ВИНТОВАЯ ГИДРОМАШИНА С УРАВНОВЕШЕННЫМ РОТОРОМ
HELICAL HYDRAULIC MACHINE WITH A BALANCED ROTOR

Изобретение относится к винтовым героторным гидромашинам, применяемым в качестве винтовых двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, а также в качестве винтовых насосов для добычи нефти, мультифазных насосов для перекачки газожидкостных смесей и может быть использовано для винтовых двигателей или насосов общего назначения.
Известны современные винтовые гидромашины с увеличенной длиной рабочих органов, принятые за прототип (журнал «Бурение и нефть» №3, март 2012 г., статья: «Современное состояние и перспективы развития отечественных винтовых забойных двигателей», стр. 5, авторы Д.Ф. Балденко, Ю.А. Коротаев). Увеличение длины рабочих органов позволяет значительно снизить уровень контактных нагрузок в зацеплении, уменьшить интенсивность их износа и предотвратить преждевременное разрушение резиновых зубьев из-за повышенных деформаций и разогрева резины. Ротор такой гидромашины представляет собой маложесткий вал с винтовыми зубьями, способный упруго прогибаться под собственным весом на величину, превышающую высоту своих зубьев. При параллельности осей ротора и статора эта гидромашина обладает высоким уровнем динамических нагрузок от инерционных сил, возникающих от неуравновешенности ротора вызванной его планетарным вращением (нутацией) вокруг оси статора.
Упомянутые нагрузки вызывают вибрацию двигателя, ускоряют износ зубьев статора и ротора, разрушают подшипники шпинделя и резьбовые соединения.
Задачей изобретения является повышение срока службы винтовой гидромашины за счет уменьшения инерционных сил и моментов, связанных с движением ротора внутри статора.
Поставленная задача решается за счет того, что в винтовой гидромашине, содержащей статор с внутренними винтовыми зубьями, расположенными на длине его активной части служащей опорой для зубьев ротора, и установленный внутри статора ротор, имеющий наружные винтовые зубья, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, отношение длины активной части статора к наружному диаметру зубьев ротора выполнено с возможностью упругого изгиба ротора на этой длине на величину не менее высоты зубьев гидромашины, совпадение шагов профилей зубьев ротора и статора происходит в закрученной в виде геликоида вокруг оси статора плоскости, проходящей вдоль оси ротора, при этом ротор упруго изогнут на длине активной части статора, а его ось образует левую или правую винтовую линию, расположенную вокруг оси статора, с радиусом, равным половине высоты зубьев гидромашины, причем на длину активной части статора приходится как минимум четвертая часть ее витка.
Отличительными признаками предлагаемой винтовой гидромашины является следующее:
В винтовой гидромашине, содержащей статор с внутренними винтовыми зубьями, расположенными на длине его активной части, служащей опорой для зубьев ротора, и установленный внутри статора ротор, имеющий наружные винтовые зубья, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, отношение длины активной части статора к наружному диаметру зубьев ротора выполнено с возможностью упругого изгиба ротора на этой длине на величину не менее высоты зубьев гидромашины, при этом совпадение шагов профилей зубьев ротора и статора происходит в закрученной в виде геликоида вокруг оси статора плоскости, проходящей вдоль оси ротора, при этом ротор упруго изогнут на длине активной части статора, а его ось образует левую или правую винтовую линию, расположенную вокруг оси статора, с радиусом, равным половине высоты зубьев гидромашины, причем на длину активной части статора приходится как минимум четвертая часть ее витка.
При таком выполнении гидромашины, когда ось ротора образует левую или правую винтовую линию, расположенную вокруг оси статора, при ее работе обеспечивается уменьшение инерционных сил и моментов, связанных с движением ротора внутри статора.
Заявляемая гидромашина поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано продольное сечение статора с установленным внутри него упруго изогнутым ротором. Ось ротора имеет вид винтовой линии расположенной вокруг оси статора с радиусом равным половине высоты зубьев. На длину активной части статора приходится виток оси ротора.
На фиг. 2 показано поперечное сечение А-А ротора и статора фиг. 1.
На фиг. 3 показано поперечное сечение Б-Б ротора и статора фиг. 1.
На фиг. 4 показано поперечное сечение В-В ротора и статора фиг. 1.
На фиг. 5 показано поперечное сечение Г-Г ротора и статора фиг. 1.
На фиг. 6 показано поперечное сечение Д-Д ротора и статора фиг. 1.
На фиг. 7 показано сечение ротора и статора на длине активной части статора, закрученной в виде геликоида вокруг оси статора плоскостью, проходящей вдоль оси ротора. При этом ось ротора имеет вид левой винтовой линии, расположенной вокруг оси статора, с радиусом, равным половине высоты зубьев, причем на длину активной части статора приходится четвертая часть ее витка.
На фиг. 8 показано сечение ротора и статора на длине активной части статора, закрученной в виде геликоида вокруг оси статора плоскостью, проходящей вдоль оси ротора. При этом ось ротора имеет вид правой винтовой линии, расположенной вокруг оси статора, с радиусом, равным половине высоты зубьев, причем на длину активной части статора приходится четвертая часть ее витка.
