Винтовая гидромашина Российский патент 2024 года по МПК F01C1/107 F04C2/107 

Изобретение относится к винтовым забойным двигателям и винтовым насосам, и может быть использовано в нефтегазодобывающей, горной и других отраслях промышленности.

Известен статор винтового забойного двигателя, описанного в книге авторов Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых «Одновинтовые гидравлические машины» (М., ООО «ИРЦ Газпром» - 2007, т. 2, стр. 166). Статор содержит трубчатый полый корпус и закрепленную в нем резиновую обкладку с внутренними винтовыми зубьями, которые взаимодействуют с размещенным внутри статора стальным ротором с наружными зубьями, число которых на единицу меньше количества зубьев статора.

Недостатком конструкции статора является то, что при работе двигателя резиновые зубья статора, подвергаясь значительным нагрузкам со стороны зубьев ротора, деформируются, при этом нарушается геометрия зацепления, резина разогревается из-за внутреннего трения в ней, снижается КПД двигателя. Из-за низкой теплопроводности резины в обкладке возникает перегрев, разрушаются зубья. Поверхность резиновой обкладки зубьев подвержена интенсивному износу при работе с абразивным буровым раствором. Резиновая обкладка подвержена растрескиванию, разрыву что вызывает малую наработку двигателя. Для снижения напряжений увеличивают длину статора и ротора, что приводит к увеличению материалоемкости, трудоемкости изготовления, цены двигателя.

Известен также двигатель, описанный в этой же монографии Д.Ф. Балденко и др. «Одновинтовые гидравлические машины» том 2 «Винтовые забойные двигатели» стр. 67-68, М. 2007 г. В этом двигателе для повышения жесткости зубьев статора на внутренней поверхности остова выполнены внутренние металлические зубья, на которые наносится упругоэластичная обкладка с расчетным профилем зуба. Металлическая часть зуба позволяет уменьшить толщину упругоэластичной обкладки, что увеличивает жесткость зубьев, уменьшает деформацию и разогрев резины, позволяет передавать на долото более высокий крутящий момент. Однако, в этом двигателе также имеет низкую стойкость упругоэластичная обкладка статора, оформляющая рабочую поверхность внутренних зубьев статора. Поверхность упругоэластичной обкладки зубьев подвержена интенсивному износу при работе с абразивным буровым раствором. Упругоэластичная обкладка также подвержена растрескиванию, разрыву что вызывает малую наработку двигателя.

В качестве прототипа выбрана известная винтовая гидромашина по RU 2299966 С2, автор Шардаков М.В, опубликовано 27.05.2007 г., бюл. №15, с наиболее близкими совокупными признаками к предлагаемому изобретению. Известный винтовой забойный двигатель, содержит опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными резиной, 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 торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Недостаток данной винтовой гидромашины заключается в низкой прочности упруго эластичного поверхностного слоя внутренних винтовых зубьев, облицованных резиной. При низкой прочности упруго эластичного поверхностного слоя внутренних винтовых зубьев, зубья статора при рабочих нагрузках, подвержены растрескиванию и разрыву, что вызывает малую наработку двигателя. Также низкая прочность упруго эластичной обкладки статора способствует увеличенному изгибу зубьев при рабочих нагрузках гидромашины, искажению при этом профиля зубьев и нарушении геометрии зацепления, что значительно снижает рабочий момент и КПД двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание статора, применение которого в винтовой гидромашине, по сравнению с прототипом, увеличивает ресурс, рабочий момент и КПД винтовой гидромашины.

Указанная задача решается тем, что винтовая гидромашина содержит статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из упругоэластичного материала и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки 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 их числам зубьев, при этом поверхность внутренних винтовых зубьев обкладки статора облицована, по меньшей мере, одним защитным слоем ткани, при этом ткань применена из синтетических, искусственных и натуральных промышленных волокон, причем материал ткани выполнен более прочным, чем упругоэластичный материал зубьев обкладки и прикреплен к ним адгезивом с объемным заполнением пространства между волокнами и (или) нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев. Задача решается и тогда, когда ткань имеет в своем составе арамидные волокна и (или) нити. Указанная задача решается и тогда, когда ткань имеет ячеистую структуру и когда толщина защитного слоя выполнена меньше половины высоты зуба статора.

Отличительными признаками предлагаемой винтовой гидромашины от указанного выше наиболее близкого к нему прототипа, являются следующие.

Во-первых, винтовая гидромашина содержит статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из упругоэластичного материала и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки 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 их числам зубьев, при этом поверхность внутренних винтовых зубьев обкладки статора облицована, по меньшей мере, одним защитным слоем ткани, при этом ткань применена из синтетических, искусственных и натуральных промышленных волокон, причем материал ткани выполнен более прочным, чем упругоэластичный материал зубьев обкладки и прикреплен к ним адгезивом с объемным заполнением пространства между волокнами и (или) нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев.

