ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HELICAL DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к винтовым героторным двигателям, используемым для бурения нефтяных и газовых скважин.
Известно, что при работе двигателя возникает перекашивающий момент, воздействующий на ротор, который прижимает часть ротора на входе в двигатель к резиновой обкладке статора, увеличивая натяг зубьев ротора к обкладке. При этом часть ротора на выходе двигателя отжимается, уменьшая натяг вплоть до получения зазора. В результате ось ротора перекашивается относительно расчетного положения, возникают перекашивающий момент и неуравновешенные силы, приводящие к колебаниям, толчкам и т.п., другими словами, "неспокойной" работе двигателя. При этом объемный коэффициент полезного действия значительно снижается.
Центробежная сила, возникающая при планетарном движении, прижимает ротор к резиновой обкладке статора, увеличивая натяг в героторном механизме и создавая дополнительное сопротивление вращению. В результате снижается гидромеханический коэффициент полезного действия двигателя.
Общий эффективный кпд современных двигателей не превышает 40%, что влечет за собой повышенное давление рабочей жидкости, проходящей через двигатель, и повышенный расход электроэнергии на работу насосов.
Известен многозаходный винтовой героторный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета «е», которая равна половине радиальной высоты зубьев [а.с. СССР №237596, F03C 05/02, 1969 г.; М.Т.Гусман, Д.Ф.Балденко и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин, М., «Недра», 1981 г., стр.17-19].
об
Основным недостатком такой конструкции является перекос оси ротора от расчетного положения под действием перекашивающего момента. Он влечет за собой потерю давления рабочей жидкости, проходящей через героторный механизм, а также перераспределение натяга зубьев ротора с резиновой обкладкой статора. Работа двигателя при этом сопровождается толчками, колебаниями и другими нежелательными явлениями. В результате ротор работает не на полной длине (30-50%), имеет низкий объемный кпд (η), износ ротора и статора будет неравномерен, т.е. более интенсивный во входной части двигателя.
Запуск двигателя затруднен, т.к. он происходит при значительном перепаде давления (более 2 МПа).
г.м
об
г.м
Негативное воздействие на работу героторного механизма оказывает также центробежная сила, действующая на ротор при его планетарном движении, которая является причиной низкого гидромеханического к.п.д. (η). Эффективный кпд двигателя (η×η) составляет не более 40%.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция винтового забойного двигателя для бурения скважин, включающая корпус, статор с эластичной обкладкой и ротор, который снабжен на концах цилиндрическими катками, взаимодействующими с цилиндрическими поверхностями корпуса [а.с. СССР №440498, F04С 5/00,1974 г.].
Радиальные нагрузки, возникающие в процессе работы двигателя, воспринимаются парой «каток-цилиндрическая поверхность корпуса». Однако каток в выходной части двигателя может отходить от цилиндрической поверхности корпуса под действием перекашивающего момента, поэтому данная конструкция не позволяет устранять перекос геометрической оси ротора под воздействием перекашивающего момента и центробежных сил, возникающих в процессе работы, поэтому двигатель имеет низкий кпд и ресурс, а корпус включает корпус статора и ряд переводников.
Кроме того, катки, жестко связанные с ротором, участвуют только в «переносном» вращении вокруг оси статора, а одновременное вращение ротора в другую сторону («абсолютное» вращение) осуществляется с проскальзыванием катков, что тормозит ротор.
Техническая задача заключается в повышении ресурса и кпд двигателя путем упорядочения движения и исключения перекоса ротора в процессе работы.
Сущность изобретения заключается в том, что винтовой забойный двигатель, включающий корпус, рабочий вал, героторный механизм, содержащий статор и ротор, число зубьев которого на единицу меньше числа зубьев статора, согласно 1-му пункту формулы изобретения, дополнительно включает радиальные опорные узлы входной и выходной частей двигателя, а также узел передачи вращения и осевой нагрузки с ротора на рабочий вал, ротор героторного механизма установлен на подшипниках радиальных опорных узлов входной и выходной частей двигателя, причем указанные узлы выполнены с возможностью вращения ротора относительно статора с эксцентриситетом, равным эксцентриситету героторного механизма, а корпус состоит из ряда переводников.
