СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ
STATOR OF HELICAL GEROTOR TYPE HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых гидравлических машин, размещаемым в скважинах, и может быть использовано в двигателях для вращения ротора от насосной подачи текучей среды или в насосах для подачи текучей среды за счет вращения ротора, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин, добычи нефти и перекачивания жидкостей.
Известен статор винтового героторного гидравлического двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды или насоса для подачи текучей среды за счет вращения ротора, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленные в корпусе охватываемую и охватывающую обкладки из эластомера, охватываемая обкладка выполнена с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, охватывающая обкладка скреплена с охватываемой обкладкой и внутренней поверхностью корпуса, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6881045 В2, 19.04.2005).
Эластомерную охватываемую обкладку выполняют из материала, например, Ultra-Flex 114, а охватывающую обкладку с внутренней поверхностью в форме геликоида с внутренними винтовыми многозаходными зубьями выполняют из более твердого и прочного материала.
Недостатком известного статора является неполная возможность повышения ресурса и надежности винтовой героторной гидромашины при использовании статора в винтовом забойном двигателе, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения.
Недостатки известного статора объясняются низким пределом прочности связи с металлом при отрыве охватывающей обкладки 73 от внутренней цилиндрической поверхности трубчатого корпуса 10, что не позволяет увеличивать, например, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимую осевую нагрузку.
Недостатки известного статора для двигателя объясняются также циклическим нагружением винтовых зубьев, выполненных из эластомеров разной прочности, твердости и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев обкладки, нарушению натяга в рабочей паре, отслоению эластомерной обкладки от корпуса, а также к расслоению между эластомерными обкладками вследствие ухудшения отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки сквозь слой эластомерного материала через стенки корпуса к буровому раствору затрубного пространства.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 80°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности.
Известный статор при использовании его в винтовом героторном гидравлическом двигателе не обеспечивает существенных преимуществ, например максимального темпа набора кривизны (при бурении наклонной скважины) вследствие разрушения корпуса, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с вращением (от ротора буровой) изогнутой колонны бурильных труб, с ударными нагрузками и ударными импульсами от гидравлических ясов, а также вследствие релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.
Известен статор забойного двигателя буровой установки, содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями (или с внутренней и наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида), а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины (US 5171138 А, 15.12.1992).
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности.
Недостатки известной конструкции объясняются низким модулем упругости статорной трубчатой гильзы, плохой свариваемостью с массивным полым корпусом, что определяет недостаточную усталостную выносливость статорной гильзы для обеспечения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности.
Недостатки известной конструкции объясняются также релаксацией напряжений в материале штампованной металлической статорной гильзы, которые искажают профиль сопряжения рабочей пары ротор-статор, вследствие чего уменьшается герметичность рабочей пары и возможность обеспечения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора при максимальном перепаде давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности.
Недостатки известной конструкции объясняются также циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, а также статорной трубчатой гильзы с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями, обладающими малой жесткостью, которые подвергаются высокой деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала обкладки зубьев, нарушению уплотнения в рабочей паре, разрушению зубьев или к отрыву эластомерной обкладки от статорной гильзы.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться более интенсивно за счет ее меньшей массы, например, до 80°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности.
Известен статор винтового героторного гидравлического двигателя ДР-240РС, в котором внутри трубчатого корпуса с внутренней цилиндрической поверхностью привулканизована обкладка с внутренними винтовыми многозаходными многошаговыми зубьями, выполненная из резины (Балденко Д.Ф. и др. Одновинтовые гидравлические машины. Том 2. Винтовые забойные двигатели. - М. ОАО "Газпром", 2007, с.40, 41).
В известном двигателе отношение числа зубьев ротора и статора равно 5/6, длина обкладки статора составляет 5000 мм, перепад давления 7,5 МПа (для режима максимально допустимого дифференциального перепада давления), крутящий момент составляет 19 кН·м при расходе жидкости 35÷75 л/с.
