Героторная машина Советский патент 1988 года по МПК E21B4/02 F04C2/107 

10

11384702

Изобретение относится к насосным винтовым агрегатам и героторным механизмам общего применения и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве гидравлических забойных винтовых двигателей.

Известен забойный винтовой двига- , тель, содержащий статор и располб- женный внутри него ротор, имеющие специально спрофилированные винтовые рабочие поверхности, шарнирное соединение и шпиндель 1.

Недостатком указанной конструкции двигателя является высокий уровень контактных напряжений в паре и меж- витковых перепадов давления на линиях уплотнения, поскольку технологические ограничения длины статора не позволяют выполнить рабочие органы двш ателя оптимальной длины. Это приводит к возникновению в двигателе больших радиальных нагрузок и моментов.25

Кроме того, для данной конструкции винтового двигателя характерен высокий уровень вибраций, возникающих в про- цессе эксплуатации двигателя. Вибрапорн ст ос ст ге об ге ст ни в

на

15

20

р р

на

л

п п то

ге ре

0

5

последовательно установленные герото- рные механизмы, включающие соосные статоры и размещенные в них роторы, оси которых смещены относительно оси статоров на величину эксцентриситета героторных механизмов, последние объединены в модули, причем роторы героторных механизмов связаны посредством направляющих узлов для смещения оси каждого последующего ротора в модуле относительно оси предьщущего

. 360° на угол

о ----, где N - число ге

роторных механизмов в модуле, равно 2 и более, и последовательного разворота модулей относительно друг друга

о Збо на угол р ---,.где М число модулей, равно 2 и более.

Кроме того, направляющие узлы выполнены в виде кривошипов, рабочие поверхности которых установлены в роторах посредством подшипников.

На фиг. 1 изображена конструкция героторной машины, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на

ция, источник которой заложен в самой зо фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на

природе рабочего процесса винтового двигателя, а также возникающие моменты и радиальные нагрузки распростра- няются на статор и связанные с ним корпусные переводники и щпиндель двигателя.

Известна также героторная машина, включающая последовательно установленные винтовые героторные механизмы, включающие расположенные соосно

статоры и размещенные в них роторы, оси которых смещены относительно оси статоров на величину эксцентриситета героторных механизмов, а также шпиндельную секцию С 2.

В этом двигателе устранен один из недостатков предыдущей конструкции двигателя: снижен уровень контактных давлений и межвиткового перепада давлений. Однако уровень вибраций не изменился, поскольку моменты инерцион- ных сил, деиствуюш 1х на машину, не уравновешены.

Целью изобретения является повышение долговечности машины за счет уравновешивания инерционных сил, дей ствующих на машину.

Указанная цель достигается тем, что в героторной машине, содержа1у ей

i35

40

45

0

55

фиг. 1; на фиг. 4 - вариант соединения роторов героторных механизмов; на фиг. 5 - блок машины из трех модулей, клждьй из которых включает два последовательно расположенных героторных механизма;..на фиг. 6 - блок машины из двух модулей, каждый из которых включает три последовательно расположенных героторных механизма .

Героторная машина (фиг. 1) состоит из секции 1 рабочих органов или исполнительного механизма, включающей последовательно расположенные героторные механизмы, каждый из которых содержит статор 2 и размещенный внутри него ротор 3. Оси роторов 3 смещены относительно оси статоров

2на величину эксцентриситета а.

Статоры 2 соединены между собой посредством переводника 4, чем достигается их соосное взаимное расположение. Роторы 3 связаны гибким валом 5, обеспечивающим передачу осевого усилия с одного ротора на другой, а также большей части крутящего момента. Кроме того, роторы

3связаны посредством направляющих узлов, выполненных в виде кривошипов 6, оба конца которого размещены на концевых частях соединяемых роторов 3. Кривошип 6 установлен в роторах 3 с возможностью вращения, для чего в местах контакта предусмотрена установка подшипника 7. В данной конструкции двигателя кривошип 6 размещен внутри гибкого вала 5. Функции кривошипа - обеспечивать заданное расположение осей роторов относительно оси статоров. Таким образом осуществляется сборка роторов 3 и статоров 2 в модули. В зависимости от количества рабочих пар в одном модуле определяется ориентация роторов, оси которых находятся на окружности радиуса е, с центром, совпадающим с осью самого модуля. Смещение оси каждого последующего ротора 3 относитель но предыдущего определяется углом

, 360° „

, где N - число героторных механизмов в модуле. Число N может, быть равно 2 и более. Сами же модули последовательно соединяются в блоки, количество которых может быть сколь угодно большим, а их ориентация друг относительно друга безразлична .

В то же время модули внутри блока должны быть сориентированы таким образом, чтобы при последовательном их соединении друг относительно друга они были развернуты на угол |3

Збо „- «

--, где М - число модулей в бло- М

ке. Число М может быть равно 2 и более. Иными словами, модули последовательно соединяются так, чтобы ось ро- тора верхней рабочей пары каждого последующего модуля была повернута

« 360° на угол /3 --- относительно положения оси верхней рабочей пары предыдущего модуля (если смотреть в плане) . по окружности радиуса е. То же самое должно быть и со всеми после- дующими роторами всех рабочих пар модулей соответственно.

Оси роторов 3 (фиг. 2 и 3) предыдущего и последующего героторных механизмов смещены относительно оси

модуля на величину зксцентриситета е. В данной машине модуль включает два героторных механизма, а потому расположение осей роторов относительно оси

. Qjjпп

25 о

эг

до

45

сА

5

модуля диаметрально противоположное, т.е. уголо(. 180 .

На фиг. 4 представлен конструктивный вариант соединения роторов 8 двух последовательно расположенных героторных механизмов. В данном варианте гибкий вал 9 размещен внутри кривошипа 10. Как и в описанной выше конструкции, рабочие поверхности криво- .. шипа 10 установлены в подшипниках 11 на концевых частях соединяемых рото- ров 8 с возможностью вращения.

Внутри блока двигателя из трех модулей (фиг. 5) последние должны быть сориентированы таким образом, чтобы при последовательном соединении модулей ось ротора верхнего героторного механизма каждого последующего модуля

1Sftn о

бьша повернута на угол 0 относительно оси ротора верхнего героторного механизма предыдущего модуля по окружности радиуса е.

Для блока двигателя, включающего два модуля, каждый из которых состоит из трех героторных механизмов (фиг. 6), угол р смещения модулей , друг относительно друга равен В

збо .„„о

, причем смещение оси каждого последующего ротора относительно оси предьщущего в каждом модуле оп1

ределяется углом о(. . При этом оси всех роторов должны находиться на окружности радиуса е, центр которой совпадает с осью модуля .

Машина в варианте выполнения ее в качестве забойного двигателя для бурения скважины работает следующим образом.

Промывочная жидкость из полости бурильных труб (на фиг. 1 не показана) поступает в рабочие камеры первого героторного механизма. Приведя во вращение,ротор 3, а вместе с ним и всю роторную группу, после прохода внутренней полости переводника 4 промывочная жидкость поступает в рабочие камеры следукяцего героторного механизма. Пройдя внутренние полости всех имеюощхся в двигателе героторныз механизмов поток жидкости направляется к породоразрушающему инструменту и далее на забой скважины.

Вращающий момент ротора 3 предьщу- щего героторного механизма передается на ротор 3 последующего геротор- ного механизма с помощью гибкого вала 5. Моменты роторов 3 героторных механизмов суммируются и передаются на шпиндель (на фиг. 1 не показан) с помощью гибкого вала или шарнирног соединений.

Поток промывочной жидкости, поступающий в рабочие органы, создает вращакиций момент на роторе и реак- тивньй на статоре. Результатом действия давления жидкости на ротор является также перекашивающий момент осевая гидравлическая сила и т.д. Гидравлические силы, являясь внутренними силами относительно статора, вызывают перекос и прижатие ротора к статору. Их действие не распространяется на корпус статора или двига- теля.

Силами, вызывающими вибрацию корпуса, в основном, являются массовые инерционные силы Fj, прижиманнцие ротор к обкладке статора в зоне полюса зацепления. Их возникновение связано с кинематикой и принципом действия забойного винтового, двигателя.

Полное уравновешивание инерционных сил и их моментов, действующих на машину, достигается в секционном исполнении героторной машины, геро- торные механизмы которой последовательно соединены в блоки, количество которьпс может быть 1 и более. Каяиый из блоков содержит М модулей (М - любое целое число, начиная с 2 и более). В Свою очередь, модуль состоит, из 2 (рис. 5), 3 (рис. 6)

или N соосно расположенных статоров, внутри которых размещено соответствующее количество роторов (N - также любое целое число, начиная с 2 и более) . Оси указанных роторов находятся на окружности радиуса е с центром, совпадающим с осью модуля, при этом ось каждого последующего ротора относительно каждого предыдущего смещена

360

I У W f / J Рц л

360117П°

2

, 360°

чае d ---. Сами же модули повернуты N

друг относительно друга на угол р,

на угол d

о

120

180 (рис. 6)

(рис. 7); о1 или в общем слу360 .. .4 fl ЗбО -.(- 120 (рис.5);б -у-

(рис. 6) или в общем случае р

s

5

0

На фиг. 5 и 6 на схематичных поперечных сечениях героторныг механизмов отдельных модулей (I-I для модуля I, 11,11 - для модуля II и т.д.).показаны углы d и j3 между соответствующими роторами в различных модулях, а также взаимное расположение модулей друг относительно друга при установке их в блоке.

Если количество блоков в героторной машине 2 и более, сами блоки могут устанавливаться с безразличной ориентацией друг относительно друга.

Таким образом, предложенные схемы секционных забойных винтовых двигателей позволяют уменьшить и в большинстве вариантов полностью уравновесить инерционные силы и их моменты, что значительно снижает уровень вибрации корпуса и других элементов двигателя.

Фиг.1

Фиг.З

Фиг. If

« о

пГ

csT

4

CS

N

U-4.

te5i

l

tS

I-. §

(I

I

t

4 I

n

«

a