СТАТОР ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к винтовым забойным двигателям, используемым для бурения нефтяных и газовых скважин, винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей.
Винтовые двигатели и насосы являются объемными роторными гидравлическими машинами, рабочими органами которых являются статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями. Число зубьев статора на единицу больше числа зубьев ротора, за счет чего образуются рабочие камеры гидромашины. Двигатель приводится в движение, за счет разности давления жидкости в рабочих камерах, которые отделены друг от друга в течение всего рабочего цикла.
Известен статор винтового забойного двигателя (патент РФ на изобретение №2351730), содержащий полый цилиндрический корпус, установленную в нем тонкостенную винтовую оболочку с прикрепленной к ней с внутренней поверхности обкладкой из упругоэластичного материала. Во впадинах оболочки по наружной винтовой поверхности закреплены жесткие элементы в виде цилиндрических металлических прутков, диаметр которых равен высоте винтовых зубьев.
Недостаток данного статора состоит в том, что металлические прутки, установленные во впадинах оболочки не полностью занимают свободное кольцевое пространство, образованное внутренней цилиндрической поверхностью корпуса статора и наружной винтовой поверхностью оболочки, остаются пустоты. При получении эластомера методом впрыска под большим давлением, профиль зуба оболочки меняется заполняя пустоты вокруг диаметра прутка. Геометрия зуба оболочки отличается от заданной первоначально, толщина эластомера становится неравномерной по сечению.
Другим недостатком известного статора является плохой теплоотвод от резиновой обкладки, которая при больших значениях деформации склонна к саморазогреву из-за внутреннего трения. Саморазогрев резиновой обкладки ведет к ее термическому разрушению.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой конструкции является конструкция по патенту РФ на изобретение №2283442, выбранная в качестве прототипа. В данном патенте описывается статор забойного двигателя, содержащий полый корпус и установленную внутри винтовую оболочку с закрепленной на ее внутренней поверхности обкладкой из упругоэластичного материала. Полый корпус статора и винтовая оболочка по торцам с двух сторон скреплены при помощи кольцевого сварного шва с трубчатыми секциями (переводниками). Кольцевая полость между наружными зубьями винтовой оболочки и корпусом статора заполнена твердым (металлом) и(или) упругоэластичным (резиной) материалом, и(или) жидкостью, и(или) газом.
Недостатком прототипа является сварная конструкция статора, состоящая из деталей, сваренных кольцевой сваркой по торцам между собой. При тяжелых условиях работы статора при знакопеременных нагрузках, таких как крутящий и изгибающий момент, осевые силы и вибрация, такая конструкция не позволяет гарантировать надежность сварных соединений.
Другим недостатком прототипа в случае заполнения полости, образованной наружной поверхностью оболочки и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса статора, металлом является искажение циклоидального профиля оболочки при экстремальных нагрузках и плохой отвод тепла от резиновой обкладки, как следствие возникающего зазора при технологической усадке металла при литье.
Также недостатком прототипа в случае заполнения полости, образованной наружной поверхностью оболочки и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса статора, упругоэластичным материалом является деформация оболочки при экстремальных нагрузках и недостаточный теплоотвод от обкладки статора.
Еще одним недостатком прототипа в случае заполнения полости, образованной наружной поверхностью оболочки и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса статора, жидкостью или газом является деформация оболочки при экстремальных нагрузках и сложность изготовления.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение жесткости винтового зуба статора и улучшение теплоотвода от эластомерной обкладки статора.
Технический результат достигается тем, что в статоре винтового забойного двигателя, содержащем цилиндрический корпус, установленную в нем оболочку, имеющую профильную часть, выполненную в виде винтовых зубьев, к внутренней поверхности которых прикреплена эластомерная обкладка, согласно полезной модели полость, образованная внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оболочки, заполнена теплопроводным материалом с коэффициентом теплопроводности не менее 0,5 Вт/(м·°С), при этом в полости установлен армирующий жесткий элемент.
В предлагаемой полезной модели армирующий жесткий элемент, установленный в полости между корпусом и оболочкой, например, металлический трос или пруток, обеспечивает недеформируемость стального каркаса статора, жесткость винтового зуба. Увеличение жесткости винтового зуба повышает межвитковый перепад давления и, как следствие, момент на выходном валу двигателя.
Второй компонент, заполняющий полость между цилиндрическим корпусом и профильной винтовой оболочкой - теплопроводный материал с коэффициентом теплопроводности не менее 0,5 Вт/(м·°С), например, теплопроводная паста, или гель, обеспечивает эффективный отвод тепла от резиновой обкладки статора за счет плотного прилегания к теплообменным поверхностям. Улучшение отвода тепла от резиновой обкладки повышает ее усталостную выносливость и сохраняет физико-механические свойства резины.