Недостатки известного статора объясняются неполной возможностью повышения предела прочности связи с металлом при отрыве резиновой обкладки от внутренней поверхности трубчатого корпуса (определяемые по ГОСТ 209-75), усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (определяемые по ГОСТ 10952-75), усталостной выносливости при многократном сжатии (определяемые по ГОСТ 20418-75), вследствие этого не обеспечивается возможность повышения ресурса и надежности винтового гидравлического двигателя, максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки.
Анализ причин уменьшения ресурса винтовых героторных двигателей показывает, что основной причиной отказа является разрушение зубьев обкладки и отрыв обкладки от статора преимущественно на входе и выходе из двигателя. Это происходит вследствие высоких контактных нагрузок в зацеплении ротор-обкладка статора, повышения натяга в зацеплении рабочей пары от внутреннего нагрева и увеличения объема ("набухания") резины от воздействия бурового раствора, больших скоростей потока абразивного бурового раствора, высокого перепада давления, возникающего при перегрузках и торможении двигателя. Увеличение длины рабочих органов позволяет снизить уровень контактных нагрузок в зацеплении ротор-обкладка статора и предотвратить преждевременное разрушение обкладки статора. Одновременно значительно повышаются энергетические характеристики двигателя, надежность и ресурс работы. Однако увеличение длины рабочих органов ротор-обкладка статора ухудшает "проходимость" компоновки низа бурильной колонны при бурении наклонно направленных скважин.
Недостатки известной конструкции объясняются также циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев обкладки.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 60°С, увеличение натяга в рабочей паре может составлять до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нарушению уплотнения в рабочей паре и разрушению зубьев в эластомерной обкладке статора, а также к отрыву обкладки от статора двигателя в скважине.
выс
вп
выс
вп
выс
вп
Известен статор винтовой героторной гидромашины, содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины, статорная гильза выполнена в виде ряда ступеней, внутренние винтовые многозаходные зубья в каждой из которых являются продолжением внутренних винтовых многозаходных зубьев смежной ступени, а поверхности контактирующих торцов выполнены замкнутыми в окружном направлении, причем полый корпус содержит, по меньшей мере, два переходника, расположенных по его краям и охватывающих ряд ступеней статорной гильзы, а край, например торец каждой ступени статорной гильзы, скреплен с краем, например с торцом смежной ступени или с краями, например с торцами корпуса и переходника, при помощи кольцевого сварного шва, при этом в обкладке с внутренними винтовыми зубьями толщины Δ выступов винтовых зубьев и толщины Δ впадин винтовых зубьев связаны соотношением: Δ=(1,22±0,12)Δ, толщины Δ выступов винтовых зубьев и, соответственно, толщины А впадин винтовых зубьев выполнены в пределах ±7%, а расстояние между торцами каждой ступени статорной гильзы равно, по меньшей мере, 1,05 длины хода ее внутренних винтовых зубьев (RU 2283416 С1, 10.09.2006).
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности снижения ее стоимости, недостаточная прочность и усталостная выносливость корпуса статора, потеря его устойчивости, преимущественно при осевой нагрузке и ударных воздействиях от ясов в составе изогнутой колонны бурильных труб в наклонных и горизонтальных скважинах, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, что объясняется релаксацией напряжений скрепленных сваркой узлов, искривлением стенок корпуса, а также их центральной оси.
Максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, например, двигателя ДР-95 составляет 9…14 МПа ("Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, с.8).
Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор для двигательной секции Муано, содержащий наружную трубу, винтовую поверхность, расположенную соосно в наружной трубе, образующую внутреннюю винтовую полость и имеющую некоторое число внутренних зубьев, внутренняя винтовая поверхность содержит наружный армирующий материал, зафиксированный внутри наружной трубы, и внутреннюю обкладку из эластомера, расположенную во внутренней винтовой полости, при этом обкладка имеет неравномерную толщину в поперечном сечении, а толщина обкладки с одной стороны каждого зуба больше толщины обкладки с противоположной стороны каждого зуба (US 7083401 В2, 01.08. 2006).
