Винтовая гидромашина с эластомерно-тканевыми зубьями статора (варианты) Российский патент 2025 года по МПК E21B4/02 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, снижается КПД двигателя. Поверхность резиновой обкладки зубьев подвержена интенсивному износу при работе с абразивным буровым раствором, подвержена растрескиванию, разрыву что вызывает малую наработку 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, подвержена растрескиванию, разрыву, что также вызывает малую наработку двигателя.

Известна «Винтовая гидромашина с бронезащитным слоем арамидной ткани - кевлар на поверхности зубьев статора», патент № 222521 с приоритетом 08.08.2023, авторы Шардаков М.В., Гостев А.Н., принятая за прототип. В данном техническом решении вся поверхность внутренних винтовых зубьев обкладки статора облицована защитным слоем арамидной ткани - кевлар, с объемным заполнением пространства между нитями ткани упругоэластичным материалом зубьев. При этом образуется эластомерно-тканевая поверхность зубьев, уменьшающая абразивный износ зубьев. Увеличивается прочность поверхности зубьев на разрыв, что препятствует растрескиванию и отрыву зубьев. Известный статор с облицовкой защитным, равномерным по толщине слоем ткани всей поверхности внутренних винтовых зубьев обкладки статора имеет следующие недостатки.

Как показала практика, в статоре винтовой забойной гидромашины износ по одной, рабочей стороне зубьев всегда больше, чем по противоположной стороне зубьев. Это также подтверждается теоретическими обоснованиями и исследованиями, отраженными в книгах авторов Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых «Одновинтовые гидравлические машины» (М., ООО «ИРЦ Газпром» - 2007, том 1 - «Одновинтовые насосы», стр. 288. и том 2 - «Винтовые забойные двигатели» стр. 130-131). При взаимодействии ротора и статора наблюдается односторонний фрикционный износ на правой части профиля зубьев статора, если смотреть со стороны входа бурового раствора в двигатель и на левой части профиля зубьев статора насоса при вращении вала по часовой стрелке, если смотреть со стороны привода винтового насоса.

А поскольку на винтовых зубьях данного статора облицовка тканью выполнена на всей поверхности внутренних винтовых зубьев, то дорогостоящий материал, износостойкая арамидная ткань на противоположной нерабочей стороне зубьев статора используется непродуктивно. Кроме того, технология облицовки всей поверхности зубьев статора защитным слоем ткани требует наличия дорогостоящей оснастки, что увеличивает стоимость статора и винтовой гидромашины.

Задачей настоящего изобретения является создание статора винтовой гидромашины, в котором устранены вышеуказанные недостатки и который имеет повышенную долговечность при меньшей стоимости изготовления и имеет упрощенную технологию изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в первом варианте исполнения винтовая гидромашина, содержит статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из эластомера, 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, эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой, а пространство между нитями тканевой ленты объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки.

Поставленная задача лучшим образом решается, когда тканевая лента выполнена из арамидных нитей и толщина тканевой ленты выполнена меньше половины высоты зуба статора.

Поставленная задача решается и во втором варианте исполнения, где винтовая гидромашина, содержит статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из эластомера, 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, эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой в 1,1-10,0 раз повышенной толщины, по сравнению с толщиной ленты на противоположной стороне зубьев, а пространство между нитями тканевой ленты на всех сторонах зубьев объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты с повышенной толщиной имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки. Поставленная задача лучшим образом решается, когда боковые края соседних лент при этом соединены внахлест.

Отличительными признаками предлагаемой винтовой гидромашины в первом варианте ее исполнения 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 эластомера, 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, эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой, а пространство между нитями тканевой ленты объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки.