Использование материала для заполнения полости между винтовой оболочкой и корпусом с коэффициентом теплопроводности меньше 0,5 Вт/(м·С°) не обеспечит эффективного охлаждения резиновой обкладки статора промывочной жидкостью, омывающей статор. Разогрев резиновой обкладки до высоких температур приведет к ухудшению упруго-эластичных свойств резины и снижению ее сопротивления циклическим нагрузкам. Поэтому для заполнения полости между винтовой оболочкой и корпусом выбран материал с коэффициентом теплопроводности не менее 0,5 Вт/(м·С°).
В прототипе корпус статора выполнен сварным с цилиндрическими переводниками, что явно снижает прочность статора при действии изгибающей нагрузки, например, при прохождении винтового забойного двигателя по искривленной скважине, когда сварной шов работает на отрыв, а также при действии сложной знакопеременной нагрузки от возникающих вибраций при работе двигателя. В предлагаемой полезной модели корпус статора выполнен цельным, и является трубой с нарезанной по торцам присоединительной резьбой, что исключает проблему недостаточной прочности корпуса.
На прилагаемых фигурах иллюстрируется сущность полезной модели. На фиг.1 показано устройство статора винтового забойного двигателя с кольцевой полостью между корпусом и оболочкой, заполненной теплопроводным материалом и установленным в полости армирующим жестким элементом в продольном разрезе.
На фиг.2 приведено поперечное сечение статора по линии А-А. Статор винтового забойного двигателя содержит полый цилиндрический металлический корпус 1, внутри которого размещена металлическая оболочка 2, имеющая профильную часть 3, выполненную в виде винтовых зубьев. К внутренней поверхности профильной части 3 оболочки 2 прикреплена эластомерная обкладка 4 примерно равной толщины, например, из резины. В полость, образованную внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью оболочки 2, установлен армирующий жесткий элемент 5, например, металлический пруток. Остальное свободное кольцевое пространство полости заполнено теплопроводным материалом 6, например, теплопроводной пастой или гелем.
Внутри эластомерной обкладки 4 оболочки 2 установлен ротор 7 с винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а профили зубьев статора и ротора 7 выполнены взаимоогибаемыми. Своим верхним концом статор присоединен к колонне бурильных труб (на фигурах не показаны), а нижним концом - к корпусу опорного узла (на фигурах не показан). Ротор 7 связан с валом опорного узла посредством, например, универсального шарнирного соединения. К нижнему концу вала опорного узла присоединен породоразрушающий инструмент - долото.
Статор работает следующим образом.
При подаче рабочей жидкости с поверхности по колонне бурильных труб ротор 7 приводится во вращение, обкатываясь по зубьям статора, и приводит во вращение долото.
При чрезмерном повышении вращающего момента на долоте, а следовательно, и на роторе 7, давление промывочной жидкости в статоре повышается.
В конструкции прототипа повышение давления может вызвать пластическую деформацию оболочки 2, так как полость между оболочкой 2 и полым цилиндрическим корпусом 1 заполнена жидкостью, и(или) газом, и (или) упругоэластичным материалом, что может привести к негерметичности рабочих камер и неработоспособности двигателя. В процессе работы двигателя резиновая обкладка 4 испытывает циклически действующие деформации в зонах контакта с вращающимся ротором, из-за чего происходит ее саморазогрев и может произойти термическое разрушение.
В предлагаемой полезной модели благодаря армирующему жесткому элементу 5 при повышении давления жидкости в статоре пластического деформирования оболочки 2 не происходит, повышается жесткость винтового зуба.
Теплопроводный материал 6 с коэффициентом теплопроводности не менее 0,5 Вт/(м·°С) обеспечивает улучшение необходимого отвода тепла от эластомерной обкладки статора 4, защищая ее от термического разрушения и изменения физико-механических свойств резины.
Таким образом, заполнение полости между цилиндрическим корпусом и оболочкой одновременно жестким армирующим элементом и теплопроводным материалом с коэффициентом теплопроводности не менее 0,5 Вт/(м·°С) позволяет повысить жесткость зуба статора, увеличить отвод тепла от эластомерной обкладки, что предотвращает пластическую деформацию оболочки, разрушение эластомерной обкладки статора, в конечном итоге, приводит к повышению энергетических характеристик, надежности винтовых забойных двигателей.