Концентрическая ротационная гидромашина
CONCENTRIC ROTARY FLUID MACHINE

Приоритет данной заявки заявляется по дате подачи предварительной заявки на патент США №61/864752, поданной 12 августа 2013 года и озаглавленной «Ротационный привод от текучей среды», содержание которой, таким образом, полностью включено в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в целом к концентрической ротационной гидромашине, такой как насос или двигатель/приводное устройство.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Концентрические ротационные гидромашины могут работать как насос или как двигатель/приводное устройство. При работе в качестве насоса внешний крутящий момент прикладывается к вращающейся части установки, которая, в свою очередь, обеспечивает объемное вытеснение текучей среды с достижением, таким образом, насосного действия. При использовании в качестве приводного устройства текучая среда прокачивается через установку, в результате чего происходит вращение одного корпуса или компонента относительно другого с обеспечением, таким образом, крутящего момента, который может использоваться для приведения в действие инструмента, механизма или установки. На протяжении данного описания выражение «текучая среда» следует понимать в его обычном значении, которое охватывает жидкость, газ или, другое вещество или смесь, способные распространяться в виде потока и/или иным образом создающие давление. К неограничивающим примерам текучей среды относятся вода, масло, жидкий воздух, жидкий азот и буровые растворы.
Примеры одного типа концентрической ротационной гидромашины, к которому относится данное описание, раскрыты в патентах США №№6280169, 6468061, 6939177 и 6976832 (содержание которых, таким образом, полностью включено в данный документ посредством ссылки). Данный тип установки содержит ротор и статор, которые расположены концентрическим образом один внутри другого с образованием между ними рабочего пространства для текучей среды. Один из ротора и статора содержит один или более выступов, а другой содержит или поддерживает одну или более заслонок или лопаток. Ротор или статор, поддерживающий заслонку, иногда называется «опорным корпусом» установки. Другой из указанных компонентов иногда называется «неопорным корпусом» установки. При использовании установки, например, в качестве приводного устройства или двигателя текучая среда прокачивается через установку, проходит в рабочее пространство для текучей среды через различные впускные отверстия и покидает рабочее пространство через одно или более выпускных отверстий. Подвижная заслонка или лопатка всегда удерживается между впускными и выпускными отверстиями с обеспечением эффективного разделения рабочей камеры на чередующиеся камеры высокого давления и низкого давления. Давление текучей среды, поступающей через впускные отверстия, действует в равной степени на все компоненты внутри рабочей камеры и, соответственно, обеспечивает вращение ротора. Это, в свою очередь, обеспечивает постепенное перемещение заслонок или лопаток относительно выпускных отверстий так, что в итоге текучая среда высокого давления перемещается к соседнему в направлении вращения выпускному отверстию.
Эффективность работы такой установки, простота изготовления и восприимчивость к поломкам зависит от многочисленных факторов, к которым относятся, без ограничения этим, конструкция и конфигурация заслонок/лопаток, проходящих в рабочее пространство текучей среды, конфигурация выемок или пазов, в которые заслонки или лопатки втягиваются, когда с ними контактирует проходящий выступ, относительная конфигурация выступа и эффективность его уплотнения с выемкой/пазом, а также трение между относительно перемещающимися компонентами.
В установке, содержащей одну или более поворотных заслонок, во время относительного вращения ротора и статора, когда заслонка полностью выдвинута, контакт между выступом и заслонкой первоначально происходит в местоположении, близком к оси поворота заслонки. При продолжении вращения выступ в итоге контактирует с удаленным свободным концом заслонки. Для создания эффективного уплотнения выступ и заслонка должны быть выполнены с по существу согласованными криволинейными поверхностями для предотвращения протечки высокого давления между заслонкой и выступом к смежной стороне низкого давления, когда выступ и заслонка находятся во взаимно смежном радиальном положении. Это создает проблемы при изготовлении с точки зрения получения компонентов с высокой степенью допусков не только для минимизации протечки давления, но и для облегчения общей подгонки компонентов, которые составляют установку.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном изобретении предложена концентрическая ротационная гидромашина, имеющая различные конструктивные особенности, которые способствуют более высокой эффективности работы при повышенной простоте изготовления. Одним аспектом описанной установки является конфигурация заслонки и корпуса, которая обеспечивает возможность уплотнения заслонки на конце, удаленном от оси ее поворота, как с опорным корпусом, так и с неопорным корпусом. Еще одним аспектом описанной установки является конфигурация заслонки и корпуса, вследствие которой выступ сначала контактирует с заслонкой на конце, удаленном от оси поворота, с обеспечением втягивания заслонку в соответствующее гнездо. Более конкретно, передний скос выступа контактирует с уплотняющей частью заслонки перед тем, как пройти соответствующую ось поворота заслонки. Как может быть понятно специалистам, это подразумевает направление поворота заслонки, прямо противоположное направлению по меньшей мере в вышеуказанных известных установках. Еще в одном аспекте описаны заслонка, гнездо для заслонки и конфигурация выступа, которая обеспечивает возможность создания выступом уплотнения с опорным корпусом соответствующей установки в местоположении между осью поворота заслонки и уплотняющей частью заслонки, удаленной от оси поворота.
В первом аспекте предложена концентрическая ротационная гидромашина, содержащая:
первый и второй корпусы, расположенные коаксиальным образом один внутри другого с образованием между ними рабочей камеры и выполненные с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси вращения,
по меньшей мере одну заслонку, поддерживаемую одним из первого и второго корпусов, причем корпус, поддерживающий заслонку, образует опорный корпус, а корпус, не поддерживающий заслонку, образует неопорный корпус,
по меньшей мере один выступ, выполненный на неопорном корпусе, и
соответствующее гнездо для каждой заслонки, выполненное на неопорном корпусе,
причем каждая заслонка поддерживается с возможностью поворота вокруг соответствующей оси поворота, проходящей параллельно указанной оси вращения, и имеет уплотняющую часть, удаленную от соответствующей оси поворота, каждое гнездо для заслонки выполнено с возможностью размещения в нем уплотняющей части соответствующей заслонки, при этом гнезда для заслонок, уплотняющие части и неопорный корпус взаимно выполнены так, что при нахождении указанной по меньшей мере одной заслонки в выдвинутом положении ее уплотняющая часть образует существенное уплотнение как с гнездом заслонки, так и с неопорным корпусом.
