Турбобур
TURBODRILL

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к забойным гидравлическим двигателям.
Известен забойный двигатель, содержащий корпус, размещенный внутри него ротор, кольцевую полость между ними, подводящие каналы. Патент Российской Федерации №2155851, кл. E21B 4/02, 2000.
Конструкция забойного двигателя не обеспечивает достижение высоких значений энергетических характеристик из-за потерь давлений рабочей жидкости в системе подачи.
Прототипом изобретения выбран турбобур, содержащий корпус, в полости которого размещен уступообразный ротор в поперечном сечении. Патент Российской Федерации №2135729, кл. E21B 4/02, 1999.
Недостатки прототипа: неполное использование потенциальной энергии воздействия скоростного напора рабочей жидкости на ротор, присутствие гидродинамических помех вращению ротора в виде сжимающих давлений рабочей жидкости, приложенных к поверхности ротора в направлении центра, что совокупно снижает энергетические характеристики турбобура, отсюда - надежность его работы.
Задача изобретения - повышение надежности работы турбобура.
Технический результат - достижение стабильно высоких значений крутящего момента и частоты вращения ротора путем максимального использования потенциальной энергии рабочей жидкости и уменьшения гидродинамических помех вращательному движению ротора.
Результат достигается тем, что в турбобуре, содержащем корпус, в полости которого размещен уступообразный ротор в поперечном сечении, согласно изобретению уступы на роторе выполнены имеющими зазор с корпусом, между уступами расположены выдвинутые относительно них в сторону корпуса полуцилиндрические участки, внешней стороной скользяще контактирующие с внутренней стенкой корпуса, при этом уступы и полуцилиндрические участки разделены выпуклыми поверхностями кнаружи.
Совокупностью отличительных признаков изобретения обеспечивается одновременное приложение ударно скоростного напора рабочей жидкости на уступы и на полуцилиндрические участки, где сила давления значительно увеличивается, в полости между корпусом и ротором в силу наличия уступов появляется водоворотная зона, которая характеризуется повышенной пульсацией скоростей и давлений, и наибольший вектор деформированной эпюры осредненных скоростей смещается в сторону корпуса, направленный в полуцилиндрические участки ротора ближе к внешней стороне, удлинением плеча сил крутящего момента и достижением максимального использования энергии скоростного напора рабочей жидкости.
Отличительный признак - уступы и полуцилиндрические участки разделены выпуклыми поверхностями кнаружи, при вращении ротора на этих поверхностях образуется безотрывная транзитная струя, позволяющая уменьшить величину окружной поперечной силы прижатия ротора к центру, тем самым помех его вращению в полости корпуса.
Существенные признаки изобретения имеют причинно-следственную связь, обеспечивают решение поставленной задачи и достижение технического результата.
На фигуре изображен турбобур в поперечном сечении.
Турбобур содержит корпус 1 с подводящими каналами 2, в полости корпуса 1 размещен ротор 3, жестко посаженный на вал 4. На роторе 3 выполнены уступы 5 и выдвинутые относительно них в сторону корпуса 1 полуцилиндрические участки 6, внешней стороной скользяще контактирующие с внутренней стенкой корпуса 1. При этом уступы 5 и полуцилиндрические участки 6 разделены выпуклыми поверхностями 7 кнаружи.
Турбобур работает следующим образом. При подаче потоки рабочей жидкости через подводящие каналы 2 корпуса 1 поступают в полость последнего, и одновременным приложением ударно скоростного напора на уступы 5 и на полуцилиндрические участки 6 приводят во вращательное движение ротор 3 с валом 4. Корпус 1 не вращается. При этом наибольшую ударную нагрузку рабочей жидкости воспринимают части полуцилиндрических участков 6, расположенные ближе к корпусу, этим создаются условия для повышения значения крутящего момента и частоты вращения. Внутренние гидродинамические помехи вращательному движению ротора 3 снижаются присутствием выпуклых поверхностей 7, кнаружи, что также способствует максимальному использованию потенциальной энергии рабочей жидкости.
Эксперименты, проведенные с целью исследование энергетических характеристик опытного образца предлагаемого изобретением турбобура наружным диаметром 195 мм, на буровом стенде, оснащенном контрольно-измерительными приборами и возможностью визуального наблюдения при замедленной съемке за силовым взаимодействием рабочей жидкости и ротора, показали, что конструкция работоспособна, при малой габаритной длине (1,6-2,2 м) и расходе рабочей жидкости 280-340 л/мин, численные значения крутящего момента и частоты вращения выше, чем у серийных турбобуров соответствующего диаметра.