Охватываемую обкладку выполняют из эластомерного материала, например, Ultra-Flex 114, а наружный армирующий материал, выполненный в виде трубчатой гильзы с внутренней поверхностью в форме геликоида, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и зафиксированный внутри наружной трубы, выбирается из совокупности отвержденных эластомеров, армированных стальной проволокой эластомеров, экструдированных пластиков, жидкокристаллических полимеров, композиционных материалов, армированных волокном, включая стекловолокно, медь, алюминий, сталь и их сочетания.
Недостатки известного статора объясняются ограничениями предела прочности связи с металлом при отрыве наружного армирующего материала (поз. 215, 315, 415, 515), выполненного в виде трубчатой гильзы с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и зафиксированного внутри наружной трубы, ограничениями предела усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением, а также усталостной выносливости при многократном сжатии, что не позволяет увеличивать, например, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимую осевую нагрузку.
Недостатки известного статора объясняются также ограничениями предела прочности на растяжение и сжатие наружного армирующего материала, выполненного в виде трубчатой (замкнутой в окружном направлении) гильзы с внутренней поверхностью в форме геликоида, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и зафиксированного внутри наружной трубы, выбираемого из совокупности отвержденных эластомеров, армированных стальной проволокой эластомеров, экструдированных пластиков, жидкокристаллических полимеров, композиционных материалов, армированных волокном, включая стекловолокно, медь, алюминий, сталь и их сочетания.
Давление бурового раствора, например, 30…50 МПа в многозаходных винтовых (шлюзовых) камерах между зубьями ротора и зубьями эластомерной обкладки разрушает (разрывает) наружный армирующий материал (поз. 215, 315, 415, 515) трубчатой гильзы с внутренней поверхностью в форме геликоида при выполнении стенок гильзы замкнутыми в окружном направлении. Это объясняется неизбежностью технологического зазора, например, упругого слоя эластомера или клея для обеспечения прочности (адгезии) между наружной поверхностью гильзы и внутренней поверхностью наружной трубы, вследствие этого не обеспечивается возможность прижатия давлением бурового раствора стенок трубчатой гильзы к внутренней поверхности наружной трубы.
Недостатком известного статора является неполная возможность повышения ресурса и надежности героторных гидравлических двигателей, увеличения момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимой осевой нагрузки за счет повышения предела усталостной выносливости гильзы, а также резиновой обкладки статора при знакопеременном изгибе с вращением, при многократном сжатии, повышения прочности крепления (адгезии) резиновой обкладки статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев в гильзе, увеличения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь путем обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ресурса и надежности героторных гидравлических двигателей, увеличение момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимой осевой нагрузки путем повышения предела усталостной выносливости гильзы, а также резиновой обкладки статора при знакопеременном изгибе с вращением, при многократном сжатии, повышения прочности крепления (адгезии) резиновой обкладки статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев в гильзе, а также повышения прочности крепления гильзы внутри наружной трубы за счет обеспечения эффекта "самоуплотнения" (внутри наружной трубы) трубчатой гильзы с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, действие которого возрастает с увеличением давления рабочей жидкости, а также за счет увеличения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь путем обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.
Другой технической задачей является снижение темпа падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на долоте за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения вероятности возникновения резонансных поперечных колебаний двигателя в скважине при осевых нагрузках, изменяемых при воздействии двигателя на забой, за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки, а также за счет компенсации повышения натяга в зацеплении рабочей пары от внутреннего нагрева и увеличения объема ("набухания") резины от воздействия бурового раствора.