В одном варианте выполнения для каждой заслонки уплотняющая часть выполнена так, что она всегда по меньшей мере частично находится внутри соответствующего гнезда для заслонки во время вращения корпусов относительно друг друга.
В одном варианте выполнения гнездо для заслонки имеет выемку для удерживания заслонки, через которую проходит ось поворота, и выемку для уплотнения заслонки, внутри которой всегда по меньшей мере частично находится уплотнение заслонки во время вращения корпусов относительно друг друга.
В одном варианте выполнения опорный корпус имеет для каждого гнезда заслонки площадку, расположенную между выемкой для удерживания заслонки и выемкой для уплотнения заслонки.
В одном варианте выполнения каждая площадка и неопорный корпус выполнены с обеспечением образования существенного уплотнения при совмещении выступа с площадкой в радиальном направлении.
В одном варианте выполнения каждая заслонка имеет удерживаемую часть, которая выполнена с обеспечением удерживания внутри гнезда для заслонки и через которую проходит ось поворота, и два или более плеч, которые соединяют удерживаемую часть с соответствующей уплотняющей частью, при этом между удерживаемой частью и уплотняющей частью образовано пространство.
В одном варианте выполнения каждая заслонка имеет удерживаемую часть, выполненную с обеспечением удерживания внутри выемки для удерживания заслонки, и два или более плеч, которые соединяют удерживаемую часть с соответствующей уплотняющей частью, при этом между удерживаемой частью и уплотняющей частью образовано пространство.
В одном варианте выполнения площадка расположена внутри указанного пространства, когда соответствующая заслонка находится во втянутом положении, а выступ совмещен с площадкой в радиальном направлении.
В одном варианте выполнения, когда установка работает как двигатель, направление, в котором заслонка поворачивается вокруг соответствующей оси поворота с обеспечением втягивания заслонки в гнездо из выдвинутого положения, совпадает с направлением вращения неопорного корпуса относительно опорного корпуса вокруг оси вращения. Однако в альтернативном варианте выполнения, когда установка работает как насос, направление, в котором заслонка поворачивается относительно соответствующей оси поворота с обеспечением втягивания заслонки в гнездо из выдвинутого положения, противоположно направлению вращения неопорного корпуса относительно опорного корпуса вокруг оси вращения.
В варианте выполнения установки в виде двигателя, по отношению к направлению вращения неопорного корпуса относительно опорного корпуса вокруг оси вращения каждая заслонка расположена так, что соответствующая уплотняющая часть опережает ось поворота, так что выступ проходит уплотняющую часть заслонки перед прохождением оси поворота заслонки. Однако в варианте выполнения установки в виде насоса, по отношению к направлению вращения неопорного корпуса относительно опорного корпуса вокруг оси вращения каждая заслонка расположена так, что соответствующая уплотняющая часть отстает от оси поворота, так что выступ проходит ось поворота заслонки перед прохождением уплотняющей части заслонки.
Во втором аспекте предложена концентрическая ротационная гидромашина, содержащая:
первый и второй корпусы, расположенные коаксиальным образом один внутри другого с образованием между ними рабочего пространства для текучей среды и выполненные с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси вращения,
по меньшей мере одну заслонку, поддерживаемую одним из первого и второго корпусов, причем корпус, поддерживающий заслонку, образует опорный корпус, а корпус, не поддерживающий заслонку, образует неопорный корпус,
по меньшей мере один выступ, выполненный на неопорном корпусе, причем каждая заслонка поддерживается с возможностью поворота вокруг соответствующей оси поворота, проходящей параллельно указанной оси вращения, и имеет уплотняющую часть, удаленную от соответствующей оси поворота, при этом каждая заслонка и корпусы взаимно выполнены так, что при нахождении указанной по меньшей мере одной заслонки в выдвинутом положении ее уплотняющая часть образует существенное уплотнение как с опорным корпусом, так и с неопорным корпусом, а заслонки и выступы расположены так, что при относительном вращении корпусов, когда установка работает как двигатель, передний скос выступов контактирует с уплотняющей частью указанной по меньшей мере одной заслонки до прохождения им соответствующей оси поворота указанной по меньшей мере одной заслонки, а когда установка работает как насос, передний скос выступов контактирует с осью поворота указанной по меньшей мере одной заслонки до прохождения им соответствующей уплотняющей части указанной по меньшей мере одной заслонки.
В одном варианте выполнения установка имеет гнездо, выполненное в опорном корпусе для каждой заслонки, причем при работе в качестве двигателя направление, в котором заслонка поворачивается вокруг соответствующей оси поворота с обеспечением втягивания заслонки в гнездо из выдвинутого положения, совпадает с направлением вращения неопорного корпуса относительно опорного корпуса вокруг оси вращения, но при работе в качестве насоса направление, в котором заслонка поворачивается вокруг соответствующей оси поворота с обеспечением втягивания заслонки в гнездо из выдвинутого положения, противоположно направлению вращения неопорного корпуса относительно опорного корпуса вокруг оси вращения.
В одном варианте выполнения каждая заслонка имеет удерживаемую часть, которая выполнена с обеспечением удерживания внутри гнезда заслонки и через которую проходит ось поворота, и два или более плеч, которые соединяют удерживаемую часть с соответствующей уплотняющей частью, при этом между удерживаемой частью и уплотняющей частью образовано пространство.
