Винтовая героторная гидромашина
HELICAL GEROTOR HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти из скважин, а также к винтовым гидромоторам и гидронасосам общего назначения.
В качестве прототипа принято изобретение "Статор винтовой героторной гидромашины" - патент RU №2285822 от 20.10.2006 с приоритетом 20 апреля 2005 г., МПК Е21В 4/02 (2006.01).
По данному изобретению винтовая героторная гидромашина:
- во-первых, включает в себя ротор и статор, содержащий полый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в полом корпусе обкладку из эластомера, например, из резины, а также два полых модуля, расположенных по краям полого корпуса, выполненных за одно целое с ним в виде его концевых частей, при этом каждый из соединительных модулей выполнен за одно целое с корпусом в виде концевых частей корпуса, а в обкладке из эластомера толщины Δвп впадин и соответственно толщины Δвыс выступов внутренних винтовых многозаходных зубьев связаны соотношением: Δвп=(1,25±0,15)Δвыс, а толщины Δвп впадин и соответственно толщины Δвыс выступов внутренних винтовых многозаходных зубьев выполнены в пределах ±5%;
- во-вторых, в статоре винтовой героторной гидромашины твердость обкладки с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из резины, составляет 65-70 ед. Шор А;
- в-третьих, в статоре винтовой героторной гидромашины толщины стенок ΔRкор полого корпуса вдоль впадин внутренних винтовых многозаходных зубьев и толщины Δвп впадин внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера связаны соотношением: ΔRкop=(l,618÷l,833)ΔRвп.;
- в-четвертых, в статоре винтовой героторной гидромашины каждая из концевых частей корпуса, образующих соединительный модуль, выполнена с внутренней конической резьбой.
Признаки известной винтовой героторной гидромашины, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии ротора и статора, содержащего полый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в полом корпусе обкладку из эластомера, например, из резины, а также два полых модуля, расположенных по краям полого корпуса, выполненных за одно целое с ним в виде его концевых частей.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в том, что технические средства известной винтовой героторной гидромашины не позволяют обеспечить ее высокие производственно-экономические и эксплуатационно-технические характеристики: простоту изготовления, ресурс работы, надежность и коэффициент полезного действия (КПД).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении производственно-экономических и эксплуатационно-технических характеристик винтовой героторной гидромашины.
Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, состоит в создании технических средств, позволяющих получить высокие производственно-экономические и эксплуатационно-технические характеристики винтовой героторной гидромашины, а именно, упростить ее изготовление, повысить ресурс работы, надежность и коэффициент полезного действия (КПД).
Достигается технический результат тем, что в винтовой героторной гидромашине, включающей в себя ротор и статор, содержащий полый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в полом корпусе обкладку из эластомера, например, из резины, а также два полых модуля, расположенных по краям полого корпуса, выполненных за одно целое с ним в виде его концевых частей, закрепление в полом корпусе обкладки из эластомера выполнено путем привулканизации заготовки названной обкладки в виде резиновой пустотелой камеры цилиндрической формы, длина окружности наружной поверхности которой в ее исходном состоянии (до привулканизации) равна полной длине контура внутренней поверхности (сформированной внутренними винтовыми многозаходными зубьями) полого корпуса в его поперечном сечении.
Достигается технический результат также и тем, что заготовка обкладки из эластомера в виде резиновой пустотелой камеры цилиндрической формы содержит участки, расположенные по ее краям и выполненные за одно целое с ней в виде ее концевых частей, которые защемлены распорными втулками внутри двух полых модулей в составе полностью собранной винтовой героторной гидромашины.
Достигается технический результат еще и тем, что толщина "δ" стенки обкладки из эластомера, например, из резины связана с наружным диаметром "D" полого корпуса соотношением δ / D=0,012 … 0,017.
Достигается технический результат дополнительно и тем, что твердость обкладки из эластомера, например, из резины после ее привулканизации к зубчатой поверхности полого корпуса составляет 50 … 55 единиц по шкале Шор А.
Описанные выше созданные технические средства в составе заявляемой винтовой героторной гидромашины позволяют осуществить следующее.
Во-первых, созданные технические средства в составе заявляемой винтовой героторной гидромашины позволяет существенно упростить ее изготовление за счет применения предварительно изготовленной обкладки из эластомера в виде упрощенной пустотелой камеры простой цилиндрической формы, длина окружности наружной поверхности которой в ее исходном состоянии (до привулканизации) равна полной длине контура внутренней поверхности (сформированной внутренними винтовыми многозаходными зубьями) полого корпуса в его поперечном сечении - вместо применения в составе известной винтовой героторной гидромашины (патент RU №2285822) предварительно изготовленной обкладки из эластомера в виде пустотелой камеры сложной формы, а именно, с заранее отформованными винтовыми многозаходными зубьями. При этом обкладка в заявляемом изобретении после введения ее в полость полого корпуса плотно облегает всю его внутреннюю поверхность, выполненную в форме геликоида (по существу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями), тем самым формируя необходимый профиль обкладки по всей внутренней поверхности полого корпуса, и закрепляется обкладка внутри этого корпуса путем привулканизации к его внутренней поверхности - в отличие закрепления в составе известной винтовой героторной гидромашины (патент RU №2285822) путем приклеивания ее к внутренней поверхности полого корпуса, что более сложно и менее надежно, в том числе и потому, что приклеивание приходится выполнять одной заранее отформованной детали (обкладки) к другой заранее отформованной детали (к полому металлическому корпусу) по сложной поверхности.
