Патент на изобретение №2388894

(54) ВИНТОВАЯ ГЕРОТОРНАЯ МАШИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к винтовым героторным машинам в виде винтовых забойных двигателей и винтовых насосов. Винтовая героторная машина, содержит статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями. Статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера. Гильза установлена и центрируется в корпусе, по меньшей мере, на двух установочных поясках, выполненных на наружной поверхности гильзы и расположенных по краям гильзы, между соседними установочными поясками выполнена выемка, создающая кольцевую камеру между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы. В зоне выемки гильза имеет окна, соединяющие внутреннюю и наружную поверхности гильзы, причем пространство окон гильзы и пространство кольцевой камеры между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы заполнены эластомером. Эластомер прикреплен к поверхностям окон гильзы, внутренней поверхности полого корпуса и поверхности выемки гильзы. Окна гильзы имеют круглую форму и (или) продолговатую, и (или) винтовую форму. Повышается ресурс и надежность винтовой героторной гидравлической машины при эксплуатации. Упрощается конструкция и технология изготовления винтовой героторной гидравлической машины, увеличивается рабочий момент и КПД. 6 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к винтовым героторным машинам в виде винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, винтовых насосов для добычи нефти и перекачивания жидкостей и также винтовых гидромоторов общего назначения.

Известна винтовая героторная машина в виде винтового забойного двигателя (см. книгу «Винтовые забойные двигатели» стр.16-28, М.: Недра, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых), содержащего статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упруго-эластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Ось ротора двигателя 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.

Недостатком данной винтовой героторной машины является неравномерная толщина эластомерной обкладки статора с увеличением толщины эластомера в выступах зубьев статора по отношению к впадинам статора. Это приводит при работе машины к неравномерному тепловому расширению эластомерного зуба статора по отношению к впадине статора и повышенному разогреву глубинных слоев эластомера в выступах статора за счет низкого коэффициента теплопроводности эластомера. В нагретых внутренних слоях зубьев продолжается процесс вулканизации эластомера, изменяющий его физические свойства, упругость переходит в хрупкость. В конце концов, различие в свойствах вызывает появление трещин и последующее разрушение эластомера, что значительно уменьшает ресурс работы машины.

В современных конструкциях статоров внутренняя сторона стального корпуса статора облицовывается неравномерным по толщине слоем эластомера. Эта неравномерность толщины эластомера затрудняет отвод тепла, приводит к неравномерному расширению эластомера в статоре с нарушением геометрии зацепления. Рабочая нагрузка на зубья статора приводит к изгибу эластомерных зубьев и нарушению профиля зубьев при работе машины, заклиниванию зубьев ротора относительно эластомерных зубьев статора при повышении рабочего момента, при этом значительно уменьшается КПД винтовой героторной машины.