При этом радиальный опорный узел входной части двигателя включает жестко соединенный со статором входной переводник с каналами для прохода рабочей жидкости, в котором на подшипниках закреплена ось водила входной части двигателя, эксцентриковая часть указанного водила на подшипниках закреплена в роторе соосно ему, а радиальный опорный узел выходной части двигателя включает водило выходной части двигателя, причем ось водила выходной части двигателя закреплена на подшипниках во втулке соосно статору, а эксцентриковая часть размещена в подшипнике цапфы, имеющей резьбовое соединение с ротором, при этом цапфа связана с рабочим валом через узел передачи вращения и осевой нагрузки с ротора на рабочий вал, выполненный в виде подвижной шариковой муфты, вал которой размещен внутри водила выходной части двигателя.
Заявляемая конструкция согласно п.1 формулы изобретения позволяет организовать упорядоченное движение ротора в подшипниках радиальных опорных узлов входной и выходной частей двигателя без толчков и колебаний и с сохранением равномерного натяга в героторном механизме.
Осуществление вращения ротора относительно статора в радиальных опорных узлах с эксцентриситетом, равным эксцентриситету героторного механизма, позволяет при работе двигателя сохранять расчетное положение оси ротора, при этом перекашивающий момент и центробежные силы воспринимаются подшипниками указанных узлов, тем самым увеличивая ресурс двигателя.
Заявляемая конструкция позволяет выполнять героторный механизм укороченным при сохранении момента вращения, что упрощает технологию его изготовления и получение точных геометрических параметров, влияющих на увеличение ресурса.
Заявляемая конструкция позволяет повысить эффективный кпд двигателя до 60-70%, повысить мощность и момент вращения на 20-30% по сравнению с аналогами при одинаковом расходе рабочей жидкости.
Изобретение иллюстрируется следующим образом.
На фиг.1 изображен общий вид заявляемой конструкции двигателя.
На фиг.2 представлен радиальный опорный узел входной части двигателя в продольном сечении, а на фиг.3 - в поперечном сечении.
На фиг.4 изображен радиальный опорный узел выходной части двигателя, а на фиг.5 - рабочий вал с подшипниками.
На фиг.6 представлен радиальный опорный узел выходной части двигателя в увеличенном виде.
Винтовой забойный двигатель состоит из героторного механизма 1, включающего статор 2 и ротор 3, радиального опорного узла входной части 4 двигателя, радиального опорного узла 5 выходной части двигателя и узла рабочего вала 6.
Радиальный опорный узел 4 включает входной переводник 7, соединенный конической резьбой с бурильной трубой (не показана) и со статором 2. В центральном отверстии переводника 7 соосно статору 2 на подшипниках 8 закреплена ось водила 9 входной части двигателя. Эксцентриковая часть 10 водила 9 смонтирована на подшипниках 11 в роторе 3.
Распорные втулки 12, 13 и 14, 15 задают расстояния между подшипниками 8 и 11, соответственно.
Ось водила 9 с подшипниками 8 загерметизирована уплотнением 16, которое зафиксировано гайкой 17.
Эксцентриковая часть 10 водила 9 с подшипниками 11 загерметизирована уплотнением 18 и зафиксирована гайкой 19.
Входной переводник 7 имеет каналы 20 для прохода рабочей жидкости.
Радиальный опорный узел 5 выходной части двигателя включает водило 21 выходной части двигателя, закрепленное в подшипниках 22 во втулке 23, установленной соосно статору 2.