Другой технической задачей является снижение стоимости статоров (типа Even wall) для героторных гидравлических двигателей, а также возможность изготовления статоров длиной 5-7 метров за счет изготовления гильз (без сварки) из секций с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, снабженных устройствами фиксации взаимного окружного положения, из литьевых сплавов, например, на основе чугуна или алюминия.
Сущность технического решения заключается в том, что в статоре винтовой героторной гидромашины, содержащем наружную трубу, установленную внутри нее гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, а также закрепленную в гильзе обкладку из эластомера, например из резины, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев гильзы, а центральные продольные оси ротора и гильзы смещены между собой на величину эксцентриситета, при этом наружная труба содержит по краям соединительные модули, ограничивающие осевое перемещение гильзы, согласно изобретению гильза выполнена с продольным пазом, проходящим через всю ее длину и толщину стенки, продольный паз заполнен эластомером, из которого формируется обкладка статора, максимальная ширина продольного паза равна толщине обкладки из эластомера вдоль радиально направленных внутрь винтовых зубьев, между торцами гильзы и соединительных модулей установлены опорные шайбы, а торцы гильзы, опорных шайб и, по меньшей мере, одного из соединительных модулей снабжены устройством фиксации их взаимного окружного положения.
Стенки продольного паза в гильзе расположены параллельно плоскости, проходящей через ее центральную продольную ось.
Стенки продольного паза в гильзе выполнены в форме геликоида, расположенного вдоль впадины между ее внутренними винтовыми зубьями.
г
Отношение толщины ΔR стенки гильзы вдоль впадин между ее внутренними винтовыми зубьями к внутреннему диаметру наружной трубы находится в пределах 0,065÷0,115.
г
вп
г
вп
Толщина ΔR стенки гильзы вдоль впадин между ее внутренними винтовыми зубьями и толщина Δ вдоль впадин между внутренними винтовыми зубьями в обкладке, выполненной из резины, связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)Δ.
T
г
T
г
Толщина стенки ΔR наружной трубы и толщина ΔR стенки гильзы вдоль впадин между ее внутренними винтовыми зубьями связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)ΔR.
Твердость обкладки с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из резины, составляет 60÷65 ед. Шор А.
Гильза выполнена в виде ряда ступеней, внутренние винтовые многозаходные зубья в каждой из которых являются продолжением внутренних винтовых многозаходных зубьев смежной ступени, а торцы ступеней снабжены устройством фиксации их взаимного окружного положения.
В заявляемой конструкции за счет того, что гильза выполнена с продольным пазом, проходящим через всю ее длину и толщину стенки, продольный паз заполнен эластомером, из которого формируется обкладка статора, максимальная ширина продольного паза равна толщине обкладки из эластомера вдоль радиально направленных внутрь винтовых зубьев, между торцами гильзы и соединительных модулей установлены опорные шайбы, а торцы гильзы, опорных шайб и, по меньшей мере, одного из соединительных модулей снабжены устройством фиксации их взаимного окружного положения, повышается ресурс и надежность героторных гидравлических двигателей, увеличивается момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимая осевая нагрузка путем повышения предела усталостной выносливости гильзы, а также резиновой обкладки статора при знакопеременном изгибе с вращением при многократном сжатии, повышения прочности крепления (адгезии) резиновой обкладки статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев в гильзе, а также повышения прочности крепления гильзы внутри наружной трубы за счет обеспечения эффекта "самоуплотнения" (внутри наружной трубы) трубчатой гильзы с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, действие которого возрастает с увеличением давления рабочей жидкости, а также за счет увеличения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь путем обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.
При этом заявляемая конструкция обеспечивает существенные преимущества, например максимальный темп набора кривизны скважины для героторного гидравлического двигателя, используемого для бурения наклонных скважин, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, за счет демпфирования, большей прочности, упругости и прямолинейности стенок (центральной продольной оси) корпуса, при использовании двигателя в колонне бурильных труб с гидравлическими ясами, с вращением (от ротора буровой) изогнутой колонны бурильных труб, с ударными нагрузками и ударными импульсами от гидравлических ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб.