При таком исполнении винтовой гидромашины тканевая лента выполняет роль защиты поверхности упругоэластичных зубьев от износа абразивными частицами бурового раствора со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора. При этом сохраняется местная эластичность зубьев, необходимая для их работы, уменьшается абразивный износ зубьев с увеличением ресурса гидромашины. Тканевая лента воспринимает на себя силовые изгибающие нагрузки, действующие на зубья при работе, оказывает сопротивление изгибу зубьев и их отрыву со стороны наибольших контактных напряжений при работе гидромашины. Применение тканевой ленты для облицовки поверхности винтовых зубьев статора только со стороны наибольших контактных напряжений позволяет экономить дорогостоящий износостойкий тканевый материал и использовать его более продуктивно. При этом технология изготовления тканевой ленты необходимой ширины не требует специальной ткацкой оснастки, по сравнению с изготовлением тканевого рукава заданного диаметра под каждый типоразмер статора, а технология облицовки боковых рабочих сторон зубьев тканевыми лентами требует наличия упрощенной оснастки для закрепления ленты в пресс форме, что в целом уменьшает стоимость статора и уменьшает стоимость винтовой гидромашины.

Во-вторых, когда тканевая лента выполнена из арамидных нитей, достигается лучшая износостойкость эластомерно-тканевой поверхности зубьев со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора. Эластомерно-тканевая поверхность зубьев обкладки статора в этом случае показывает лучшую стойкость к истиранию и порезу абразивными частицами бурового раствора.

В-третьих, когда толщина тканевой ленты выполнена меньше половины высоты зуба статора, это достаточно для закрепления тканевой ленты в эластомере обкладки, при этом увеличение толщины тканевой ленты свыше половины высоты зуба статора приводит к неоправданному ее расходу.

Отличительными признаками предлагаемой винтовой гидромашины во втором варианте ее исполнения 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 эластомера, 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, эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой в 1,1-10,0 раз повышенной толщины, по сравнению с толщиной ленты на противоположной стороне зубьев, а пространство между нитями тканевой ленты на всех сторонах зубьев объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты с повышенной толщиной имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки.

При таком варианте исполнения винтовой гидромашины тканевая лента повышенной толщины выполняет роль защиты поверхности упругоэластичных зубьев от более интенсивного износа абразивными частицами бурового раствора со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора. Пониженная толщина ленты на противоположных менее нагруженных сторонах зубьев также защищает их от износа, который здесь имеет кратно меньшую интенсивность. При этом сохраняется местная эластичность зубьев, необходимая для их работы, уменьшается абразивный износ зубьев с увеличением ресурса гидромашины. Тканевая лента воспринимает на себя силовые изгибающие нагрузки, действующие на зубья при работе, оказывает сопротивление изгибу зубьев и их отрыву со стороны наибольших контактных напряжений при работе гидромашины. Облицовка тканевой лентой эластомерных винтовых зубьев статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, в 1,1-10,0 раз повышенной толщины, по сравнению с толщиной ленты на противоположной стороне зубьев позволяет экономить дорогостоящий износостойкий тканевый материал на нерабочей стороне зубьев и использовать его более продуктивно. При этом технология изготовления тканевой ленты необходимой ширины и толщины не требует специальной ткацкой оснастки, по сравнению с изготовлением тканевого рукава заданного диаметра под каждый типоразмер статора, а технология облицовки боковых рабочих сторон зубьев тканевыми лентами требует наличия упрощенной оснастки для закрепления ленты в пресс форме, что в целом уменьшает стоимость статора и уменьшает стоимость винтовой гидромашины.

Во-вторых, когда боковые края соседних тканевых лент соединены внахлест, обеспечивается образование сплошной эластомерно-тканевой поверхности винтовых зубьев статора с защитой всей поверхности зубьев от износа и от образования трещин при объемном заполнении пространства между нитями тканевых лент эластомером обкладки.

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3. На фиг. 1 показано сечение статора и ротора винтовой гидромашины, эластомерные винтовые зубья статора со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой.

На фиг. 2 показан вид на внутренние зубья статора - эластомерные винтовые зубья со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой.

На фиг. 3 показано сечение статора и ротора винтовой гидромашины, эластомерные винтовые зубья статора, со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой повышенной толщины.

