обкладки 2 расположен со стороны первого края 19 винтовых многозаходных зубьев 3, а выход 20 непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны на внутренней поверхности 14 винтовых многозаходных зубьев 3 обкладки 2 расположен со стороны второго края 21 винтовых многозаходных зубьев 3, увеличивается диапазон рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс и надежность винтового героторного многозаходного гидравлического двигателя, работающего в "горячих" скважинах, а также повышается мощность, крутящий момент и усталостная выносливость (ресурс) обкладки 2 из эластомера, а также уменьшается износ винтовых зубьев 5 ротора 4 за счет улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, снижения гидромеханических потерь во всех фазах контакта зубьев 3 обкладки 2 и зубьев 5 ротора 4, уменьшения градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев 3 обкладки 2 из эластомера.

При выполнении дополнительных волны 11 на внутренней поверхности 14 обкладки 2 из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья 3, в виде непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом 16 вдоль центральной продольной оси 7 статора (трубчатого корпуса 1), многократно уменьшаются эрозионные "размывы" и отслоения, например, хромового покрытия зубьев 5 ротора 4 вследствие волнового (винтового) направленного движения абразивных частиц бурового раствора 24 вдоль впадин между гребнями вышеуказанной волны 15, а также повышается ресурс рабочей пары ротор-обкладка статора при планетарно-роторном вращении ротора по поверхностям обкладки из эластомера в статоре вследствие улучшения герметизации многозаходных винтовых (шлюзовых) камер и уменьшения износа гребней волн абразивными частицами, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер-глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см³, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа и определяющего напряженно-деформированное состояние обкладки статора: при контактном давлении 4÷6 МПа, скоростях скольжения 0,5÷4,0 м/с, частоте нагружения до 30 Гц.

При этом коэффициент температурного расширения а материала обкладки 2 из резины ИРП-1226-5 составляет 1,45·10^-4 1/град, коэффициент температурного расширения а материала трубчатого корпуса 1 из стали 20X13 ГОСТ1577-93 составляет 10,75·10^-61/град.

При твердости обкладки 2 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3, выполненной из резины ИРП-1226-5, составляющей 67…73 ед. Шор А, увеличивается усталостная выносливость (ресурс) обкладки 2 при выполнении непрерывной винтовой волны 15 двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев 3 с определенным шагом 16 вдоль центральной продольной оси 7 статора (трубчатого корпуса 1), при этом абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, "вдавливаются" геликоидальной поверхностью ротора между гребнями волн обкладки, периодически "вымываются" и "замещаются" новыми абразивными частицами под действием напора бурового раствора 24, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа.

Изобретение относится к винтовым героторным гидравлическим машинам, размещаемым в скважинах. Статор винтовой героторной гидравлической машины содержит трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, выполненную с внутренними винтовыми многозаходными зубьями. Внутренняя поверхность обкладки выполнена с дополнительными волнами, например, расположенными по спирали, а высота дополнительных волн меньше, чем размеры зубьев обкладки статора. Дополнительные волны выполнены в виде непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора. Максимальный шаг равен шагу между смежными винтовыми зубьями в обкладке. Вход непрерывной винтовой волны расположен со стороны первого края винтовых многозаходных зубьев, а выход - со стороны второго края. Увеличивается диапазон рабочих температур, при которых обеспечивается ресурс и надежность двигателя, повышается мощность, крутящий момент и усталостная выносливость обкладки. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Статор винтовой героторной гидравлической машины, например, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды или насоса для подачи текучей среды за счет вращения ротора, содержащий трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, выполненную с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, ось ротора смещена относительно оси зубьев в обкладке на величину эксцентриситета, равного, например, половине радиальной высоты зубьев, при этом внутренняя поверхность обкладки из эластомера выполнена с дополнительными волнами, например, расположенными по спирали, а высота дополнительных волн меньше, чем размеры зубьев обкладки статора, например, высота дополнительных волн равна 0,1+5 мм, отличающийся тем, что дополнительные волны на внутренней поверхности обкладки из эластомера, содержащей внутренние винтовые многозаходные зубья, выполнены в виде непрерывной винтовой волны двойной кривизны, образованной сгибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, при этом максимальный шаг непрерывной винтовой волны двойной кривизны равен шагу между смежными винтовыми зубьями в обкладке из эластомера, вход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны первого края винтовых многозаходных зубьев, а выход непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки расположен со стороны второго края винтовых многозаходных зубьев.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев, выполнена с минимальным шагом вдоль центральной продольной оси статора, равным 0,2 мм.

3. Статор по п.1, отличающийся тем, что непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов непрерывной винтовой волны двойной кривизны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки кратно шагу между витками непрерывной винтовой волны двойной кривизны.

4. Статор по п.1, отличающийся тем, что непрерывная винтовая волна двойной кривизны, образованная огибанием циклоидального профиля винтовых многозаходных зубьев с определенным шагом вдоль центральной продольной оси статора, выполнена многозаходной, при этом число заходов непрерывной винтовой волны на внутренней поверхности винтовых многозаходных зубьев обкладки равно числу зубьев обкладки.

5. Статор по п.1, отличающийся тем, что твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 67÷73 ед. Шор А.