Возможность использования двигателя в наклонных и горизонтальных скважинах обеспечивается за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, повышения усталостной выносливости гильзы и эластомерной обкладки, а также повышения прочности крепления гильзы внутри наружной трубы за счет большего предела упругости корпуса, сохранения и восстановления прямолинейности его стенок, воспринимающих реакции от регулятора угла и реактивного момента, скрепляемого с забойным двигателем при бурении изогнутой наклонной скважины, с нулевым натягом в рабочей паре ротор-статор при меньшем уровне контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения и за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.
Г
Г
вп
г
вп
T
г
T
г
В заявляемой конструкции за счет того, что гильза выполнена в виде ряда ступеней, внутренние винтовые многозаходные зубья в каждой из которых являются продолжением внутренних винтовых многозаходных зубьев смежной ступени, а торцы ступеней снабжены устройством фиксации их взаимного окружного положения, отношение толщины ARстенки гильзы вдоль впадин между ее внутренними винтовыми зубьями к внутреннему диаметру наружной трубы находится в пределах (0,065÷0,115), толщина ΔR стенки гильзы вдоль впадин между ее внутренними винтовыми зубьями и толщина Δ вдоль впадин между внутренними винтовыми зубьями в обкладке, выполненной из резины, связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)Δ, толщина стенки ΔR наружной трубы и толщина ΔR стенки гильзы вдоль впадин между ее внутренними винтовыми зубьями связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)ΔR, а твердость обкладки с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из резины, составляет 60÷65 ед. Шор А, обеспечивается повышенная прочность крепления (адгезия) резиновой обкладки статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев в гильзе, увеличиваются пределы усталостной выносливости гильзы, а также обкладки при знакопеременном изгибе с вращением, при многократном сжатии за счет "самоуплотнения" трубчатой гильзы с внутренними винтовыми многозаходными зубьями внутри наружной трубы, действие которого возрастает с увеличением давления рабочей жидкости, а также за счет компенсации повышения натяга в зацеплении рабочей пары от внутреннего нагрева и увеличения объема ("набухания") резины от воздействия бурового раствора.
При этом снижается стоимость гильз с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, обеспечивается возможность изготовления статоров длиной 5÷7 метров из гильз (без сварки) с устройствами фиксации их взаимного окружного положения при изготовлении гильз из литьевых сплавов, например из чугуна или алюминия, улучшается демпфирование перекашивающих моментов ротора, а также обеспечиваются: меньший уровень вибраций, повышенная плавность хода, повышенная стойкость (абразивная и в среде нефтепродуктов), высокая упругость, эластичность и надежность уплотнения рабочей пары ротор-статор в режиме максимальной мощности.
Ниже представлен лучший вариант конструкции статора для винтового героторного гидравлического двигателя ДРУ-195РС с числом заходов (отношением числа зубьев ротора и статора) 6/7, наружным диаметром 195 мм и длиной обкладки статора 5 метров.
На фиг.1 показан продольный разрез статора винтового героторного двигателя с гильзой (или с гильзами) и обкладкой из эластомера.
На фиг.2 показан продольный разрез статора винтового героторного двигателя с гильзами, устройствами фиксации их взаимного окружного положения, опорными шайбами и соединительными модулями (до формования обкладки из эластомера).
На фиг.3 показана гильза с внутренними винтовыми многозаходными зубьями с устройством фиксации окружного положения (паз и выступ на торцах) до прорезки продольного паза.
На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.1 поперек статора и ротора винтового героторного двигателя.
На фиг.5 показан разрез Б-Б на фиг.2 поперек статора винтового героторного двигателя (до формования обкладки из эластомера).