В одном варианте выполнения каждое гнездо для заслонки имеет удерживающую выемку, в которой расположена удерживаемая часть, и выемку для уплотнения заслонки, внутри которой всегда по меньшей мере частично находится уплотнение заслонки во время вращения корпусов относительно друг друга.
В одном варианте выполнения опорный корпус имеет для каждого гнезда заслонки площадку, расположенную между удерживающей выемкой для заслонки и выемкой для уплотнения заслонки.
В одном варианте выполнения каждая площадка и неопорный корпус выполнены с обеспечением образования существенного уплотнения при совмещении выступа с площадкой в радиальном направлении.
В третьем аспекте предложена концентрическая ротационная гидромашина, содержащая:
первый и второй корпусы, расположенные коаксиальным образом один внутри другого с образованием между ними рабочего пространства для текучей среды и выполненные с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси вращения,
по меньшей мере одну заслонку, поддерживаемую одним из первого и второго корпусов, причем корпус, поддерживающий заслонку, образует опорный корпус, а корпус, не поддерживающий заслонку, образует неопорный корпус,
по меньшей мере один выступ, выполненный на неопорном корпусе, причем каждая заслонка имеет удерживаемую часть и удаленную уплотняющую часть, а опорный корпус имеет гнездо для каждой заслонки, причем каждое гнездо имеет удерживающую выемку для размещения удерживаемой части заслонки и уплотнительную выемку для размещения уплотняющей части указанной заслонки, и площадку между удерживаемой частью и уплотняющей частью, при этом выступы и площадки выполнены с обеспечением образования существенного уплотнения при их взаимном совмещении в радиальном направлении.
В одном варианте выполнения каждая заслонка имеет два или более плеч, соединяющих удерживаемую часть с соответствующей уплотняющей частью, при этом между удерживаемой частью и уплотняющей частью образовано пространство.
В одном варианте выполнения установки для каждого гнезда указанная площадка расположена внутри указанного пространства, когда соответствующая заслонка находится во втянутом положении, а выступ совмещен с площадкой в радиальном направлении.
В одном варианте выполнения каждого или любого из вышеописанных аспектов каждый выступ является достаточно широким для образования существенного уплотнения с окружной поверхностью опорного корпуса, обращенной к рабочей камере, на уплотнительной выемке и/или удерживающей выемке.
В альтернативном варианте выполнения каждого или любого из вышеописанных аспектов каждый выступ является достаточно широким для образования существенного уплотнения с окружной поверхностью опорного корпуса, обращенной к рабочей камере, как на уплотнительной выемке, так и на выемке для удерживания заслонки в один конкретный момент времени.
В одном варианте выполнения каждого или любого из вышеописанных аспектов профиль каждого выступа является симметричным относительно радиальной центральной линии выступа. Однако в альтернативном варианте выполнения каждого или любого из вышеописанных аспектов профиль каждого выступа является асимметричным относительно радиальной центральной линии выступа.
В одном варианте выполнения каждого или любого из вышеописанных аспектов каждое гнездо для заслонки имеет первый паз, предназначенный для создания зазора для уплотняющей части соответствующей заслонки для обеспечения возможности дополнительного хода каждой заслонки при ее контакте с выступом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже, без учета любых других форм, которые могут находиться в рамках объема изобретения, описанного в разделе «Сущность изобретения», исключительно в качестве примера приведено описание конкретных вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает известную концентрическую ротационную гидромашину,
фиг. 2 изображает продольный разрез одного варианта выполнения предложенной концентрической ротационной гидромашины,
фиг. 3 изображает вид с торца установки, показанной на фиг. 2,
фиг. 4 изображает разрез по линии А-А установки, показанной на фиг. 2,
фиг. 5 изображает разрез по линии В-В установки, показанной на фиг. 2,
фиг. 6 изображает вид в аксонометрии наружного корпуса, входящего в состав установки, показанной на фиг. 2,
фиг. 7 изображает вид в аксонометрии внутреннего корпуса, входящего в состав установки, показанной на фиг. 2,
фиг. 8 изображает вид в аксонометрии заслонки, входящей в состав установки, показанной на фиг. 2,
фиг. 9 изображает увеличенный вид с одного торца части установки, показанной на фиг. 2, изображающий структурную взаимосвязь между наружным корпусом, показанным на фиг. 6, внутренним корпусом, показанным на фиг. 7, и заслонкой, показанной на фиг. 8,
фиг. 10 изображает параллельное сечение части установки, показанной на фиг. 9,
фиг. 11 изображает вид спереди заслонки альтернативной формы, которая может входить в состав установки,
фиг. 12 изображает вид в аксонометрии заслонки, показанной на фиг. 11, и
фиг. 13 изображает вид с торца заслонки, показанной на фиг. 11 и 12.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Для предоставления контекста и сравнительного базиса для предложенной установки сделана ссылка на фиг. 1, изображающую известную установку. Эта известная установка описана в патенте США №6976832. Вкратце, установка 10, показанная на фиг. 1, содержит первый корпус 12 и второй корпус 14. Первый корпус 12 концентричен со вторым корпусом 14 и расположен внутри него. Между внутренним корпусом 12 и внешним корпусом 14 образована кольцевая рабочая камера 16. Внешний корпус поддерживает набор (шесть) заслонок 18a-18f, внутренний корпус 12, с другой стороны, поддерживает набор (в данном случае три) выступов 20а-20с. Корпус 12 имеет осевой канал 22, в котором расположен распределительный трубопровод 24. В канале 22 выполнены впускные отверстия 26 и выпускные отверстия 28 для обеспечения проточного сообщения между каналом 22 и камерой 16. Заслонки 18 поджаты пружинами 30 в направлении выдвинутого или уплотняющего положения, в котором уплотняющая часть каждой заслонки 18 контактирует с внешней окружной поверхностью корпуса 12 или находится в непосредственной близости от нее. Уплотняющая часть находится на конце заслонки 18, удаленном от оси 34 поворота. Кроме того, при нахождении в выдвинутом положении уплотняющая часть 32 контактирует только с корпусом 12 или расположена в непосредственной близости только от него. Заслонки 18 выполнены с возможностью поворота вокруг соответствующих осей 34. Оси 34 поворота параллельны оси 36 вращения, вокруг которой один из корпусов 12, 14 вращается относительно другого.