Эксцентриковая часть 24 водила 21 входит в подшипник 25, расположенный во внутренней выточке цапфы 26, которая ввернута на резьбе в нижний конец ротора 3. Подшипник 25 установлен соосно ротору 3.
Через внутреннюю полость водила 21 проходит вал 27 подвижной шариковой муфты 28. Шарики 29 размещены в выточках вала 27 и пазах цапфы 26 и рабочего вала 30. Подвижная муфта 28 обеспечивает передачу момента вращения от ротора 3 к рабочему валу 30. Втулка 23 на конусной резьбе соединена с рабочим валом 30.
Распорные втулки 31 и 32 задают расстояние между подшипниками 22.
Эксцентриковая часть 24 водила 21 загерметизирована уплотнением 33, зафиксированным гайкой 34.
Ось водила 21 загерметизирована уплотнением 35, зафиксированным гайкой 36.
Шайба 37 фиксирует подшипник 22 от продольного смещения.
В цапфе 26 выполнена выточка, в которую вставлен шарик 38, передающий осевое усилие от ротора 3 валу 27, который в свою очередь передает осевое усилие рабочему валу 30 через шарик 38, установленный в выточку рабочего вала 30.
Рабочий вал 30 имеет овальные отверстия 39 для прохождения рабочей жидкости во внутреннюю полость рабочего вала 30.
Переводник 40 верхним резьбовым концом соединен со статором 2, а нижним - с нижним переводником 41, в котором расположен подшипник скольжения 42.
Наружный диаметр рабочего вала 30 около овальных отверстий 39 загерметизирован уплотнением 43 и зафиксирован гайкой 44.
Второй подшипник скольжения 45 расположен в переводнике 46. Подшипники 42 и 45 соосны статору 2. Рабочий вал 30 в подшипнике 45 центрируется втулкой 47.
Осевая сила от рабочего вала 30 передается через шайбу 48 упорному подшипнику 49 и далее через шайбу 50 воспринимается торцом переводника 46.
Рабочий вал 30 конической резьбой 51 соединен со шпинделем (не показан).
Подшипники 8, 11, 22, 25 и их полости заполнены пластической смазкой типа ШРУС-4М ТУ 38.401-58-128-95, действие которой сохраняется длительный срок, достаточный для выработки ресурса работы двигателя.
Винтовой забойный двигатель работает следующим образом.
Рабочая жидкость (вода или буровой раствор) поступает во входную часть 4 двигателя из бурильной трубы (не показана), проходит через каналы 20 переводника 7 и попадает в героторный механизм 1. Далее рабочая жидкость попадает в кольцевую полость, образуемую втулкой 23 и переводником 40, затем, пройдя овальные отверстия 39, попадает в отверстие вала 30 и далее в отверстие шпинделя (не показано).
При включении двигателя ротор 3 начинает планетарное движение совместно с водилами 9 и 21, производя переносное вращение геометрической оси ротора 3 относительно геометрической оси статора 2 против часовой стрелки (при левом направлении зубьев резиновой прокладки статора 2).
Геометрическая ось ротора 3 вращается относительно оси статора 2 с радиусом, равным эксцентриситету «е» героторного механизма 1, при этом водила 9 и 21 имеют тот же эксцентриситет «е».
Поскольку водила 9 и 21 вращаются в подшипниках 8 и 22, соответственно, перекашивающий момент и центробежные силы, действующие на ротор 3, воспринимаются указанными подшипниками, движение ротора 3 становится упорядоченным.
Кроме того, ротор 3 поворачивается на эксцентриковых частях 10 и 24 водил 9 и 21 по часовой стрелке, совершая абсолютное движение. За счет разности в числе зубьев ротора 3 и статора 2 переносное движение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, равным числу зубьев ротора 3. Момент вращения ротора 3 передается рабочему валу 30 с помощью шариков 29 и вала 27 муфты 28.
Конусная резьба 51 вала 30 предназначена для соединения со шпинделем (не показан) и передачи ему момента вращения.