Винтовая гидромашина по первому варианту изобретения (фиг. 1), содержит статор 1, состоящий из корпуса 2 статора 1 с закрепленной в корпусе обкладкой 3 с внутренними винтовыми зубьями 4, выполненной из эластомера, и ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, число которых на единицу меньше числа зубьев 4 обкладки 3 статора 1, причем ось О-О ротора 5 смещена относительно оси O₁-O₁ статора 1 на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты Н зубьев 4 и 6, профили наружных зубьев 6 ротора 5 и внутренних зубьев 4 статора 1 в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев 4 и 6 ротора 5 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев 4 и 6, эластомерные винтовые зубья 4 (фиг. 2) статора 1 гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора 1, облицованы тканевой лентой 7, а пространство между нитями 8 тканевой ленты 7 объемно заполнено эластомером обкладки 3 с образованием эластомерно-тканевой поверхности 9 зубьев 4, при этом материал нитей 8 тканевой ленты 7 имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки 3. Тканевая лента 7 выполнена из арамидных нитей 8 и толщина h тканевой ленты 7 выполнена меньше половины высоты Н зуба 4 статора 1.

Винтовая гидромашина по второму варианту изобретения (фиг. 3) содержит статор 1, состоящий из корпуса 2 статора 1 с закрепленной в корпусе обкладкой 3 с внутренними винтовыми зубьями 4, выполненной из эластомера, и ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, число которых на единицу меньше числа зубьев 4 обкладки 3 статора 1, причем ось О-О ротора 5 смещена относительно оси O₁-O₁ статора 1 на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты Н зубьев 4 и 6, профили наружных зубьев 6 ротора 5 и внутренних зубьев 4 статора 1 в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев 4 и 6 ротора 5 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев 4 и 6, при этом эластомерные винтовые зубья 4 статора 1 гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора 1, облицованы тканевой лентой 7 в 1,1-10,0 раз повышенной толщины h, по сравнению с толщиной h1 ленты 7 на противоположной стороне зубьев 4, а пространство между нитями 8 тканевой ленты 7 на всех сторонах зубьев 4 объемно заполнено эластомером обкладки 3 с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев 4, при этом материал нитей 8 тканевой ленты 7 с повышенной толщиной h имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки 3. Боковые края соседних лент 7 соединены внахлест (не показано).

Винтовая гидромашина во всех вариантах исполнения (фиг 1,3) 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 10 образованные винтовыми зубьями 4 обкладки 3 статора 1 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.

Тканевая лента 7 в первом варианте выполнения гидромашины (фиг. 2) выполняет роль защиты поверхности 9 упругоэластичных зубьев 4 от износа абразивными частицами бурового раствора со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора 1. При этом сохраняется местная эластичность зубьев 4, необходимая для их работы, уменьшается абразивный износ зубьев 4 с увеличением ресурса гидромашины. Тканевая лента 7 воспринимает на себя силовые изгибающие нагрузки, действующие на зубья 4, оказывает сопротивление изгибу зубьев 4, препятствует образованию на них трещин и их отрыву со стороны наибольших контактных напряжений при работе гидромашины.

Во втором варианте исполнения гидромашины тканевая лента повышенной толщины h (фиг. 3) также выполняет роль защиты поверхности упругоэластичных зубьев 4 от более интенсивного износа абразивными частицами бурового раствора со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора 1. Пониженная толщина h1 ленты 7 на противоположных менее нагруженных сторонах зубьев 4, также защищает их от износа, который здесь имеет кратно меньшую интенсивность. Боковые края соседних тканевых лент 7, соединенные внахлест, обеспечивают образование сплошной эластомерно-тканевой поверхности винтовых зубьев 4 статора 1 с защитой всей поверхности зубьев 4 от износа и от образования трещин, при объемном заполнении пространства между нитями 8 тканевых лент 7 эластомером обкладки 3.