Корпус 14 имеет гнездо для каждой заслонки 18. Гнезда 38 для заслонок и заслонки 18 взаимно выполнены так, что при перемещении заслонки 18 во втянутое положение она может быть втянута в корпус 14 в достаточной степени для обеспечения возможности прохождения, таким образом, контактирующего выступа 20. Кроме того, поверхность заслонки 18 и поверхность контактирующего проходящего выступа 20 (см., например, заслонку 18b и выступ 20b) выполнены с соответствующими формами, обеспечивающими образование существенного уплотнения между ними.
В установке 10 один из корпусов 12 и 14 может работать в качестве статора, а другой - в качестве ротора. Аналогичным образом, взаимное расположение выступов и заслонок может быть изменено так, что заслонки установлены на внутреннем корпусе 12, а выступы расположены на внешнем корпусе 14. Для отражения данной взаимозаменяемости в отношении того, какой корпус поддерживает заслонки, а какой - выступы, и того, какой корпус вращается относительно другого, корпус, поддерживающий заслонки, ниже обозначен как опорный корпус, а другой корпус обозначен как неопорный корпус. Таким образом, на фиг. 1 корпус 14 является опорным корпусом, а корпус 12 - неопорным корпусом.
Когда установка 10 работает как двигатель или приводное устройство, текучая среда высокого давления подается к одному концу канала 22. Текучая среда высокого давления равномерно распределяется трубопроводом 24 для ее прохождения через впуски 26 в рабочую камеру 16. Эта среда оказывает давление как на заслонки 18, так и на выступы 20 по обе стороны от впусков 26. В случае, когда опорный корпус 14 остается неподвижным, это приводит к вращению неопорного корпуса 12 в направлении по часовой стрелке. Следовательно, выступы 20 будут достигать заслонок 18 в направлении вращения с обеспечением первоначального контакта с заслонками 18 в положении вблизи их соответствующих осей 34 поворота и затем проходить у свободных концов 32, которые будут втянуты в гнезда 38. Окружная вершинная поверхность 33 выступа 20 проходит ось 34 раньше, чем уплотняющую часть заслонки 18. При вращении корпуса 12 текучая среда высокого давления в итоге входит в сообщение с выпускными отверстиями 28 и в результате отводится обратно в канал 22 для выведения из установки 10.
На фиг. 2-10 изображен вариант выполнения концентрической ротационной гидромашины и ее компонентов в соответствии с данным изобретением. Концентрическая ротационная гидромашина 100 (называемая ниже в целом «установкой 100») содержит первый корпус 102 и второй корпус 104. Корпусы 102, 104 расположены коаксиальным образом один внутри другого. В данном случае первый корпус 102 расположен внутри второго корпуса 104. Расположение корпусов 102, 104 ограничивает или иным образом образует рабочую камеру 106 между корпусами. Как объяснено более подробно ниже, камера 106 разделена на чередующиеся камеры высокого и низкого давления. Кроме того, корпусы 102 и 104 выполнены с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси 108 вращения.
Для общих принципов работы установки 100 несущественно, какой из корпусов 102 и 104 является неподвижным, а какой вращается. Это определяется желаемой областью применения установки 100. Например, при использовании установки 100 в буре для направленного бурения, относящемся к типу, описанному заявителем в международной заявке PCT/AU 2013/000432, внешний корпус 104 является неподвижным, а внутренний корпус 102 вращается. Кроме того, в таком варианте применения установка 100 работает в качестве двигателя или приводного устройства, и внутренний корпус вращается в направлении по часовой стрелке. Для простоты описания в данном варианте выполнения предполагается, что корпус 104 является неподвижным (т.е. образует статор), а внутренний корпус 102 вращается (т.е. образует ротор).
Один из корпусов 102, 104 (в данном конкретном варианте выполнения корпус 104) поддерживает по меньшей мере одну, а в данном варианте выполнения шесть заслонок 110а-110f (называемых ниже в целом «заслонками 110»). Для удобства второй корпус 104 ниже называется «опорным корпусом». Следовательно, первый корпус 102, который не поддерживает заслонки 110, ниже называется «неопорным корпусом 102».
На неопорном корпусе 102 выполнен по меньшей мере один, а в данном варианте выполнения три выступа 112а-112с (называемых ниже в целом «выступами 112»). Выступы 112 равномерно распределены по внешней окружной поверхности корпуса 102. Каждый выступ 112 имеет окружную вершинную поверхность 113 и противолежащие передний и задний скосы 115 и 117. В изображенном варианте выполнения каждый выступ 112 асимметричен относительно радиальной линии 119, проходящей посередине через дугу поверхности 113. В данном варианте выполнения это оптимизирует эффективность для проектного направления вращения корпуса 102 с одновременным обеспечением возможности вращения в противоположном направлении при некоторых рабочих условиях. Поверхность 113 является относительно широкой в окружном направлении. Это минимизирует протечку и потери давления на заслонках и гнездах для них во время работы.
Каждая заслонка 110 поддерживается в опорном корпусе 104 с возможностью ее поворота вдоль соответствующей оси 114a-114f поворота (называемой ниже «осью 114 поворота» в единственном числе или «осями 114 поворота» во множественном числе). Оси 114 проходят параллельно оси 108 вращения.