Статор винтовой героторной гидромашины содержит наружную трубу 1, установленную внутри нее гильзу 2 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3, а также закрепленную в гильзе 2 обкладку 4 из эластомера, например из резины, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья 5, предназначенные для размещения ротора 6, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями 7, число зубьев 7 ротора 6 на единицу меньше числа зубьев 3 гильзы 2, а центральные продольные оси 8 и 9, соответственно ротора 6 и гильзы 2 смещены между собой на величину эксцентриситета 10, при этом наружная труба 1 содержит по краям 11, 12 соединительные модули, соответственно 13, 14, ограничивающие осевое перемещение гильзы 2, показано на фиг.1, 2, 4.
Гильза 2 выполнена с продольным пазом 15, проходящим через всю ее длину 16 и толщину 17 стенки, продольный паз 15 заполнен эластомером 18, из которого формируется обкладка 4 статора, максимальная ширина продольного паза 15 равна толщине 19 обкладки 4 из эластомера вдоль радиально направленных внутрь винтовых зубьев 5, между торцами 20, 21 гильзы 2 и соединительных модулей 13, 14 установлены опорные шайбы, соответственно 22, 23, а торцы 20, 21 гильзы 2 (выполненной на длине 16), а также торцы 24, 25 опорной шайбы 22, а также торец 26 одного из соединительных модулей 13 снабжены, каждые, устройством фиксации их взаимного окружного положения, по существу, пазами 27 и соответственно выступами 28 на их торцах, показано на фиг.1, 2, 3.
При этом торец 29 опорной шайбы 23 и торец 30 соединительного модуля 14 выполнены гладкими для обеспечения моментной затяжки резьбового соединения 31, показано на фиг.2.
Гильза 2 может быть выполнена в виде ряда ступеней, например, из трех гильз 32, 33, 34, при этом внутренние винтовые многозаходные зубья 3 в каждой из гильз 32, 33, 34 являются продолжением внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 смежной ступени, а торцы ступеней гильз 32, 33, 34 снабжены устройством фиксации их взаимного окружного положения, по существу, пазами 27 и соответственно выступами 28 на их торцах, показано на фиг.1, 2, 3.
Стенки 35, 36 продольного паза 15 в гильзе 2 (или в гильзах 32, 33, 34) расположены параллельно плоскости 37, проходящей через ее центральную продольную ось 9, показано на фиг.2, 5.
Стенки 35, 36 продольного паза 15 в гильзе 2 (или в гильзах 32, 33, 34) могут быть выполнены в форме геликоида, расположенного вдоль впадины 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 (форма геликоида не показана), показано на фиг.2, 5.
г
Отношение толщины стенки 39, ΔR гильзы 2 (или гильз 32, 33, 34) вдоль впадин 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 к внутреннему диаметру 40 наружной трубы 1 находится в пределах (0,065÷0,115), показано на фиг.5.
г
вп
г
вп
Толщина стенки 39, AR гильзы 2 (или гильз 32, 33, 34) вдоль впадин 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 и толщина 41, Δ вдоль впадин между внутренними винтовыми зубьями 5 в обкладке 4, выполненной из резины, связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)Δ, показано на фиг.4, 5.
т
г
т
г
Толщина стенки 42, ΔR наружной трубы 1 и толщина стенки 39, ΔRгильзы 2 (или гильз 32, 33, 34) вдоль впадин 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)ΔR, показано на фиг.5.
Твердость обкладки 4 с внутренними винтовыми зубьями 5, выполненной из резины, составляет 60-65 ед. Шор А, показано на фиг.4.
Кроме того, на фиг.1, 4 показано: поз.43 - направление потока рабочей жидкости (бурового раствора); поз.44 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями 7 ротора 6 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4.
Конструкция статора при ее использовании в винтовом героторном гидравлическом двигателе работает следующим образом: поток бурового раствора 43 под давлением, например, 25…35 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 44 между зубьями 7 ротора 6 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4, закрепленной в гильзе 2, образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 6 внутри эластомерной обкладки 4, закрепленной в гильзе 2.
