ОДНОВИНТОВАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА
ONE-SCREW HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к одновинтовым гидравлическим 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 одновинтовая гидравлическая 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 одновинтовой гидравлической 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 одновинтовой гидравлической машины.
Известна также конструкция одновинтовой гидравлической 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.) одновинтовая гидравлическая 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 одновинтовой гидравлической машины является использование винтов для установки гильзы в полом корпусе, что требует выполнения резьбовых отверстий в полом корпусе статора для размещения винтов. Отверстия в полом корпусе статора 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 одновинтовой гидравлической машины. Отверстия в полом корпусе статора также могут вызвать утечку бурового раствора через эти отверстия, их последующий размыв и отказ в работе одновинтовой гидравлической 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 одновинтовой гидравлической машины.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности одновинтовой гидравлической машины, упрощение технологии изготовления, увеличение рабочего момента и КПД одновинтовой гидравлической машины.
Этот технический результат достигается тем, что одновинтовая гидравлическая 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 с зазором гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в одновинтовой гидравлической машине наружная поверхность гильзы и внутренняя поверхность полого корпуса имеют неровности глубиной или высотой, как минимум, 0,1 миллиметра, при этом неровности облегает сплав, закрепляющий гильзу относительно корпуса и заполняющий зазор между внутренней поверхностью полого корпуса и наружной поверхностью гильзы, сплав имеет температуру плавления, составляющую 0,05-0,75 температуры плавления материала полого корпуса статора, например, как сплав на основе олова, цинка, алюминия или меди.
Технический результат сохраняется, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде выступов и(или) углублений треугольной или иной формы.
Технический результат также сохраняется, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде канавок.
Технический результат сохраняется также, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде пересекающихся канавок.
Технический результат сохраняется, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде сочетания поверхностей с отклонениями взаимного расположения поверхностей.
Технический результат также сохраняется, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями формы поверхностей.
Технический результат сохраняется также, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями размеров поверхностей.
Технический результат сохраняется, когда винтовая героторная машина выполнена в соответствии с вышеописанной и при этом переходные поверхности неровностей на наружной поверхности гильзы статора и переходные поверхности неровностей на внутренней поверхности полого корпуса статора скруглены.
Отличительными признаками предлагаемой одновинтовой гидравлической машины от указанной выше, наиболее близкой к ней, являются следующие.
Во-первых, одновинтовая гидравлическая 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 с зазором гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в одновинтовой гидравлической машине наружная поверхность гильзы и внутренняя поверхность полого корпуса имеют неровности глубиной или высотой, как минимум, 0,1 миллиметра, при этом неровности облегает сплав, закрепляющий гильзу относительно корпуса и заполняющий зазор между внутренней поверхностью полого корпуса и наружной поверхностью гильзы, сплав имеет температуру плавления, составляющую 0,05-0,75 температуры плавления материала полого корпуса статора, например, как сплав на основе олова, цинка, алюминия или меди.
Такое выполнение одновинтовой гидравлической машины позволяет герметично и более надежно закрепить гильзу с внутренними винтовыми зубьями внутри полого корпуса. При использовании сплава, имеющего температуру плавления, составляющую 0,05-0,85 температуры плавления материала полого корпуса статора, заполнение сплавом зазора между внутренней поверхностью полого корпуса и наружной поверхностью гильзы и при этом облегание сплавом неровностей наружной поверхности гильзы и внутренней поверхности полого корпуса создает прочное неразъемное соединение гильзы с корпусом при рабочих температурах одновинтовой гидравлической машины. При использовании гильзы с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, также увеличивается рабочий момент и КПД одновинтовой гидравлической машины. Упрощается конструкция 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 неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде выступов и(или) углублений треугольной или иной формы, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними зубьями в полом корпусе статора.
В-третьих, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде канавок, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.
В-четвертых, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде пересекающихся канавок, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.
В-пятых, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде сочетания поверхностей с отклонениями взаимного расположения поверхностей, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.
В-шестых, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями формы поверхностей, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.
В-седьмых, когда неровности на наружной поверхности гильзы статора и неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора выполнены в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями размеров поверхностей, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.
В-восьмых, когда при этом переходные поверхности неровностей на наружной поверхности гильзы статора и переходные поверхности неровностей на внутренней поверхности полого корпуса статора скруглены, также увеличивается надежность закрепления гильзы статора с внутренними винтовыми зубьями в полом корпусе статора.
Одновинтовая гидравлическая машина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-13.
На фиг.1 показан общий вид одновинтовой гидравлической машины.
На фиг.2 показано сечение А-А общего вида одновинтовой гидравлической машины.
На фиг.3 показана аксонометрия статора и ротора одновинтовой гидравлической машины.
