РАДИАЛЬНАЯ КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ОПОРА (ВАРИАНТЫ)

Радиальная кинематическая опора для винтовой гидромашины (варианты). Полезная модель относится к области производства винтовых гидромашин, а именно, к радиальным опорам героторных механизмов винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, а также винтовых насосов для добычи нефти и перекачивания жидкости и может быть использована при их изготовлении и ремонте.
Известна радиальная опора винтового забойного двигателя, включающая коаксиальные втулки корпуса и вала и расположенную между ними эластомерную прокладку, скрепленную по своей цилиндрической поверхности с одной из втулок, а свободной цилиндрической поверхностью образующую пару трения с поверхностью другой втулки (Шумова З.И., Собкина И.В. Справочник по турбобурам, Москва, «Недра», 1970; стр.35).
Однако ее недостатком является быстрый износ эластомерной прокладки, приводящий абразивному разрушению зубьев статора и ротора, что снижает надежность и сокращает срок эксплуатации винтового забойного двигателя, ухудшает его эксплуатационные характеристики. Кроме этого, указанная радиальная опора не является кинематической и не участвует в создании дополнительного крутящего момента на валу ротора от промывочной жидкости, закачиваемой в скважину.
Указанная радиальная опора по своей технической сущности является наиболее близким аналогом для всех предлагаемых ниже вариантов радиальной кинематической опоры. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности и долговечности винтовой гидромашины, улучшение энергетических характеристик, в том числе, мощности и крутящего момента, снижение материалоем кости и себестоимости изготовления, улучшение ремонтопригодности, что позволяет неоднократно восстанавливать работоспособное состояние путем технического обслуживания и ремонта.
Технический результат полезной модели заключается в реализации указанной выше задачи.
Технический результат достигается за счет того. что в качестве радиальной опоры для винтовой гидромашины (далее радиальной опоры) применяют радиальную опору, состоящую из прямозубых, выполненных с взаимоогибаемыми циклоидальными профилями, находящимися между собой во внутреннем зацеплении звездочки и установленного с эксцентриситетом по отношению к ней центрального зубчатого колеса с числом зубьев на единицу больше числа зубьев звездочки, и предназначенную, для установки в соответствующий героторный механизм винтовой гидромашины посредством фиксации звездочки на валу ротора, а центрального зубчатого колеса - в корпусе статора.
На. фиг.1 показан героторный механизм с радиальными кинематическими опорами, продольный разрез; на фиг.2 изображена радиальная кинематическая опора со звездочкой и центральным зубчатым колесом, вид А-А на фиг.1; на фиг.3 представлена радиальная кинематическая опора со звездочкой и двумя цевочными колесами, вид В-В на фиг.1.
1
1
2
2
Героторный механизм содержит статор 1 с осью O-O и установленный внутри него с эксцентриситетом е ротор 2 с осью О-О, радиальные кинематические опоры 3 и 4.
К нижнему концу вала ротора 2 посредством карданного вала (не показан) присоединен породоразрушающий инструмент - долото (не показан).
Предлагаемая радиальная кинематическая опора 3, показанная на фиг.2, состоит из прямозубых, выполненных с взаимоогибаемыми циклоидальными профилями, находящимися между собой во внутреннем зацеплении неподвижно расположенной на валу 5 (с сечением в виде круга) ротора 2 звездочки 6 и установленного с эксцентриситетом е по отношению к ней центрального зубчатого колеса 7, неподвижно закрепленного в корпусе статора 1.
Винтовой забойный двигатель с радиальной кинематической парой работает следующим образом.
2
2
1
1
Промывочная жидкость с поверхности по колонне бурильных труб под давлением поступает в рабочие камеры 8, образованные зубьями 9 ротора 2, и зубьями 10 статора 1, проходя через которые под действием избыточного давления поворачивает ротор 2 вокруг оси. О-О и планетарно обращает его вокруг оси O-O статора 1. Обкатываясь по внутренним винтовым зубьям 10 статора 1, ротор 2 приводит во вращение долото, которое; вращаясь, разрушает породу.
Промывочная жидкость после отработки в рабочих камерах 8 поступает в полость низкого давления (не показана) и далее к долоту для промывки и очистки забоя от выбуренной породы. При этом, радиальная кинематическая опора, звездочка 6 которой с внешним профилем зуба зафиксирована на валу 5 ротора 2, а соответствующее ей центральное зубчатое колесо 7 с внутренним профилем зуба. закреплено в статоре 1, ограничивает радиальное биение ротора 2 о выполненные из упругоэластичного материала внутренние винтовые зубья 10 статора 1. Ограничение радиального биения наружных винтовых зубьев 9 ротора 2 о внутренние винтовые зубья 10 статора 1 предохраняет их от разрушения, повышает надежность и долговечность как героторного механизма, так и винтового забойного двигателя в целом, увеличивает срок эксплуатации, улучшает энергетические характеристики, позволяет снизить материалоемкость и себестоимость его изготовления.
В процессе работы винтовой гидромашины радиальная кинематическая пара 3 принимает на себя разрушающее воздействие ротора 2 на статор 1 и изнашивается в первую очередь.
Заменяя изношенную радиальную кинематическую пару на новую, можно вдвое или более раз продлить срок эксплуатации винтовой гидромашины.
Задачей, на решение которой направлен второй вариант полезной модели, показанный на фиг.3, является повышение надежности и долговечности винтовой гидромашины, улучшение энергетических характеристик, в том числе, мощности и крутящего момента, снижение материалоем кости и себестоимости изготовления, улучшение ремонтопригодности.
Технический результат полезной модели заключается в реализации указанной выше задачи.
Технический результат достигается за счет того, что в качестве радиальной опоры для винтовой гидромашины применяют радиальную опору, состоящую из прямозубых имеющей эпициклоидальный профиль звездочки и установленных с эксцентриситетом по отношению к ней двух центральных цевочных колес с числом цевок, выполненных с возможностью вращения на осях, концы которых запрессованы в отверстиях, расположенных по окружности каждого центрального зубчатого колеса, на единицу больше числа зубьев звездочки, и предназначенную для установки в соответствующий героторный механизм винтовой гидромашины посредством фиксации звездочки на валу ротора, а центральных цевочных колес - в корпусе статора.
2
2
Радиальная кинематическая опора 4 (фиг.1) содержит изображенную на фиг.3 звездочку 11 с зубьями 12, которая находится в цевочном зацеплении с обоймой 13, установленной в корпусе статора 1. В обойме 13 выполнены отверстия, в которых установлены оси 14 цевок 15, взаимодействующих со звездочкой 11. Звездочка 11 зафиксирована на роторе 2 от поворота посредством шпонки 16, а обойма 13 с цевками 15 зафиксированы в корпусе статора 1. Цевки 15 имеют цилиндрическую форму, установлены в обойме 13 с зазором до 0,5 мм для компенсации кривизны оси О-О ротора 2. Диаметры цевок 14 выполнены с учетом возможности их свободного вращения на осях 14 при обкате по зубьям 12 звездочки 11.
В нижней части ротора 2, которая нагружена больше, чем верхняя часть из-за дополнительно действующей на нее силы реакции от карданного вала, могут быть размещены две радиальные кинематические опоры.
Указанный вариант кинематической опоры используют, как правило, при больших диаметрах статора 1 и ротора 2.
Винтовой забойный двигатель с указанной радиальной кинематической парой работает следующим образом.
1
1
2
2
Ротор 2, установленный эксцентрично, под действием избыточного давления потока жидкости планетарно обращается вокруг оси O-O статора,1 и, одновременно, поворачивается вокруг оси О-О. При этом находящаяся в зацеплении звездочка 11, совершает планетарное движение, обкатываясь по цевкам 15. Цевки 15, взаимодействуя с зубьями 17 звездочки 11, поворачиваются вокруг осей 14, при этом вместо трения скольжения в паре имеет место трение качения.
Кинематические радиальные опоры выполняют из нормализованной конструкционной стали с возможностью их приработки.
Взаимоогибаемые поверхности зубчатых венцов радиальной кинематической опоры термически обрабатывают или наносят на них износостойкое покрытие.
Предлагаемые радиальные кинематические опоры для винтовой гидромашины позволяют:
- улучшить энергетические характеристики, развиваемые винтовой гидромашиной при том же расходе жидкости: мощность, частоту вращения, крутящий момент не только без увеличения, но даже при уменьшении длины рабочих органов, в том числе за счет уменьшения гидравлических потерь в секции рабочих органов;
- уменьшить радиальные нагрузки, действующие на опоры и выходной вал шпиндельной секции;
- снизить радиальные нагрузки, действующие на статор секции рабочих органов;
- уменьшить контактные изгибающие напряжения и деформации на боковые поверхности зубьев статора и ротора, и предотвратить, таким образом, преждевременный износ секции рабочих органов;
- уменьшить осевые нагрузки, передаваемые на карданный вал, на осевую опору шпинделя и выходной вал, что повысит их долговечность;
- снизить амплитуду высокочастотных колебаний гидромашины, приводящих к поломке резьбовых соединений;
- повысить надежность и долговечность винтовой гидромашины в целом за счет более равномерного распределения нагрузок на опорах;
- перераспределить действующие нагрузки более равномерно, частично разгрузить обкладку статора, уменьшив ее деформацию, в результате чего ротор будет находиться в геометрически правильном зацеплении со статором;
- уменьшить объемные потери вымываемой жидкости вследствие деформации упругоэластичного материала зубьев статора, уменьшения его истирания и предотвращения отрыва от статора;
- снизить контактные напряжения по боковым поверхностям зубьев статора и ротора, чем значительно увеличить срок службы секции рабочих органов;
- увеличить КПД рабочей пары;
- создать дополнительный крутящий момент на валу ротора за счет снижения потерь на трение;
- гасить вибрации, возникающие под действием сил инерции и перекашивающего момента, передавая их с ротора на корпус статора, где колебания гасятся массой гидромашины;
- повысить стойкость резьбовых соединений;
- сократить длину ротора и статора (рабочих органов) без уменьшения выходной мощности;
- фиксировать ротор в осевом направлении, препятствуя всплыванию ротора при остановке винтовой гидромашины (препятствуя вывинчиванию ротора из статора);
- совместно с короткими рабочими парами использовать винтовой забойный двигатель для бурения наклонно-направленных скважин с уменьшенным радиусом кривизны.
Внедрение предлагаемых технических решений позволит создать конкурентоспособную винтовую гидромашину, превосходящую по своим техническим характеристикам существующие при одновременном снижении ее себестоимости.