Винтовые зубья 5 эластомерной обкладки 4, закрепленной в гильзе 2, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 6 внутри статора.
3
Винтовые (шлюзовые) камеры 44 между зубьями 7 ротора 6 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 43 бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.
Обкладка 4, выполненная из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 6 - обкладка 4) нулевого натяга контактное давление составляет 3÷5 МПа, скорость скольжения 0,5÷3,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 50 МПа.
При выполнении статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя таким образом, что гильза 2 выполнена с продольным пазом 15, проходящим через всю ее длину 16 и толщину 17 стенки, продольный паз 15 заполнен эластомером 18, из которого формируется обкладка 4 статора, максимальная ширина продольного паза 15 равна толщине 19 обкладки 4 из эластомера вдоль радиально направленных внутрь винтовых зубьев 5, между торцами 20, 21 гильзы 2 и соединительных модулей 13, 14 установлены опорные шайбы, соответственно 22, 23, а торцы 20, 21 гильзы 2 (выполненной на длине 16), а также торцы 24, 25 опорной шайбы 22, а также торец 26 одного из соединительных модулей 13 снабжены, каждые, устройством фиксации их взаимного окружного положения, по существу, пазами 27 и соответственно выступами 28 на их торцах, повышается ресурс и надежность, увеличивается момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимая осевая нагрузка путем повышения предела усталостной выносливости гильзы 2, а также резиновой обкладки 4 статора при знакопеременном изгибе с вращением, при многократном сжатии, повышения прочности крепления (адгезии) резиновой обкладки 4 статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев 3 в гильзе 2, а также повышения прочности крепления гильзы 2 внутри наружной трубы 1 за счет обеспечения эффекта "самоуплотнения" (внутри наружной трубы 1) трубчатой гильзы 2 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3, действие которого возрастает с увеличением давления рабочей жидкости 43, а также за счет увеличения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь путем обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев 5 обкладки 4 и зубьев 7 ротора 6, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер 44 между зубьями 7 ротора 6 и зубьями 5 обкладки 4.
Одним из факторов, определяющих нагрузки, например, в шарнирных узлах карданного вала, соединенных с ротором 6 героторного гидравлического двигателя и шпинделем, оказывающих влияние на стойкость и эффективность работы долота, являются интенсивные поперечные колебания, обусловленные отличиями конструкции винтовых забойных двигателей от других типов забойных двигателей, например турбобуров.
p
p
Ротор 6, расположенный в обкладке 4 наружной трубы 1 эксцентрично с величиной эксцентриситета 10, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 8 и обращение относительно оси 9 наружной трубы 1 с частотой в Z раз больше частоты вращения вала двигателя (карданного вала, вала шпинделя), где Z - число зубьев ротора 6, показано на фиг.4.
Основными причинами поперечных колебаний винтового забойного двигателя, соединенного с валом шпинделя карданным валом, являются инерционные силы вращающегося с высокой частотой и значительным эксцентриситетом массивного ротора 6 и действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 6.
p
Основная частота колебаний двигателя всегда совпадает с частотой вращения ротора, по существу, всегда в Z раз больше частоты вращения вала (ротора) двигателя. Качественных отличий характера резонансных режимов для всех типоразмеров гидравлических забойных двигателей нет.
Собственные частоты колебаний винтовых забойных двигателей находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 45÷145 кН.
В процессе бурения скважин с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости, например, при плавном увеличении или снижении нагрузки от 45 до 145 кН и обратно механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).
Амплитуда колебаний корпуса винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора 6 винтового забойного двигателя увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также многократно снижается механическая скорость проходки скважины.