Во-вторых, созданные технические средства в составе заявляемой винтовой героторной гидромашины позволяет повысить ее ресурс и надежность за счет того, что заготовка обкладки из эластомера в виде резиновой пустотелой камеры цилиндрической формы содержит участки, расположенные по ее краям и выполненные за одно целое с ней в виде ее концевых частей, которые защемлены распорными втулками внутри двух полых модулей в составе полностью собранной винтовой героторной гидромашины, что защищает профильную часть обкладки, привулканизованную к внутренней поверхности полого корпуса, входящего в состав винтовой героторной гидромашины, от высоконапорного потока буровой жидкости (давление 25 … 30 МПа) - в отличие от известной винтовой героторной гидромашины (патент RU №2285822), в которой конечные участки обкладки не защищены ни распорными втулками, ни другими техническими средствами от этого потока, который может сорвать обкладку и нарушить работу винтовой героторной гидромашины.
В-третьих, созданные технические средства в составе заявляемой винтовой героторной гидромашины позволяет повысить ее ресурс за счет того, что толщина "δ" стенки обкладки из эластомера, например, из резины связана с наружным диаметром полого корпуса "D" соотношением δ / D=0,012 … 0,017, которое является оптимальным для рассматриваемого типа устройства - винтовой героторной гидромашины. Толщина стенки обкладки должна быть такой, чтобы обеспечивать между ротором и стенкой обкладки натяг в пределах 0,1 … 0,3 мм. Толщина стенки обкладки находится в зависимости от диаметра D корпуса винтовой героторной гидромашины в силу масштабного фактора всего изделия и от твердости привулканизованной обкладки. Оптимальным, согласно расчетам и имеющейся практике, является, как и было сказано выше, отношение толщины "δ" стенки обкладки к наружному диаметру "D" полого корпуса в пределах δ / D=0,012 … 0,017, и при этом твердость привулканизованной обкладки должна составлять 50 … 55 единиц Шор А. При значениях соотношения δ / D меньших 0,012 ухудшается амортизация, то есть увеличивается силовое воздействие зубьев ротора на зубья статора и возрастает износ материала обкладки. А при значениях соотношения δ / D больших 0,017 происходит усиленная деформация стенки обкладки, что может привести к внутреннему разрыву ее материала (резины) и снижению ресурса, а также к уменьшению КПД винтовой героторной гидромашины.
В-четвертых, созданные технические средства в составе заявляемой винтовой героторной гидромашины позволяют повысить ее ресурс и КПД за счет того, что твердость обкладки из эластомера, например, из резины после ее привулканизации к зубчатой поверхности полого корпуса составляет 50 … 55 единиц по шкале Шор А. Твердость резины привулканизованной обкладки 50 … 55 единиц по шкале Шор А значительно меньше, чем твердость резиновой зубчатой обкладки известных современных винтовых героторных гидромашин, а в рассматриваемой нами известной винтовой героторной гидромашине (RU №2285822 от 20.10.2006) твердость обкладки с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из резины, составляет 65-70 ед. Шор А, что также превышает предлагаемый нами диапазон твердости резины обкладки - 50 … 55 единиц по шкале Шор А.
Известно, что, чем мягче резиновая обкладка, тем больше ее износоустойчивость. Применение в заявляемой винтовой героторной гидромашине обкладки из мягкой резины, привулканизованной к металлическим зубьям полого корпуса, позволяет получить значительное повышение ресурса заявляемой винтовой героторной гидромашины и повышение ее КПД в связи с тем, что создается такой натяг при взаимодействии зубьев ротора с обкладкой, который, с одной стороны, создает необходимое уплотнение (герметичность), что предотвращает утечки буровой жидкости, а с другой стороны, не приводит к снижению износостойкости материала обкладки.
Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что закрепление в корпусе обкладки из эластомера выполнено путем привулканизации заготовки названной обкладки в виде резиновой пустотелой камеры цилиндрической формы, длина окружности наружной поверхности которой в ее исходном состоянии (до привулканизации) равна полной длине контура внутренней поверхности (сформированной внутренними винтовыми многозаходными зубьями) полого корпуса в его поперечном сечении,
при этом как варианты
- заготовка обкладки из эластомера в виде резиновой пустотелой камеры цилиндрической формы содержит участки, расположенные по ее краям и выполненные за одно целое с ней в виде ее концевых частей, которые защемлены распорными втулками внутри двух полых модулей в составе полностью собранной винтовой героторной гидромашины.
- толщина "δ" стенки обкладки из эластомера, например, из резины связана с наружным диаметром "D" полого корпуса соотношением δ / D=0,012 … 0,017;
- твердость обкладки из эластомера, например, из резины после ее привулканизации к зубчатой поверхности полого корпуса составляет 50 … 55 единиц по шкале Шор А.
Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1 - фиг. 4), на которых представлены фрагменты и элементы заявляемой винтовой героторной гидромашины.
Фиг. 1 - полый корпус как часть статора винтовой героторной гидромашины с ротором, обкладкой из эластомера и другими элементами (в продольном разрезе)
Фиг. 2 - входная часть В полого корпуса с ротором и другими элементами (в продольном разрезе укрупненно).
Фиг. 3 - поперечное сечение А-А полого корпуса с ротором и другими элементами.
Фиг. 4 - заготовка обкладки из эластомера в виде резиновой пустотелой камеры цилиндрической формы (в продольном разрезе).
Винтовая героторная гидромашина, включает в себя полый корпус 1 (фиг. 1) с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 2, ротор 3, обкладку 4 из эластомера, в данном случае, из резины, которая закреплена в полом корпусе 1, а также два полых модуля 5 и 6, расположенных по краям полого корпуса 1, выполненных за одно целое с ним в виде его концевых частей, распорные втулки 7 и 8 внутри двух полых модулей 5 и 6, конус 9, который герметизирует внутреннюю полость ротора 3.
Полый корпус 1 (фиг. 2, вид В) с ротором 3 образуют героторный механизм 10, у ротора 3 (фиг. 3) которого число зубьев 11 на единицу меньше числа зубьев 2 полого корпуса 1, а межосевое расстояние "е" равно половине высоты зубьев героторного механизма 10 (фиг. 2). Зубья 2 и 11 (фиг. 3) полого корпуса 1 и ротора 3 выполнены винтовыми (нарезаны под углом ~ 23° по отношению к продольной оси). Натяг между зубьями 11 ротора 3 и стенкой обкладки 4 составляет 0,1 … 0,3 мм, контактное давление составляет 2 … 2,5 МПа.
нар.кам
окр.
нар.кам
конт.
нар.к-уч
к-уч
вн.к-уч
к-уч
нар.к-уч
Обкладка 4 (фиг. 3), прежде чем стать таковой в составе винтовой героторной гидромашины, представляет собой заготовку названной обкладки. Заготовка - это резиновая пустотелая камера (фиг. 4) цилиндрической формы с наружным диаметром "D" (фиг. 4), длина окружности наружной поверхности которой (L = π ⋅ D") в ее исходном состоянии (до привулканизации) равна полной длине контура "L" внутренней поверхности, сформированной внутренними винтовыми многозаходными зубьями 2 (фиг. 3), полого корпуса 1 в его поперечном сечении А-А. Материал камеры, например, резина В-14. Концевые участки 12 и 13 (фиг. 4) камеры имеют меньший размер наружного диаметра "D" на длине "L." и предназначены для защемления их к полому корпусу 1 (фиг. 2) распорными втулками 14, наружный диаметр которых сопрягается с внутренним диаметром "d" концевых участков 12 и 13 (фиг. 4) камеры на длине "L." с натягом. На концевых участках 12 и 13 камеры отформованы фиксаторы 15 и 16, которые при сборке вводят в отверстия 17 (фиг. 2) полого корпуса 1 для фиксации камеры, а точнее обкладки 3, которая становится таковой после ее привулканизации к внутренним винтовым многозаходным зубьями 2 полого корпуса 1. Количество фиксаторов 15 и 16 (фиг. 4) на каждом концевом участке 12 и 13 - от 4-х до 6-ти в зависимости от диаметра "D".
нар.корп.
нар.корп.
Толщина "δ" стенки камеры (фиг. 4), а значит и толщина "δ" обкладки 4 (фиг. 3) связана с наружным диаметром "D" полого корпуса 1 винтовой героторной гидромашины соотношением "δ / D = 0,012 … 0,017".
Твердость резиновой камеры (фиг. 4) после извлечения ее из пресс-формы должна быть 40 … 50 единиц по шкале Шор А, а после ее привулканизации к зубчатой поверхности полого статора составляет 50 … 55 единиц по шкале Шор А.
Описанное и проиллюстрированное выше заявляемое изобретение "Винтовая героторная гидромашина" приводится в действие путем подачи буровой жидкости 18 (фиг. 1)под высоким давлением, например, 25 … 30 МПа во входную ее часть, а именно, в полый модуль 5. Дальнейшие процессы происходят аналогично тем, которые совершаются в подобных винтовых героторных гидромашинах, описанных в известной литературе, например, в книге М.Т. Гусман, Д.Ф. Балденко, A.M. Кочнев и др. "Забойные винтовые двигатели для бурения скважин", М., Недра, 1981, стр. … 63, но с достижением того технического результата, который представлен в данном описании.
Таким образом, техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения "Винтовая героторная гидромашина", обеспечивает получение технического результата, а именно, упрощение ее изготовления, повышение ресурса работы, надежности и коэффициента полезного действия (КПД), а значит, и выполнение задачи, на решение которой направлено заявляемое изобретение, а именно, повышение производственно-экономических и эксплуатационно-технических характеристик винтовой героторной гидромашины.