Винтовая гидромашина (фиг. 1,3) в обоих вариантах исполнения при ее использовании в винтовом насосе работает следующим образом: ротор 5 принудительно приводится во вращение относительно статора 1, например, через колонну штанг (не показаны). Винтовые камеры 10 образованные винтовыми зубьями 4 обкладки 3 статора 1 и винтовыми зубьями 6 ротора 5, при вращении ротора 5 перемещаются вдоль статора 1, при этом перемещая перекачиваемую текучую среду вдоль статора 1.

Тканевая лента 7 в первом варианте исполнения (фиг. 2) также выполняет роль защиты поверхности 9 упругоэластичных зубьев 4 от износа абразивными частицами перекачиваемой текучей среды со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора 1. При этом сохраняется местная эластичность зубьев 4, необходимая для их работы, уменьшается абразивный износ зубьев 4 с увеличением ресурса гидромашины. Тканевая лента 7 воспринимает на себя силовые изгибающие нагрузки, действующие на зубья 4, оказывает сопротивление изгибу зубьев 4, препятствует образованию трещин на их поверхности и отрыву зубьев со стороны наибольших контактных напряжений при работе гидромашины.

Во втором варианте исполнения гидромашины тканевая лента повышенной толщины h (фиг. 3) также выполняет роль защиты поверхности упругоэластичных зубьев 4 от более интенсивного износа абразивными частицами перекачиваемой текучей среды со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора 1. Пониженная толщина h1 ленты 7 на противоположных, менее нагруженных сторонах зубьев 4, также защищает их от износа, который здесь имеет кратно меньшую интенсивность. Боковые края соседних тканевых лент 7, соединенные внахлест, обеспечивают образование сплошной эластомерно-тканевой поверхности винтовых зубьев 4 статора 1 с защитой всей поверхности зубьев 4 от износа и от образования трещин, при объемном заполнении пространства между нитями 8 тканевых лент 7 эластомером обкладки 3.

При этом в обоих вариантах исполнения винтовая гидромашина имеет повышенную долговечность при меньшей стоимости изготовления и имеет упрощенную технологию изготовления.

Группа изобретений относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям и винтовым насосам, и может быть использована в нефтегазодобывающей, горной и других отраслях промышленности. Согласно одному варианту выполнения в винтовой гидромашине эластомерные винтовые зубья статора со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой, а пространство между нитями тканевой ленты объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки, тканевая лента выполнена из арамидных нитей, а толщина тканевой ленты выполнена меньше половины высоты зуба статора. По второму варианту выполнения в винтовой гидромашине эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой в 1,1-10,0 раз повышенной толщины по сравнению с толщиной ленты на противоположной стороне зубьев, а пространство между нитями тканевой ленты на всех сторонах зубьев объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты с повышенной толщиной имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки, а боковые края соседних лент соединены внахлест. Обеспечивается повышение долговечности винтовой гидромашины. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Винтовая гидромашина, содержащая статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из эластомера, 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 эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой, а пространство между нитями тканевой ленты объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки.

2. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что тканевая лента выполнена из арамидных нитей.

3. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что толщина тканевой ленты выполнена меньше половины высоты зуба статора.

4. Винтовая гидромашина, содержащая статор, состоящий из корпуса статора с закрепленной в корпусе обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из эластомера, 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 эластомерные винтовые зубья статора гидромашины со стороны наибольших контактных напряжений, возникающих при работе статора, облицованы тканевой лентой в 1,1-10,0 раз повышенной толщины по сравнению с толщиной ленты на противоположной стороне зубьев, а пространство между нитями тканевой ленты на всех сторонах зубьев объемно заполнено эластомером обкладки с образованием эластомерно-тканевой поверхности зубьев, при этом материал нитей тканевой ленты с повышенной толщиной имеет увеличенную износостойкость, чем эластомер обкладки.

5. Винтовая гидромашина по п. 4, отличающаяся тем, что боковые края соседних лент соединены внахлест.