Корпус 102 имеет впускные отверстия 116 и выпускные отверстия 118. Корпус 102 также имеет впускной проточный тракт Fi и выпускной проточный тракт Fo, которые коаксиальны друг с другом, но изолированы друг от друга внутри корпуса 102 с точки зрения прохождения текучей среды. В данном случае изоляция обеспечена перегородкой 120 корпуса 102, которая физически изолирует нижний по потоку конец впускного тракта Fi от верхнего по потоку конца выпускного тракта Fo.
Впускные отверстия 116 выполнены в корпусе 102 в радиальном направлении для обеспечения проточного сообщения между впускным трактом Fi для текучей среды и рабочими камерами 106. Выпускные отверстия 118 также выполнены в корпусе 102 в радиальном направлении и обеспечивают проточное сообщение между камерами 106 и выпускным трактом Fo для текучей среды.
Рабочая камера 106 по существу представляет собой кольцевую камеру, которая разделена на три части выступами 112, образующими существенное уплотнение с внутренней окружной поверхностью корпуса 104. Кроме того, разделенная на части рабочая камера 106 проходит в осевом направлении между противоположными концами установки 100.
Число выступов 112 и число заслонок 110 могут изменяться. Однако в вариантах выполнения установки 100 в любой выбранный момент времени имеется по меньшей мере одно впускное отверстие 116 для текучей среды и по меньшей мере одно выпускное отверстие 118 для текучей среды между соседними выступами 112, а также по меньшей мере одна заслонка 110, образующая существенное уплотнение между впускным и выпускным отверстиями, смежными в направлении вращения. Как следствие этого, рабочая камера 106 по существу разделена на чередующиеся камеры 122а, 124а; 122b, 124b; и 122с, 124 с высокого и низкого давления. Специалистам должно быть понятно, что при вращении корпусов 102 и 104 относительно друг друга объемы камер высокого и низкого давления изменяются циклически от нулевого до максимального значения.
Камеры 122а-122с высокого давления (называемые ниже «камерами 122 высокого давления») представляют собой части камеры 106, которые находятся в проточном сообщении с соответствующими впускными отверстиями 116 и ограничены выступом 112, соответствующим указанному впускному отверстию, и соседней в направлении проточного сообщения заслонкой 110. Каждая камера 124а-124с низкого давления (называемая ниже в целом «камерами 124 низкого давления») образована в соответствующих частях рабочей камеры 106, которые находятся в проточном сообщении с соответствующими выпускными отверстиями 118 и ограничены с противоположных сторон соответствующим соседним выступом 112 и соседней в направлении проточного сообщения заслонкой 110. Например, в соответствии с фиг. 4 в рабочем пространстве 106 имеется камера 122а высокого давления, питаемая от отверстия 116а и ограниченная с обеих сторон выступом 112b и заслонкой 110b. В соответствии с фиг. 5 в части рабочей камеры 106 имеется камера 124а низкого давления, проточно соединенная с отверстием 118а и ограниченная с обеих сторон выступом 112а и заслонкой 110b.
В целом работа установки 10 происходит следующим образом. Текучая среда высокого давления подается к впускному тракту Fi. Согласно фиг. 2 это эквивалентно тому, что текучая среда высокого давления поступает с правой стороны и проходит в направлении левой стороны. Указанная текучая среда проходит через соответствующие впускные отверстия 116 в соответствующие камеры 122 высокого давления. В камерах 122 давление текучей среды действует во всех направлениях и, таким образом, оказывает давление как на выступ 122, так и на заслонку 110 соответствующей камеры 122. В данном варианте выполнения опорный корпус 104 является неподвижным. Соответственно, результатом этого давления является вращение неопорного корпуса 102 в направлении по часовой стрелке.
Со ссылкой на фиг. 5 должно быть понятно, что при вращении корпуса 102 в направлении по часовой стрелке отверстие 118с в итоге проходит заслонку 110f и, таким образом, образует выходное отверстие для текучей среды в камере 122с высокого давления, в результате чего эта камера преобразуется в камеру 124 низкого давления. Также должно быть понятно, что отсутствует прямое сообщение с отверстием 116с, так как теперь оно вращается в направлении по часовой стрелке и изолировано от отверстия 118 с заслонкой 110а, переместившейся в выдвинутое положение с образованием существенного уплотнения с частью корпуса 102 меньшего диаметра за отверстием 116с. Текучая среда, проходящая через отверстия 118, затем проходит в выпускной тракт Fo и выходит в осевом направлении из установки 100.
Ниже приведено более подробное описание конфигурации заслонок 110, опорного корпуса 104 и неопорного корпуса 102.
Со ссылкой, в частности, на фиг. 8-10 каждая заслонка 110 содержит удерживаемую часть в виде удлиненного цилиндра 126 и уплотняющую часть 128. Центральная ось цилиндра 126 совпадает с осью 114 поворота заслонки 110. Часть 128 присоединена к части 126 с помощью разнесенных плеч 130. В результате этого между цилиндром 126, уплотняющей частью 128 и плечами 130 образовано пространство или пустота 132.
Уплотняющая часть 128 выполнена так, что при нахождении в выдвинутом состоянии она создает уплотнение как с опорным корпусом 104, так и с неопорным корпусом 102. Для этого часть 128 имеет первую уплотняющую поверхность 134, предназначенную для образования существенного уплотнения с корпусом 104, и вторую прилегающую уплотняющую поверхность 136, предназначенную для образования уплотнения с частями 138 внешней окружной поверхности корпуса 102, имеющими постоянный диаметр. Первая поверхность 134 изогнута выпуклым образом. Вторая поверхность 136 может быть выполнена с небольшой вогнутой кривизной, соответствующей кривизне частей 138 поверхности корпуса 102, или, как вариант, может быть выполнена с плоской поверхностью, или, как вариант, может быть выполнена с небольшой выпуклой кривизной для обеспечения минимального трения с корпусом 102.
Опорный корпус 104 выполнен с гнездом 140 для каждой заслонки 110. Каждое гнездо 140 имеет выемку 142 для удерживания заслонки, выемку 144 для уплотнения заслонки и промежуточную площадку 146. Площадка 146 образована на свободной окружной грани соответствующего радиального выступа 147 между выемками 142 и 144 гнезда 140. Фактически, площадка 146 образует часть внутренней поверхности корпуса 104. Удерживающая выемка 142 предназначена для размещения соответствующего цилиндра 126 заслонки. В частности, выемки 142 имеют по существу круглое поперечное сечение и образуют несущую поверхность для цилиндров 126. Кроме того, выемки 142 выполнены с обеспечением контакта с соответствующим цилиндром 126 на существенной части его окружности, например по меньшей мере больше чем 180°, например около 200°, предпочтительно между 200° и 300°. В данном варианте выполнения выемка 142 и цилиндр 126 находятся в контакте приблизительно на 270°.
Уплотняющая часть 128 совершает возвратно-поступательное перемещение вверх и вниз внутри соответствующей выемки 144 при повороте заслонки 110 в противоположных направлениях относительно ее оси 114 поворота. Каждая выемка 144 имеет уплотняющую поверхность 148, проходящую в радиальном направлении и выполненную с небольшой вогнутой кривизной по существу того же радиуса, что и кривизна поверхности 134. Таким образом, поверхности 134 и 148 являются комплементарными, и их форма обеспечивает создание существенного уплотнения между ними при возвратно-поступательном перемещении части 128 внутри соответствующей выемки 144.
В выемках 144 выполнены пазы 150 и 152 для осколков, обеспечивающие возможность отведения осколков, которые могут быть захвачены текучей средой, приводящей установку 100 в действие, с траектории втягиваемого уплотнения 128 заслонки. Это минимизирует риск заедания заслонки 110 или ее удерживания частично за пределами соответствующей выемки 144 при прохождении выступа 112. Такие осколки не являются редким явлением в различных возможных вариантах применения установки 100, к которым относится, например, использование в качестве привода забойного двигателя для направленного бурения скважины.
Паз 152 также создает дополнительный зазор для уплотняющей части 128 соответствующей заслонки 110 с обеспечением возможности достаточного увеличения хода заслонки во время ее возвратно-поступательного перемещения в случае, если осколки или другой инородный материал проходят между заслонкой 110 и ротором/неопорным корпусом 102. Данный дополнительный ход обеспечивает возможность прохождения значительных осколков через пограничную область между заслонкой 110 и корпусом 102, в котором находятся выступы 112, без блокирования установки 100 в случае застревания или зажатия вещества между корпусом 102 и заслонкой 110. Это также позволяет увеличить производственные допуски для уплотняющей части 128 заслонки по отношению к ее высоте. Насколько известно авторам изобретения, уровень техники не обеспечивает возможности такого увеличенного хода заслонок вследствие требования плотно подогнанных сопрягающихся поверхностей для поддержания постоянного вращения установки. В случае зажатия осколков/материала в этой области в известных установках они с большой вероятностью вызовут блокирование установки. Риск возникновения такой ситуации существенно снижен для установки 100 благодаря вышеописанным особенностям.
Уплотняющая часть 124 всегда по меньшей мере частично удерживается в выемке 144. Кроме того, как показано на фиг. 10, каждая площадка 146 проходит в пространство 132 между цилиндром 126 и уплотняющей частью 128 соответствующей заслонки 110. Площадка 146 имеет поверхность 154, обращенную в рабочую камеру 106. Поверхность 154 выполнена с обеспечением образования существенного уплотнения с окружной вершинной поверхностью 113 выступа 112. Кроме того, поверхность 113 является достаточно широкой для образования существенного уплотнения с окружной поверхностью опорного корпуса 104, обращенной к рабочей камере, либо на одной из выемок 144, либо на выемке 142. Более того, в некоторых вариантах выполнения предусмотрено выполнение поверхности 113 достаточно широкой для образования существенного уплотнения с окружной поверхностью опорного корпуса 104, обращенной к рабочей камере, как на выемке 144, так и на выемке 142 в один конкретный момент времени. Кроме того, окружная вершинная поверхность выступа расположена с обеспечением образования существенного уплотнения с обращенной к ней поверхностью опорного корпуса 104.
На фиг. 10 изображена заслонка 110 в выдвинутом положении вскоре после прохождения задней кромки выступа 112, который перемещается в направлении по часовой стрелке относительно корпуса 104. Впускное отверстие 116 находится слегка впереди уплотняющей части 128. Таким образом, текучая среда высокого давления теперь поступает в рабочую камеру, образующую камеру 122 высокого давления. На задней, или левой, стороне части 128 рабочая камера сообщается с выпускным отверстием (не показано) и, следовательно, образует камеру 124 низкого давления. Текучая среда высокого давления нагружает заслонку 110, главным образом, в направлении левой стороны с ее перемещением в опорный корпус 104. По сравнению, например, с заслонкой 18а известной установки 10, показанной на фиг. 1, текучая среда высокого давления, проходящая через впуск 26, смежный с выступом 20b, действует с обеспечением нагрузки заслонки 18а в радиальном направлении с ее перемещением в соответствующую удерживающую выемку в корпусе 14, что может вызвать заедание и высокое трение. Варианты выполнения данной установки 100 с иллюстративными заслонкой 110 и опорным корпусом 104 существенно увеличивают (в некоторых случаях более чем вдвое) области восприятия нагрузки, на которых заслонка 110 может реагировать на корпус 104 во время работы.
Заслонки 110 содержат поджимающие средства для поджатия заслонок к выдвинутому положению, соответствующему направлению, в котором уплотняющая часть 128 толкается к внешней окружной поверхности неопорного корпуса 102. Такие поджимающие средства могут представлять собой торсионные стержневые пружины, проходящие внутрь и соединенные с цилиндрами 126 заслонок, торсионные цилиндрические пружины, кулачки, давление текучей среды, магниты или любые другие подходящие механические или гидравлические средства.
Ширина выступов 112 такова, что они могут существенно перекрывать гнездо 140. Кроме того, ширина каждого выступа 112 обеспечивает возможность образования существенного уплотнения сначала на выемке 144 между площадкой 146 и частью поверхности корпуса 104 на противоположной стороне выемки 144 и последующего образования уплотнения на выемке 142 между площадкой 146 и смежной частью внутренней поверхности корпуса 104 на противоположной стороне выемки 142.
Со ссылками, в частности, на фиг. 3-5 и 9-10, должно быть понятно, что, когда установка 100 используется при неподвижном корпусе 104 и вращающемся корпусе 102, выступы 112 приближаются к заслонкам 110 в противоположном направлении по сравнению с уровнем техники. В представленных вариантах выполнения установки 100, по отношению к направлению вращения вращающегося корпуса (неопорного корпуса 102) уплотняющая часть 128 каждой заслонки 110 опережает соответствующую ось 114 в направлении вращения. Таким образом, для нормальной работы установки 100 при вращении корпуса 102 выступ 112 сначала входит в контакт с заслонкой 110 в положении перед соответствующей осью 114. По сравнению с известной установкой 10, изображенной на фиг. 1, выступы 20 достигают заслонок 18 и контактируют с ними в положении за соответствующей осью 34. В более общем смысле для установки 100 поверхность 113 выступа 112 проходит уплотняющую часть 128 перед прохождением оси 114 независимо от того, обеспечивается ли относительное вращение корпусов 102 и 104 (а) корпусом 102, вращающимся по часовой стрелке при неподвижном корпусе 104, или, что равнозначно, (b) корпусом 104, вращающимся против часовой стрелки при неподвижном корпусе 102. Это прямо противоположно работе известной установки 10, где эквивалентная поверхность выступа 20 проходит ось 18 поворота перед прохождением уплотняющей части заслонки 18. Эта рабочая особенность альтернативно может быть описана с точки зрения переднего скоса 115 выступа 112. Передний скос 115 выступа контактирует с уплотняющей частью 128 заслонки 110 до прохождения соответствующей оси 114 поворота этой заслонки.
Несмотря на вышеизложенное, конфигурация корпуса 102/выступов 112 и заслонок 110 обеспечивает возможность вращения в любом направлении при использовании установки 100 в качестве насоса или двигателя. То есть относительное вращение корпусов 102 и 104 может быть изменено на обратное по сравнению с нормальным или естественным рабочим направлением. Данное свойство особенно полезно в случае, когда установка 100 стопорится во время ее приведения в действие внешним двигателем, или двигателем восстающей скважины, или устройством передачи крутящего момента (например, столом с верхним приводом/поворотным столом). Двигатель восстающей скважины может перегрузить ротационную установку 100 и вызвать, таким образом, изменение направления вращения корпуса 102 относительно корпуса 104 во время работы (остановка двигателя). От установки 100 не требуется выполнять назначенную функцию (например, работать в качестве двигателя или насоса) во время этого события, но она должна обеспечивать возможность вращения корпуса 102 в обоих направлениях без повреждения или заедания частей. Насколько известно авторам изобретения, такая функциональность не упоминается по меньшей мере в уровне техники и не является возможной при геометрии известных установок. Очевидно, что в известной установке 10 вращение ротора 12 в направлении против часовой стрелки приведет к заеданию и/или поломке заслонок 18.
В частности, из фиг. 3 видно, что при нахождении заслонки 110 в полностью втянутом положении область контакта между выступом 112 и заслонкой 110 очень мала. Контакт по существу ограничен частью поверхности 136 уплотнения 128 заслонки и поверхностью 156 выступа 112. Это представляет собой противоположность соответствующей ситуации в известной установке, показанной на фиг. 1. Для создания уплотнения в известной установке 10 необходимо наличие взаимно дополняющих профилей поверхности заслонки 18 и поверхности выступа 20, контактирующей с заслонкой. Это существенно упрощает изготовление, в том числе механическую обработку установки 100 по сравнению с уровнем техники. В частности, общий производственный допуск в установке 100 может быть увеличен, так как внутренний диаметр неопорного корпуса 102 определяется только размерами самого корпуса 102, а не суммированием допусков заслонки и выступов 112.
Кроме того, добавление площадки 146 обеспечивает возможность действия выступов 112 корпуса 102 на постоянный внутренний диаметр подшипника. Таким образом, корпусы 102 и 104 сами действуют в качестве подшипниковых элементов. Чтобы показать важность этого, следует отметить, что обычно установки, подобные установке 100, выполнены с радиальными подшипниками на каждой стороне ротора. В некоторых вариантах выполнения установки 100 радиальный подшипник также может использоваться на обеих сторонах корпуса 102. Однако важно, что выполнение таких подшипников не является обязательным, так что другие варианты установки 100 могут быть выполнены и работать с той же эффективностью без таких подшипников, вместо этого функция радиального подшипника осуществляется с помощью взаимно обращенных друг к другу поверхностей корпусов 102 и 104. Это может уменьшить стоимость изготовления и вес установки 100, а также количество компонентов и вероятность отказов.
Со ссылкой, в частности, на фиг. 4 и 7 неопорный корпус 102 имеет выемки 158 для выравнивания давления, расположенные на каждой передней стороне выступа 112 и совмещенные в осевом направлении с выпускными отверстиями 118. Выемки 158 отделены скосами 160, которые повторяют контур передней кромки выступов 112. Скосы 160 обеспечивают поверхности, на которые наезжают уплотняющие части 128 и, в частности, поверхности 136 при относительном вращении корпусов 102 и 104. Выемки 158 способствуют выравниванию давления на заслонках 110 и, в частности, уплотняющей части 128 при наезде заслонок на переднюю кромку выступов 112 и выпускные отверстия 118. Следует понимать, что при относительном вращении, когда выступ 112 приближается к заслонке 110, соответствующая камера 124 низкого давления уменьшается в объеме, в то время как объем камеры 122 высокого давления на противоположной стороне заслонки возрастает и является относительно большим. Текучая среда в камере высокого давления должна эффективно подаваться к отверстиям 118 за относительно короткий период времени для предотвращения возникновения избыточного давления текучей среды. Это достигается с помощью выемок 158, которые способствуют передаче высокого давления текучей среды из частей камеры 122 в смежную камеру 124 в областях, удаленных в осевом направлении от физического местоположения отверстий 118.