р
ст
1
1
1
1
Винтовая гидромашина (фиг. 1), содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, расположенными на длине L его активной части, служащей опорой для зубьев 3 ротора 4, и установленный внутри статора 1 ротор 4, имеющий наружные винтовые зубья 3, число которых на единицу меньше числа зубьев 2 статора 1, при этом отношение длины L активной части статора 1 к наружному диаметру D зубьев 3 ротора 4 выполнено с возможностью упругого изгиба ротора 4 на этой длине L на величину не менее высоты Н зубьев 2.3 гидромашины, совпадение шагов t, t профилей (фиг. 7, 8) зубьев 2, 3 ротора 4 и статора 1 происходит в закрученной в виде геликоида вокруг оси О-О статора 1 плоскости, проходящей вдоль оси O-O ротора 4, при этом ротор 4 упруго изогнут на длине L активной части статора 1, а его ось O-O образует левую (фиг. 7) или правую (фиг. 8) винтовую линию, расположенную вокруг оси О-О статора 1, с радиусом R, равным половине высоты Н (фиг. 1) зубьев 2, 3 гидромашины, на длину L активной части статора 1 приходится как минимум четвертая часть ее витка (фиг. 7, фиг. 8).
Описание работы приведено для винтовой гидромашины с левым направлением зубьев.
1
1
1
1
1
1
Когда ось O-O ротора 4 образует левую (фиг. 7) или правую (фиг. 8) винтовую линию, расположенную вокруг оси О-О статора 1, работа гидромашины в качестве винтового двигателя происходит следующим образом: поток текучей среды под давлением по колонне бурильных труб (не показаны) подается в винтовые полости 5 (фиг. 1), образованные винтовыми зубьями 2 статора 1 и винтовыми зубьями 3 ротора 4. При воздействии рабочего давления текучей среды на левые боковые стороны зубьев 3 ротора 4 и поверхность зубьев 2 статора 1 (при направлении взгляда со стороны входа текучей среды) образуется перепад давления между левыми и правыми сторонами зубьев 3 ротора 4 и между левыми и правыми сторонами зубьев 2 статора 1. Под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 4 приводится во вращение, при этом его винтовая ось O-O (фиг. 1) вращается вокруг оси О-О статора 1 против часовой стрелки по окружности радиусом R, равным половине высоты зуба Н, а сам ротор 4 поворачивается вокруг своей оси O-O по часовой стрелке с уменьшенной в число зубьев 3 ротора 4 раз угловой скоростью.
1
1
При работе гидромашины в качестве винтового насоса работа происходит следующим образом: ротор 4 (фиг. 1) принудительно приводится во вращение в направлении против часовой стрелки (при направлении взгляда со стороны выхода текучей среды) относительно статора, например, через колонну штанг (не показаны). Винтовые полости 5 (фиг. 1), образованные винтовыми зубьями 2 статора 1 и винтовыми зубьями 3 ротора 4, при вращении ротора 4 перемещаются вдоль статора 1 в сторону дневной поверхности, при этом перемещая перекачиваемую текучую среду вдоль статора 1. Винтовая ось O-O ротора 4 в этом случае вращается по часовой стрелке вокруг оси О-О статора 1, с увеличенной в число зубьев 3 ротора 4 раз угловой скоростью относительно угловой скорости вращения ротора 4.
1
1
1
1
1
1
1
1
При работе гидромашины в качестве насоса или двигателя (фиг. 1) ротор 4, упруго изгибаясь, вращается вокруг собственной винтовой оси O-O, испытывая число циклов упругого изгиба, равное числу его зубьев 3 за каждый свой оборот. Упругий изгиб ротора 4 происходит на величину высоты Н зубьев в пределах длины L активной части статора 1. При этом винтовая ось O-O упруго изогнутого ротора 4, расположенная вокруг оси О-О статора 1, с радиусом R, равным половине высоты Н зубьев 2, 3 гидромашины, вращается вокруг оси О-О статора 1. Инерционные силы F, воздействующие от ротора 4 на зубья 2 статора 1 вдоль длины L его активной части в каждый момент времени имеют разное направление (фиг. 2, 3, 4, 5, 6), уравновешивая ротор 4. Векторная сумма инерционных сил F связанная с движением ротора 4 значительно уменьшается, даже когда на длину L активной части статора 1 приходится всего четвертая часть витка (фиг. 7, 8) оси O-O ротора 4. При выполнении гидромашины, когда число витков оси O-O ротора 4 на длину L активной части статора 1 превышает четвертую часть витка, происходит еще большее уменьшение инерционных сил и моментов, связанных с движением ротора 4 внутри статора 1, вызванное взаимным уравновешиванием этих сил и моментов. При этом силы от упругого изгиба ротора 3 внутри статора 1 не оказывают ощутимого влияния на работу гидромашины, а уменьшение инерционных сил и моментов, связанных с движением ротора 4 внутри статора 1, значительно повышает срок ее службы и позволяет конструктору при проектировании увеличить быстроходность такой гидромашины.