При выполнении статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя таким образом, что гильза 2 выполнена в виде ряда ступеней, например, из трех гильз 32, 33, 34, при этом внутренние винтовые многозаходные зубья 3 в каждой из гильз 32, 33, 34 являются продолжением внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 смежной ступени, а торцы ступеней гильз 32, 33, 34 снабжены устройством фиксации их взаимного окружного положения, по существу, пазами 27 и соответственно выступами 28 на их торцах, при этом стенки 35, 36 продольного паза 15 в гильзе 2 (или в гильзах 32, 33, 34) расположены параллельно плоскости 37, проходящей через ее центральную продольную ось 9, или стенки 35, 36 продольного паза 15 в гильзе 2 (или в гильзах 32, 33, 34) выполнены в форме геликоида, расположенного вдоль впадины 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 (форма геликоида не показана), обеспечивается синхронизация работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями 7 ротора 6 и обкладки 4 для двигателей с разным числом заходов, например с заходностью 6/7, увеличивается ресурс, надежность, максимальная мощность, момент силы в режиме максимальной мощности при заданной частоте вращения и расходе рабочей жидкости, что обеспечивает экономические преимущества при бурении нефтяных и газовых скважин.
г
г
вп
г
вп
T
г
т
г
При выполнении статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя таким образом, что отношение толщины стенки 39, AR гильзы 2 (или гильз 32, 33, 34) вдоль впадин 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 к внутреннему диаметру 40 наружной трубы 1 находится в пределах (0,065÷0,115), толщина стенки 39, ΔRгильзы 2 (или гильз 32, 33, 34) вдоль впадин 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 и толщина 41, Δ вдоль впадин между внутренними винтовыми зубьями 5 в обкладке 4, выполненной из резины, связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)Δ, толщина стенки 42, ΔR наружной трубы 1 и толщина стенки 39, ΔR гильзы 2 (или гильз 32, 33, 34) вдоль впадин 38 между ее внутренними винтовыми зубьями 3 связаны соотношением ΔR=(1,5÷2,2)ΔR, при этом твердость обкладки 4 с внутренними винтовыми зубьями 5, выполненной из резины, составляет 60÷65 ед. Шор А, обеспечивается повышенная прочность крепления (адгезия) резиновой обкладки 4 статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев 3 в гильзе 2, увеличиваются пределы усталостной выносливости гильзы 2, а также обкладки 4 при знакопеременном изгибе с вращением, при многократном сжатии за счет "самоуплотнения" трубчатой гильзы 2 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3 внутри наружной трубы 1, действие которого возрастает с увеличением давления рабочей жидкости 43, а также за счет компенсации повышения натяга в зацеплении рабочей пары от внутреннего нагрева и увеличения объема ("набухания") резиновой обкладки 4 от воздействия бурового раствора 43.
Например, при числе 7,1 шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 5 в гильзе 2, расходе рабочей жидкости 25÷35 л/с, частоте вращения ротора 160 об/мин перепад давления (для режима максимально допустимого дифференциального перепада) составляет 7,3÷9,7 МПа, при этом максимальная мощность составляет 182 кВт, момент силы в режиме максимальной мощности составляет 12,5 кН·м, осевая нагрузка составляет 300 кН, а при достижении частоты колебаний ω=59 рад/с наступает режим резонанса, амплитуда колебаний составляет ≈0,43 мм, при этом до использования существенных признаков заявляемого статора винтового забойного двигателя амплитуда колебаний составляла ≈3,87 мм.
При этом снижаются гидромеханические потери за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, что обеспечивает наибольшее снижение амплитуды колебаний корпуса винтового забойного двигателя в условиях резонанса, обеспечивает наилучший эффект демпфирования поперечных колебаний ротора винтового забойного двигателя на других режимах работы.
При использовании конструкции статора повышается ресурс рабочей пары ротор-статор на 33÷53%, а механическая скорость на 42÷55% больше. За счет увеличения ресурса и механической скорости проходка скважин на рабочую пару ротор-обкладка статора увеличивается в 1,25÷1,55 раза, обеспечивается максимальный темп набора кривизны при бурении наклонных скважин, а также повышается надежность при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении.