ВИНТОВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области производства и конструирования гидравлических машин и может быть использована в нефтяной промышленности при создании насосов и гидравлических забойных двигателей.
Известна винтовая машина, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер (RU 116188, 2012).
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах при изменении условий применения винтовой машины, в том числе при изменении вязкости жидкости.
Из известных устройств наиболее близкой к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является винтовая машина, содержащая корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах. Обойма концентрично размещена в расточке корпуса с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Секции обоймы, следующие друг за другом, установлены с возможностью их углового смещения относительно друг друга, а каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе (RU 124931, 2012).
Недостатком известного устройства также является отсутствие возможности регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах при изменении условий применения винтовой машины, в частности при изменении вязкости жидкости. Указанный недостаток не позволяет осуществлять регулировку машины для вывода ее на оптимальный режим работы.
Кроме того, отмеченный недостаток приводит к ограничению области применения известного устройства на нефтяных и газовых месторождениях, отличающихся широким спектром условий использования гидравлических машин.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является обеспечение регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах винтовой машины при изменении условий применения винтовой машины, в том числе при изменении вязкости жидкости.
Указанная проблема решается за счет того, что в винтовой машине, содержащей корпус с входным и выходным каналами, в расточке которого концентрично размещена обойма, выполненная из отдельных секций, следующих друг за другом, расположенных вдоль винтовой линии с возможностью углового смещения отдельных секций относительно друг друга и с образованием внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями, и размещенный на опорах винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью ее радиального смещения относительно винтообразного ротора, обойма выполнена по форме спиральной пружины, при этом каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на винтообразном роторе, согласно полезной модели, корпус и винтообразный ротор выполнены в виде отдельных секций, установленных последовательно и соединенных друг с другом с возможностью корректировки их количества и передачи крутящего момента от одной секции винтообразного ротора к другой секции для регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах, при этом секции корпуса размещены между опорами, на которых размещен винтообразный ротор, расположенный концентрично относительно наружной цилиндрической поверхности корпуса, расточка в котором выполнена эксцентрично относительно его наружной цилиндрической поверхности, при этом в каждой секции корпуса выполнено не менее двух спиралевидных камер.
Целесообразно секции корпуса и секции ротора соединять между собой посредством резьбовых соединений, направления винтовых линий в которых соответствуют направлению вращения ротора с обеспечением возможности передачи крутящего момента от одной секции ротора к другой.
Достигаемый технический результат заключается в устранении пульсаций давления в щелевых уплотнениях спиралевидных камер с одновременным обеспечением снижения контактных напряжений при скольжении секции обоймы внутри расточки в корпусе с сохранением функции реализации свойства обратимости винтовой машины.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1-4 с применением приемов трехмерного моделирования представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.
На фиг. 1 представлен продольный разрез винтовой машины.
На фиг. 2 в изометрии представлена секция ротора со спиралевидной обоймой, выполненной из отдельных секций.
На фиг. 3 показана одна секция обоймы.
На фиг. 4 представлена одна секция ротора, одна секция корпуса, одна опора и одна секция обоймы, детали смещены друг относительно друга для удобства иллюстрации.
Винтовая машина содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, секционную обойму 4 и винтообразный ротор 5, эксцентрично размещенный в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5, размещенного на опорах 6. В опорах 6 выполнены проточные каналы 7. Обойма 4 концентрично размещена в расточке 8 корпуса 1. Ротор 5 размещен в расточке 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1 с образованием внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 10, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 9. Ротор 5 оснащен стопорными элементами 11, ограничивающими перемещение обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций обоймы друг относительно друга. Каждая секция обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. Стопорный элемент 11 может представлять собой плоскую опорную поверхность, выполненную на роторе 5. Секции в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии с образованием ступенчатой структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице.
Ротор 5 установлен на опорах 6, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4 и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 8 в корпусе 1. При этом секционная обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1.
Корпус 1 выполнен секционным и между секциями корпуса 1 размещены опоры 6, при этом размещенный на опорах 6 винтообразный ротор 5 выполнен секционным, а секции ротора 5 соединены последовательно друг с другом, с возможностью передачи крутящего момента от одной секции ротора 5 к другой секции ротора.
Расточка 8 в корпусе 1 выполнена эксцентрично относительно наружной цилиндрической поверхности 12 корпуса 1, а винтообразный ротор 5 расположен концентрично относительно наружной цилиндрической поверхности 12 корпуса 1.
В каждой секции корпуса должно быть выполнено не менее двух полных спиралевидных камер, поскольку только в этом случае, при любом угле поворота ротора, обеспечивается гарантированное разобщение спиралевидных камер в одной секции корпуса от спиралевидных камер в следующей секции корпуса. Если указанное условие будет нарушено, и в секции корпуса будет выполнено менее двух полных спиралевидных камер, тогда работа щелевого уплотнения нарушится из-за импульсного перетекания рабочей жидкости (газа) из одной секции статора в другую секцию статора. В свою очередь, такое импульсное течение спровоцирует рост контактных напряжений при скольжении секции обоймы внутри расточки в корпусе, поскольку обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, расположенных вдоль винтовой линии.
Отдельные секции корпуса 1 могут быть соединены между собой с использованием резьбовых соединений 13 и 14. В представленном варианте, для примера, между секциями корпуса 1 размещены опоры 6, с использованием резьбовых соединений 13 и 14.
Отдельные секции ротора 5 могут быть соединены последовательно друг с другом с использованием резьбовых соединений 15. Направления винтовых линий в резьбовых соединениях 13-15 должны соответствовать направлению вращения ротора 5 и должны обеспечивать возможность для передачи крутящего момента от одной секции ротора 5 к другой секции ротора (соответственно, исключая отворот какой-либо резьбы).
Предлагаемая винтовая машина работает следующим образом в режиме насоса (или компрессора).
От вала двигателя (на фигурах двигатель не показан) механическая энергия передается на ротор 5, установленный на опорах 6. При вращении ротора 5 во вращательное движение вовлекается и секционная обойма 4. Обойма 4 выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 4 друг относительно друга. Каждая секция обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 10 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в камерах 10. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 9 уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1. Внутри корпуса 1 следующие друг за другом спиралевидные камеры 10 отделены друг от друга щелевыми уплотнениями 9 и элементами секционной обоймы 4.
При таком движении ротора 5 и обоймы 4 относительно расточки 8 в корпусе 1 осуществляется смещение спиралевидных камер 10 в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное (равномерное) изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Равномерное распределение (изменение) давления по камерам 10 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 9. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходом 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиралевидной камере 10, сообщающейся с входом 2, что соответствует давлению на входе насоса. Поскольку для каждой секции обоймы 4 имеется свой отдельный стопорный элемент 11, удается распределить нагрузку на большей площади при уменьшенных контактных напряжениях.
Перекачиваемая среда проходит через проточные каналы 7, в направлении от входа 2 к выходу 3 насоса.
Как было указано, в каждой секции статора должно быть выполнено не менее двух полных спиралевидных камер, поскольку только при соблюдении этого условия решается проблема регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах при изменении условий применения винтовой машины, например при изменении вязкости жидкости.
Помимо жидкой среды, заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред.
Поскольку расточка 8 в корпусе 1 выполнена эксцентрично относительно наружной цилиндрической поверхности 12 корпуса 1, а наружная цилиндрическая поверхность 12 корпуса 1 выполнена концентрично относительно винтообразного ротора 5, то такое конструктивное исполнение позволяет расширить область регулирования для рабочего перепада давления в спиралевидных камерах 10. За счет секционного исполнения гидравлической машины при работе винтовой машины в режиме насоса появляется возможность для регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах 10, поскольку концентричное расположение ротора 5 относительно наружной поверхности 12 корпуса 1 позволяет создать унифицированную технологичную секционную конструкцию.
Предлагаемое техническое решение позволяет расширить область применения винтовой машины при эксплуатации в режиме насоса в условиях нефтяных и газовых месторождений.
Для уменьшения перепада давления в каждой отдельной спиралевидной камере 10, при работе в режиме насоса, увеличивают количество секций корпуса 1 и соответственно увеличивают количество секций ротора 5, выполняя расчет рабочего перепада давления по аналогии с известными секционными гидравлическими машинами (насосами). Количество секций корпуса 1 в секционной винтовой машине составляет две секции и более.
Если условия применения винтовой машины меняются, например, если винтовую машину начинают использовать в качестве насоса для перекачки менее вязкой жидкости, тогда требуется подрегулировать рабочий перепад давлений в спиралевидных камерах 10 (сохраняя при этом прежнее значение перепада давлений на выходе 3 и входе 2 винтовой машины). Учитывая известную специфику работы щелевых уплотнений, в таком случае, при перекачке менее вязкой жидкости с сохранением значений для остальных параметров винтовой машины, необходимо уменьшить рабочий перепад давлений в спиралевидных камерах 10. Это может быть достигнуто путем соответствующего увеличения количества секций корпуса 1 в секционной винтовой машине (с соответствующим увеличением количества секций ротора 5, с обоймой 4). Заявляемое техническое решение позволяет выполнить регулировку машины для вывода ее на оптимальный режим работы, что в свою очередь расширяет область применения заявляемого устройства на нефтяных и газовых месторождениях, отличающихся большим разнообразием условий применения гидравлических машин.