В зависимости от применения установки 100 ее противоположные концы закрыты либо кольцевыми торцевыми пластинами, либо другими компонентами большей системы или устройства, в которое (которую) встроена установка. Например, установка 100 может использоваться в качестве прямой замены ротационного привода (110) от текучей среды в подшипниковом блоке (100) и в двигателе (500) для бурения наклонной скважины, описанных в параллельной международной заявке PCT/AU 2013/000432, принадлежащей заявителю. В таких вариантах применения данная установка 100 присоединена на конце, содержащем впускной проточный тракт Fi, к нижнему концу изогнутого кожуха, в который встроен неподвижный или регулируемый кривой переводник для направленного бурения. Противоположный конец данной установки 100, в котором находится выпускной проточный тракт Fo, соединен с оправкой и через различные подшипники - с буровым сверлом.
Однако варианты выполнения установки 100 не ограничены использованием в системах направленного бурения и могут использоваться в качестве автономных устройств, например, в качестве привода при их питании текучей средой высокого давления для обеспечения крутящего момента, передаваемого другой установке, или в качестве насоса при вращении одного корпуса 102, 104 относительно другого. Кроме того, с точки зрения характерных аспектов установки 100 не имеет значения, какой из корпусов 102 и 104 вращается, а какой является неподвижным, и какой является опорным корпусом, а какой - неопорным корпусом. Эти аспекты не влияют на конфигурацию и работу заслонок 110, гнезд 140 и выступов 112.
В соответствии с фиг. 2 и 10, при использовании установки 100 в качестве насоса (а) неопорный корпус 102 вращается в направлении против часовой стрелки (показанном пунктирной стрелкой 170 на фиг. 10), и (b) сторона пониженного давления находится на скважинном конце 172, а сторона повышенного давления находится на устьевом конце 174. В этом варианте выполнения, имеющем вид насоса, текучая среда поступает в установку через отверстия 118 и выходит через отверстия 116. Это направление потока противоположно направлению, показанному в виде проточного тракта Fo и Fi на фиг. 2. В этом варианте выполнения оправка, присоединенная к неопорному корпусу 102, должна приводиться в действие внешним источником энергии, например, непосредственно присоединенным к линейному мотору или двигателю или присоединенным на конце к ротору через ременную, зубчатую передачу. При использовании в качестве замены для установки, описанной в заявке PCT/AU 2013/000432, ременная передача, зубчатая передача или средство непосредственного соединения могут приводить оправку (10) в действие с обеспечением передачи энергии для вращения ротора против часовой стрелки. В этом случае выступ 112 сначала проходит ось поворота заслонки 110, а затем проходит уплотняющую часть 128 этой заслонки 110.
Несмотря на то что описан конкретный вариант выполнения установки 100, должно быть очевидно, что установка 100 может быть реализована во многих других формах.
Например, в приведенном варианте выполнения отверстия 116 и отверстия 118 разделены физическим барьером в виде перегородки 120 в корпусе 102. Однако в альтернативных вариантах выполнения в перегородке 120 может быть расположен механизм управления потоком, обеспечивающий обходной путь к камере 106 для по меньшей мере части текучей среды. В этом случае по меньшей мере часть текучей среды может проходить непосредственно из впускного тракта Fi к выпускному тракту Fo, например, в случае возникновения избыточного давления. Кроме того, хотя отверстия 116 и отверстия 118 отделены друг от друга в осевом направлении вдоль длины корпуса 102, в альтернативном варианте выполнения отверстия 116 и 118 могут быть выполнены вдоль всей длины корпуса 102, но разделены с точки зрения прохождения текучей среды распределительным трубопроводом, относящимся к типу, описанному в патенте США №6976832. В другом варианте выступы 112 могут быть выполнены симметричными относительно радиальной линии 119. Также в других вариантах выполнения заслонка может иметь другие физические формы, как показано, например, с помощью заслонки 110а на фиг. 11-13. На фиг. 11-13 для обозначения элементов, идентичных или аналогичных элементам, показанным и описанным в отношении заслонки 110 на фиг. 8, используются те же номера позиций. Заслонка 110а отличается от заслонки 110 по существу добавлением третьего плеча 130i, расположенного между плечами 130 на каждом из противоположных концов заслонки 110а. Третье плечо 130i обеспечивает повышение механической прочности и жесткости уплотняющей части 128. Это способствует предотвращению или минимизации изгиба части 128. Для соответствующего размещения заслонки 110а также требуются модификации опорного корпуса 104. В частности, необходимы промежуточный вырез в каждой площадке 146 и соответствующий выступ 147 для обеспечения пространства для промежуточного плеча 130i при повороте заслонки 110а между втянутым и выдвинутым положениями. Пример выреза 149 показан пунктирной линией на фиг. 6 для площадки 146 и выступа 147 только в положении на шесть часов. Разумеется, в случае использования заслонки 110а вместо заслонки 110 для каждой площадки 146 и выступа 147 требуются аналогичные вырезы.
В нижеприведенной формуле изобретения и в предшествующем описании, если контекст не требует иного вследствие однозначной формулировки или необходимого предположения, слово «содержать» и его производные, такие как «содержит» или «содержащий», используются в охватывающем смысле, т.е. для обозначения наличия указанных элементов без исключения при этом наличия или добавления других элементов в различных вариантах выполнения установки 100, описанной в данном документе.