При таком исполнении винтовой гидромашины, более прочный чем эластомер, защитный слой ткани, прикрепленный к поверхности зубьев статора воспринимает на себя силовые изгибающие нагрузки, действующие на зубья при бурении, оказывает сопротивление изгибу зубьев при работе двигателя. Этим повышается КПД двигателя, увеличивается его рабочий момент. Особенно это проявляется при увеличении прочности защитного слоя ткани. Также защитный слой выполняет роль гибкой бронезащиты упругоэластичных зубьев от абразивных частиц песка в буровом растворе, препятствует растрескиванию и отрыву зубьев статора. Этим увеличивается ресурс работы гидромашины.

Во-вторых, когда защитный слой выполнен из ткани, имеющей в своем составе арамидные волокна и (или) нити, защитный слой ткани также выполняет роль бронезащиты упругоэластичных зубьев от абразивных частиц песка в буровом растворе. В этом случае, при значительном увеличении прочности защитного слоя, кратно уменьшается абразивный износ зубьев, исключается отрыв зубьев с увеличением при этом ресурса двигателя. Защитный слой в этом случае также воспринимает на себя силовые изгибающие нагрузки, действующие на зубья при бурении, сопротивляется изгибу зубьев при работе двигателя за счет повышенной прочности слоя, при этом повышается КПД двигателя, увеличивается его рабочий момент.

В-третьих, когда ткань имеет ячеистую структуру и толщина защитного слоя выполнена меньше половины высоты зуба статора, достигается более прочное закрепление слоя ткани на поверхности зубьев объемным заполнением пространства ячеек между волокнами и (или) нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев, что увеличивает ресурс гидромашины.

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4

На фиг. 1 показано сечение статора и ротора винтовой гидромашины, поверхность внутренних винтовых зубьев упругоэластичной обкладки статора облицована защитным слоем ткани.

На фиг. 2 показано сечение статора и ротора винтовой гидромашины, при этом статор выполнен с уменьшенной толщиной упругоэластичной обкладки, поверхность внутренних винтовых зубьев упругоэластичной обкладки статора облицована защитным слоем ткани.

На фиг. 3 показана пресс форма для изготовления статора с защитным слоем на поверхности зубьев обкладки с литниковыми отверстиями, расположенными на одном крае пресс формы.

На фиг. 4 показана пресс форма для изготовления статора с защитным слоем на поверхности зубьев обкладки с литниковыми отверстиями, расположенными в середине пресс формы.

Винтовая гидромашина, (фиг. 1, 2) содержит статор 2, состоящий из корпуса 1 статора 2 с закрепленной в корпусе обкладкой 3 с внутренними винтовыми зубьями 4, выполненной из упругоэластичного материала и ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, число которых на единицу меньше числа зубьев 4 обкладки 3 статора 2, причем ось О-О ротора 5 смещена относительно оси O₁-O₁ статора 2 на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты h зубьев 4,6, профили наружных зубьев 6 ротора 5 и внутренних зубьев 4 статора 2 в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев 4,6 ротора 5 и статора 2 пропорциональны их числам зубьев 4,6, поверхность внутренних винтовых зубьев 4 обкладки 3 статора 2 облицована, по меньшей мере, одним защитным слоем 7 ткани, при этом ткань применена из синтетических, искусственных и натуральных промышленных волокон, причем материал слоя 7 ткани выполнен более прочным, чем упругоэластичный материал зубьев 4 обкладки 3 и прикреплен к ним адгезивом и объемным заполнением пространства между волокнами и (или) нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев 4. Ткань имеет в своем составе арамидные волокна и (или) нити, ткань имеет ячеистую структуру, толщина защитного слоя 7 выполнена меньше половины высоты h зуба 4 статора 2.

Статор винтовой гидромашины изготавливается с применением пресс формы (фиг 3, 4) для изготовления статора винтовой гидромашины 2 с защитным слоем 7 на поверхности зубьев 4 обкладки 3, Пресс форма характеризуется тем, что она содержит концентрично установленные с образованием кольцевой оформляющей рабочей полости 8 корпус 1 статора 2, сердечник 9 с наружными зубьями 10, центрирующие корпус втулки 11, установленные по торцам сердечника 9, фиксирующие гайки 12, литниковые отверстия 13 для возможности залива в кольцевую оформляющую полость 8 упругоэластичного материала 16, выполненные в середине (фиг. 4) или с одного из краев (фиг. 3) пресс формы, в оформляющей рабочей полости 8 вокруг зубьев сердечника 9 уложена по меньшей мере, в один слой 7, ткань с образованием рукава 14.

Способ изготовления статора с гибким защитным слоем на поверхности зубьев обкладки, осуществляют следующим образом: выполняют пресс форму в соответствии с выше описанной, через литниковые отверстия 13 пресс формы заливают упругоэластичный материал 16 между корпусом 1 статора 2 и защитным слоем 7 в оформляющей рабочей полости 8 пресс формы, нагревают пресс форму до температуры вулканизации упругоэластичного материала 16, выдерживают при этой температуре до окончания процесса вулканизации, охлаждают пресс форму, извлекают сердечник 9 пресс формы из статора 2. При этом защитный слой 7 на поверхности зубьев 4 закрепляется в процессе заливки упругоэластичного материала 16. При заливке рукав 14 из защитного слоя 7 под воздействием движения заливаемого между корпусом 1 статора 2 и рукавом 14 упругоэластичного материала, облегает зубья 10 сердечника 9 пресс формы, прижимается к ним, облицовывая поверхность зубьев 4 обкладки 3. Способ позволяет произвести изготовление статора 2 с защитным слоем 7 ткани на поверхности его упругоэластичных зубьев 4. При заливке рукав 14 из ткани под воздействием движения заливаемого между корпусом 1 статора 2 и рукавом упругоэластичного материала, облегает зубья сердечника пресс формы, прижимается к ним, облицовывая поверхность зубьев 4 обкладки 3, а упругоэластичный материал зубьев 4 при этом заполняет пространства между волокнами и (или) нитями ткани обеспечивая ее надежное крепление к поверхности зубьев 4 обкладки 3, это упрощает технологию и уменьшает стоимость винтовой гидромашины. Заливка производится за один раз, одним составом упругоэластичного материала с использованием одной пресс формы, это также упрощает технологию и уменьшает стоимость винтовой гидромашины.

Винтовая гидромашина (фиг. 2), при ее использовании в винтовом забойном двигателе работает следующим образом: поток рабочей текучей среды под давлением по колонне бурильных труб (не показаны) подается в винтовые камеры 15 образованные винтовыми зубьями 4 обкладки 3 статора 2 и винтовыми зубьями 6 ротора 5. В винтовых камерах при высоком давлении рабочей текучей среды, воздействующем на боковые поверхности винтовых зубьев 4 и 6, создается крутящий момент, приводящий во вращение ротор 5. Защитный слой 7 выполняет роль гибкой бронезащиты упругоэластичных зубьев 4 обкладки 3 статора 2 от абразивных частиц песка в буровом растворе, препятствует изгибу и отрыву зубьев, при этом сохраняется эластичность зубьев 4 необходимая для работы двигателя и кратно уменьшается абразивный износ зубьев 4 с увеличением ресурса двигателя.

Винтовая гидромашина (фиг. 1), при ее использовании в винтовом насосе работает следующим образом: ротор 5 принудительно приводится во вращение относительно статора 2, например, через колонну штанг (не показаны). Винтовые камеры 15 образованные винтовыми зубьями 4 обкладки 3 статора 2 и винтовыми зубьями 6 ротора 5, при вращении ротора 5 перемещаются вдоль статора 2, при этом перемещая перекачиваемую среду вдоль статора 2.

Защитный слой 7 выполняет роль гибкой бронезащиты упругоэластичных зубьев 4 обкладки 3 статора 2 от абразивных частиц песка в перекачиваемой среде, препятствует изгибу и отрыву зубьев, при этом сохраняется эластичность зубьев 4 необходимая для работы насоса и кратно уменьшается абразивный износ зубьев 4 с увеличением ресурса насоса.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым гидромашинам, и может быть использовано в нефтегазодобывающей, горной и других отраслях промышленности. Винтовая гидромашина содержит статор 2, состоящий из корпуса 1 с закрепленной обкладкой 3 с внутренними винтовыми зубьями 4, выполненной из упругоэластичного материала, и ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, число которых на единицу меньше числа зубьев 4. Ось ротора 5 смещена относительно оси статора 2 на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев 4, 6. Профили наружных зубьев 6 и внутренних зубьев 4 в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми. Ходы винтовых зубьев 4, 6 пропорциональны их числам зубьев 4, 6. Поверхность зубьев 4 облицована по меньшей мере одним защитным слоем 7 ткани. Ткань применена из синтетических, искусственных и натуральных промышленных волокон. Материал ткани выполнен более прочным, чем упругоэластичный материал зубьев 4, и прикреплен к ним адгезивом с объемным заполнением пространства между волокнами и (или) нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев 4. Изобретение направлено на увеличение ресурса, рабочего момента и КПД винтовой гидромашины. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Винтовая гидромашина, содержащая статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из упругоэластичного материала и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки 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 их числам зубьев, отличающаяся тем, что поверхность внутренних винтовых зубьев обкладки статора облицована по меньшей мере одним защитным слоем ткани, при этом ткань применена из синтетических, искусственных и натуральных промышленных волокон, причем материал ткани выполнен более прочным, чем упругоэластичный материал зубьев обкладки, и прикреплен к ним адгезивом с объемным заполнением пространства между волокнами и (или) нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев.

2. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что ткань имеет в своем составе арамидные волокна и (или) нити.

3. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что ткань имеет ячеистую структуру.

4. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что толщина защитного слоя выполнена меньше половины высоты зуба статора.