Исполнение резьбовых соединений должно соответствовать условиям работы винтовой машины в режиме насоса. Отдельные секции корпуса 1 могут быть соединены между собой с использованием резьбовых соединений 13 и 14. В представленном варианте между секциями корпуса 1 размещены опоры 6, с использованием резьбовых соединений 13 и 14. При работе винтовой машины в режиме насоса отдельные секции ротора 5 могут быть соединены последовательно друг с другом с использованием резьбовых соединений 15. Направления винтовых линий в резьбовых соединениях 13-15 должны соответствовать направлению вращения ротора 5 в режиме насоса и должны обеспечивать возможность для передачи крутящего момента от одной секции ротора 5 к другой секции ротора (соответственно, исключая отворот какой-либо резьбы).
В режиме двигателя предлагаемая винтовая машина работает следующим образом.
Во входной канал 2 подают под избыточным давлением рабочую жидкость (рабочий газ или газожидкостную смесь). Щелевые уплотнения 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входом 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходом 3, что соответствует давлению на выходе двигателя. За счет перепада давления в соседних камерах 10 возникают силы и крутящий момент, действующие на секционную обойму 4 и ротор 5, так как ротор 5 эксцентрично размещен в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5. Ротор 5 вместе с обоймой 4 под действием указанных сил вовлекаются во вращательное движение. Таким образом, гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию, мощность вращающегося ротора 5 может быть передана к другим машинам (эти машины на фигурах не показаны).
Исполнение резьбовых соединений должно соответствовать условиям работы винтовой машины в режиме двигателя. Отдельные секции корпуса 1 могут быть соединены между собой с использованием резьбовых соединений 13 и 14. В представленном варианте между секциями корпуса 1 размещены опоры 6, с использованием резьбовых соединений 13 и 14. При работе винтовой машины в режиме двигателя отдельные секции ротора 5 могут быть соединены последовательно друг с другом с использованием резьбовых соединений 15. Направления винтовых линий в резьбовых соединениях 13-15 должны соответствовать направлению вращения ротора 5 в режиме двигателя, и должны обеспечивать возможность для передачи крутящего момента от одной секции ротора 5 к другой секции ротора (соответственно, исключая отворот какой-либо резьбы).
Поскольку расточка 8 в корпусе 1 выполнена эксцентрично относительно наружной цилиндрической поверхности 12 корпуса 1, а наружная цилиндрическая поверхность 12 корпуса 1 выполнена концентрично относительно винтообразного ротора 5, то такое конструктивное исполнение позволяет расширить область регулирования для рабочего перепада давления в спиралевидных камерах 10. При работе винтовой машины в режиме двигателя появляется возможность для регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах 10, за счет применения секционного исполнения гидравлической машины, поскольку концентричное расположение ротора 5 относительно наружной поверхности 12 корпуса 1 позволяет создать технологичную секционную конструкцию. Заявляемое техническое решение позволяет расширить область применения винтовой машины, при эксплуатации в режиме двигателя, в условиях нефтяных и газовых месторождений. К примеру, для уменьшения перепада давления в каждой отдельной спиралевидной камере 10, при работе в режиме двигателя, увеличивают количество секций корпуса 1 и соответственно увеличивают количество секций ротора 5, выполняя расчет рабочего перепада давления по аналогии с известными секционными гидравлическими машинами (гидравлическими двигателями).
Если условия применения винтовой машины меняются, например, если винтовую машину начинают использовать в качестве гидравлического двигателя с использованием менее вязкой жидкости, тогда требуется подрегулировать рабочий перепад давлений в спиралевидных камерах 10 (сохраняя при этом прежнее значение перепада давлений на выходе 3 и входе 2 винтовой машины). Учитывая известную специфику работы щелевых уплотнений, в таком случае, при использовании менее вязкой жидкости с сохранением значений для остальных параметров винтовой машины, необходимо уменьшить рабочий перепад давлений в спиралевидных камерах 10. Это может быть достигнуто путем соответствующего увеличения количества секций корпуса 1 в секционной винтовой машине, работающей в режиме гидравлического двигателя.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает формирование унифицированной секционной конструкции винтовой машины с возможностью регулирования рабочего перепада давления в спиралевидных камерах путем изменения количества секций в составе винтовой машины, что обеспечивает устранение пульсаций давления в щелевых уплотнениях и снижение контактных напряжений при скольжении секции обоймы внутри расточки в корпусе.