На фиг.4 показаны углубления неровностей, выполненные на внутренней поверхности полого корпуса статора, с глубиной S.
На фиг.5 показаны выступы неровностей, выполненные на внутренней поверхности полого корпуса статора, с высотой F.
На фиг.6 показаны неровности в виде пересекающихся канавок, выполненные на внутренней поверхности полого корпуса статора.
На фиг.7 показаны скругленные переходные поверхности неровностей на внутренней поверхности полого корпуса статора.
На фиг.8 показаны неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора, выполненные в виде сочетания поверхностей с отклонениями взаимного расположения поверхностей.
На фиг.9 показаны неровности на наружной поверхности гильзы статора, выполненные в виде сочетания поверхностей с отклонениями взаимного расположения поверхностей.
На фиг.10 показаны неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора, выполненные в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями формы поверхностей.
На фиг.11 показаны неровности на наружной поверхности гильзы статора, выполненные в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями формы поверхностей.
На фиг.12 показаны неровности на внутренней поверхности полого корпуса статора, выполненные в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями размеров поверхностей.
На фиг.13 показаны неровности на наружной поверхности гильзы статора, выполненные в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями размеров поверхностей.
1
1
2
2
Одновинтовая гидравлическая 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 O-O ротора 3 смещена относительно оси О-О 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) Тр и Тст 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 с зазором гильзу 8 с внутренними винтовыми зубьями 9 и закрепленной в ней обкладкой 10, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в одновинтовой гидравлической машине наружная поверхность 11 гильзы 8 и внутренняя поверхность 12 полого корпуса 5 имеют неровности 13 глубиной или высотой, как минимум, 0,1 миллиметра, при этом неровности 13 облегает сплав 14, закрепляющий гильзу 8 относительно корпуса 5 и заполняющий зазор 15 между внутренней поверхностью 12 полого корпуса 5 и наружной поверхностью 11 гильзы 8, сплав 14 имеет температуру плавления, составляющую 0,05-0,75 температуры плавления материала полого корпуса 5 статора 1, например, как сплав на основе олова, цинка, алюминия или меди.
Неровности 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и неровности 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 выполнены в виде выступов 16 и(или) углублений 17 треугольной или иной формы (фиг.4 и фиг.5).
Неровности 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и неровности 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 выполнены в виде канавок 18 (фиг.6).
Неровности 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и неровности 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 выполнены в виде пересекающихся канавок 18 (фиг.6).
Неровности 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и неровности 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 выполнены в виде сочетания поверхностей с отклонениями взаимного расположения поверхностей (фиг.8 и фиг.9).
Неровности 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и неровности 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 выполнены в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями формы поверхностей (фиг.10 и фиг.11).
Неровности 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и неровности 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 выполнены в виде сочетания поверхностей с взаимными отклонениями размеров поверхностей (фиг.12 и фиг.13).
Переходные поверхности 19 неровностей 13 на наружной поверхности 11 гильзы 8 статора 1 и переходные поверхности 19 неровностей 13 на внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 статора 1 скруглены (фиг.7).
Одновинтовая гидравлическая машина в режиме забойного двигателя работает следующим образом.
1
1
2
2
1
1
Рабочая жидкость, подаваемая под давлением с дневной поверхности по колонне бурильных труб (не показана), поступает в верхнюю часть одновинтовой гидравлической 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 O-O вращается вокруг оси О-О статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса Е, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O-O 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 эластомерную обкладку 10, скрепленную с внутренними винтовыми зубьями 9 гильзы 8. Окружная сила замыкается на полый корпус 5 статора 1, закрепленный на колонне бурильных труб (не показаны) через сплав 14, облегающий неровности 13 и заполняющий зазор 15 между внутренней поверхностью 12 полого корпуса 5 и наружной поверхностью 11 гильзы 8 и закрепляющий при этом гильзу 8 относительно корпуса 5. При использовании сплава 14, имеющего температуру плавления, составляющую 0,05-0,85 температуры плавления материала полого корпуса 5 статора 1, заполнение сплавом 14 зазора 15 между внутренней поверхностью 12 полого корпуса 5 и наружной поверхностью 11 гильзы 8 и при этом облегание сплавом 14 неровностей 13 наружной поверхности 11 гильзы 8 и внутренней поверхности 12 полого корпуса 5 создает прочное неразъемное соединение гильзы 8 с корпусом 5 при рабочих температурах одновинтовой гидравлической машины. При использовании гильзы 8 с внутренними винтовыми зубьями 9 и закрепленной в ней обкладкой 10, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, также увеличивается рабочий момент и КПД одновинтовой гидравлической машины. Упрощается конструкция машины и технология изготовления.