Известна также конструкция винтовой героторной машины в виде винтового забойного двигателя, содержащего так называемый «металлический» статор с постоянной толщиной эластомерной обкладки (см. книгу «Винтовые забойные двигатели» стр.200, М.: Недра, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых). В этом двигателе внутренняя поверхность корпуса статора спрофилирована механической обработкой, а приклеенная эластомерная обкладка равномерна по толщине. Однако широкого распространения эти винтовые забойные двигатели не получили в связи с высокой технологической стоимостью изготовления внутренних металлических зубьев статора.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является известная (патент 2320838, опубликован 27.03.2008 г., приоритет 07.10.2006 г., авторы В.Г.Воробьев, Ю.В.Захаров, А.Л.Попов и др.) винтовая героторная машина, статор которой включает полый цилиндрический корпус с концевыми переходами, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, полый цилиндрический корпус и гильза выполнены цельными, гильза снабжена отверстиями в зоне впадин винтовых зубьев, установлена в корпусе на винтах с кольцевым зазором, который заполнен эластомером через отверстия в гильзе, при этом в обоих концевых переходах корпуса установлена ступенчатая втулка, заплечико которой упирается в торец гильзы и снабжено уплотнением, а наружная поверхность другой ступени меньшего диаметра поджимает концевой участок обкладки к внутренней поверхности гильзы. Недостатком данной винтовой героторной машины является использование винтов для установки гильзы в полом корпусе, что требует выполнения резьбовых отверстий в полом корпусе статора для размещения винтов. Эти отверстия являются концентраторами напряжений при периодических упругих изгибах корпуса статора при прохождении искривленных участков скважины. Иногда при малом ресурсе работы возможно образование усталостной трещины в зоне резьбовых отверстий корпуса статора, вызывающее последующее разрушение корпуса и отказ в работе винтовой героторной машины. Отверстия в полом корпусе статора также могут вызвать протечку бурового раствора через них, их последующий размыв и отказ в работе винтовой героторной машины при утечке бурового раствора. Это приводит к необходимости применения в этой конструкции ступенчатых втулок с уплотнениями, установленных в концевых переходах корпуса, что приводит к удорожанию и снижению надежности винтовой героторной машины.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения ресурса и надежности винтовой героторной машины при эксплуатации, упрощение технологии изготовления, увеличение рабочего момента и КПД винтовой героторной машины.

Этот технический результат достигается тем, что винтовая героторная машина содержит статор с внутренними винтовыми зубьями 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, при этом статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в винтовой героторной машине гильза установлена и центрируется в корпусе, по меньшей мере, на двух установочных поясках, выполненных на наружной поверхности гильзы и расположенных по краям гильзы, между соседними установочными поясками выполнена выемка создающая кольцевую камеру между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы, при этом в зоне выемки гильза имеет окна, соединяющие внутреннюю и наружную поверхности гильзы, причем пространство окон гильзы и пространство кольцевой камеры между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы заполнены эластомером, прикрепленным к поверхностям окон гильзы, внутренней поверхности полого корпуса и поверхности выемки гильзы.

Технический результат сохраняется, когда сечения окон гильзы имеют круглую форму.

Технический результат также сохраняется, когда окна гильзы имеют продолговатую форму.

Технический результат сохраняется, когда при этом окна гильзы выполнены винтовыми и направления винтовых окон гильзы, и направления винтовых внутренних зубьев гильзы совпадают или пересекаются.

Технический результат сохраняется, когда винтовая героторная машина выполнена в соответствии с вышеописанной, и при этом кромки, образованные пересечением поверхностей окон гильзы с наружной и внутренней поверхностями гильзы, скруглены.

Отличительными признаками предлагаемой винтовой героторной машины от указанной выше, наиболее близкой к ней, является следующее:

Во-первых, винтовая героторная машина содержит статор с внутренними винтовыми зубьями 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, при этом статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в винтовой героторной машине гильза установлена и центрируется в корпусе, по меньшей мере, на двух установочных поясках, выполненных на наружной поверхности гильзы и расположенных по краям гильзы, между соседними установочными поясками выполнена выемка, создающая кольцевую камеру между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы, при этом в зоне выемки гильза имеет окна, соединяющие внутреннюю и наружную поверхности гильзы, причем пространство окон гильзы и пространство кольцевой камеры между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы заполнены эластомером, прикрепленным к поверхностям окон гильзы, внутренней поверхности полого корпуса и поверхности выемки гильзы.

Такое выполнение винтовой героторной машины позволяет более надежно установить, отцентрировать и закрепить гильзу с внутренними винтовыми зубьями внутри полого корпуса при прикреплении эластомера к поверхностям окон гильзы, внутренней поверхности полого корпуса и наружной поверхности выемки гильзы.

Этим повышается ресурс и надежность винтовой героторной машины при эксплуатации, увеличивается рабочий момент и КПД. Упрощается конструкция винтовой героторной машины и технология изготовления при отсутствии необходимости применения в этой конструкции ступенчатых втулок с уплотнениями в концевых переходах корпуса и применения винтов для установки гильзы.

Во-вторых, когда сечения окон гильзы имеют круглую форму, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-третьих, когда окна гильзы имеют продолговатую форму, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-четвертых, когда окна гильзы выполнены винтовыми, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-пятых, когда направления винтовых окон гильзы и направления винтовых внутренних зубьев гильзы пересекаются, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-шестых, когда направления винтовых окон гильзы и направления винтовых внутренних зубьев гильзы совпадают, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-седьмых, когда винтовая героторная машина выполнена в соответствии с вышеописанным, и при этом кромки, образованные пересечением поверхностей окон гильзы с наружной и внутренней поверхностями гильзы, скруглены, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

Винтовая героторная машина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6.

На фиг.1 показан общий вид винтовой героторной гидравлической машины.

На фиг.2 показано сечение А-А общего вида винтовой героторной гидравлической машины.

На фиг.3 показана аксонометрия статора и ротора винтовой героторной гидравлической машины.

На фиг.4 показана гильза, имеющая в зоне выемки окна круглого сечения.

На фиг.5 показана гильза, имеющая в зоне выемки окна продолговатой формы.

На фиг.6 показана гильза, имеющая в зоне выемки окна продолговатой формы, выполненные винтовыми.

Винтовая героторная машина (фиг.1) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2 и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых на единицу меньше числа зубьев 2 статора 1, причем ось O₁-O₁ ротора 3 смещена относительно оси O₂-O₂ статора 1 на величину эксцентриситета Е (фиг.2), равную половине радиальной высоты h зубьев 2,4, профили наружных зубьев 4 ротора 3 и внутренних зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы (фиг.1) Т_р и Т_ст винтовых зубьев 4 и 2 ротора 3 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев 4 и 2, при этом статор 1 содержит полый корпус 5 с концевыми резьбовыми переходами 6 и 7, установленную в нем гильзу 8 с внутренними винтовыми зубьями 9 (фиг.6) и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера 11, в винтовой героторной машине гильза 8 установлена и центрируется в корпусе 5, на двух установочных поясках 13 и 14, выполненных на наружной поверхности гильзы 8 и расположенных по краям гильзы 8, между соседними установочными поясками 13 и 14 выполнена выемка 15, создающая кольцевую камеру 16 между внутренней поверхностью полого корпуса 5 и поверхностью 17 выемки 15 гильзы 8, при этом в зоне выемки 15 гильза 8 имеет окна 18, соединяющие внутреннюю и наружную поверхности 10 и 17 гильзы 8, причем пространство окон 18 гильзы 8 и пространство кольцевой камеры 16 между внутренней поверхностью полого корпуса 5 и поверхностью 17 выемки 15 гильзы 8 заполнены эластомером 11, прикрепленным к поверхностям окон 18 гильзы 8, внутренней поверхности полого корпуса 5 и поверхности 17 выемки 15 гильзы 8. Сечения окон 18 гильзы 8 имеют круглую форму (фиг.4). Окна 18 гильзы 8 имеют продолговатую форму, (фиг.5). Окна 18 гильзы 8 выполнены винтовыми (фиг.6).

Винтовая героторная машина в режиме забойного двигателя работает следующим образом.

Рабочая жидкость, подаваемая под давлением с дневной поверхности по колонне бурильных труб (не показана), поступает в верхнюю часть винтовой героторной машины, и в результате винтового направления зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3 под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 3 приводится во вращение, при этом его ось O₁-O₁ вращается вокруг оси O₂-O₂ статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса Е, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O₁-O₁ по часовой стрелке. Изгибающие нагрузки от стенок скважины, а также нагрузки сжатия и растяжения от колонны бурильных труб и забоя воспринимает полый корпус 5 статора 1. Окружная сила, пропорциональная развиваемому крутящему моменту ротора 3, воспринимается внутренними винтовыми зубьями 9 гильзы 8 через обкладку эластомера 11, скрепленного с внутренними винтовыми зубьями 9 гильзы 8. Окружная сила замыкается на полый корпус 5 статора 1, закрепленный на колонне бурильных труб (не показаны) через эластомер 11, заполняющий пространство окон 18 гильзы 8 и пространство кольцевой камеры 16 между внутренней поверхностью полого корпуса 5 и поверхностью 17 выемки 15 гильзы 8, при прикреплении эластомера 11 к поверхностям окон 18 поверхности 17 выемки 15 гильзы 8 и внутренней поверхности полого корпуса 5. В местах расположения окон 18 гильзы 8 эластомер 11 имеет улучшенную податливость при увеличенной в них глубине эластомера 11, который заполняет здесь пространство от внутренней поверхности 12 статора 1, сформированной обкладкой из эластомера 11 до внутренней поверхности полого корпуса 5 статора 1. Рабочая жидкость, приводящая во вращение ротор 3, содержит абразивный шлам в виде иногда крупных, до нескольких миллиметров в сечении частиц, например осколков породы, крупных частиц песка и т.д. Эти крупные абразивные частицы при вращении ротора 3 обычно попадают в двигающийся силовой контакт зацепления зубьев 4 ротора 3 с внутренними винтовыми зубьями 2 статора 1, облицованными обкладкой из эластомера 11, разрушая эластомер 11. Когда винтовая героторная машина выполнена в соответствии с вышеописанной, большинство крупных абразивных частиц шлама вдавливаются в эластомер 11 в местах расположения окон 18 гильзы 8 статора 1 при повышенной в них податливости эластомера 11, связанной с увеличенной здесь глубиной эластомера 11. Затем при дальнейшем вращении ротора 3 и движении силового контакта поверхности ротора 3 и поверхности эластомера 11, облицовывающего внутреннюю поверхность 10 гильзы 8, абразивные частицы освобождаются без разрушения эластомера 11. Таким образом, значительно увеличивается ресурс и надежность данной винтовой героторной машины при эксплуатации.

Прикрепление эластомера 11 к поверхностям окон 18 гильзы 8, внутренней поверхности полого корпуса 5 и поверхности 17 выемки 15 гильзы 8, надежно закрепляет гильзу 8 в полом корпусе 5 статора 1.

Формула изобретения

1. Винтовая героторная машина, содержащая статор с внутренними винтовыми зубьями 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, при этом статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, отличающаяся тем, что гильза установлена и центрируется в корпусе, по меньшей мере, на двух установочных поясках, выполненных на наружной поверхности гильзы и расположенных по краям гильзы, между соседними установочными поясками выполнена выемка, создающая кольцевую камеру между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы, при этом в зоне выемки гильза имеет окна, соединяющие внутреннюю и наружную поверхности гильзы, причем пространство окон гильзы и пространство кольцевой камеры между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностью выемки гильзы заполнены эластомером, прикрепленным к поверхностям окон гильзы, внутренней поверхности полого корпуса и поверхности выемки гильзы.

2. Винтовая героторная машина по п.1, отличающаяся тем, что сечения окон гильзы имеют круглую форму.

3. Винтовая героторная машина по п.1, отличающаяся тем, что окна гильзы имеют продолговатую форму.

4. Винтовая героторная машина по п.3, отличающаяся тем, что окна гильзы выполнены винтовыми.

5. Винтовая героторная машина по п.4, отличающаяся тем, что направления винтовых окон гильзы и направления винтовых внутренних зубьев гильзы пересекаются.

6. Винтовая героторная машина по п.4, отличающаяся тем, что направления винтовых окон гильзы, и направления винтовых внутренних зубьев гильзы совпадают.

7. Винтовая героторная машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что кромки, образованные пересечением поверхностей окон гильзы с наружной и внутренней поверхностями гильзы, скруглены.

РИСУНКИ