ВИНТОВАЯ ГИДРОМАШИНА С ПЕРЕМЕННЫМ НАТЯГОМ ЗУБЬЕВ
SCREW HYDRAULIC MACHINE WITH VARIABLE TEETH TENSION

Изобретение относится к винтовым героторным гидромашинам, применяемым в качестве винтовых двигателей, вращение ротора с долотом в которых осуществляется насосной подачей текучей среды, 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.
Известен винтовой забойный двигатель (см. книгу «Винтовые забойные двигатели», стр. 16-28, М.: Недра, 1999 г., авторы Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых), содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев.
Недостатком данного забойного двигателя является то, что при проходке пород повышенной твердости эффективность процесса углубления скважины снижается, при уменьшении механической скорости бурения, вследствие статического характера осевой силы, передаваемой от ротора двигателя на долото.
Известен винтовой забойный двигатель, патент №2299966, опубликованный 27.05.2007 г., бюл. №15, автор Шардаков М.В., содержащий опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. В данном двигателе, по меньшей мере, один винтовой зуб ротора или статора имеет, в крайнем случае, один поперечный канал, служащий для периодического протока рабочей текучей среды между соседними впадинами винтового зуба при работе двигателя. Поперечные каналы выполнены с одной стороны ротора или статора и расположены вдоль оси двигателя. При работе двигателя поперечные каналы ротора или статора периодически перекрываются, вызывая пульсирующую осевую нагрузку на роторе двигателя, передаваемую на долото при одновременном увеличении расхода и возникновении пульсации давления рабочей текучей среды для улучшения промывки забоя. Помимо этого данный двигатель имеет увеличенную надежность запуска после его остановки в скважине. Снижается закупоривание полостей между ротором и статором песком или материалами для борьбы с поглощением бурового раствора, которые свободно проходят через поперечные каналы при остановке двигателя. Недостатком данного забойного двигателя является малая величина периодической осевой силы, передаваемой от ротора двигателя на долото.
Известен винтовой забойный двигатель, выполненный по патенту №2305743, опубликованному 10.09.2007 г., бюл. №25, авторы Шардаков М.В., Лузгин С.А., содержащий двигательную секцию, скрепленную соединительным переводником со шпиндельной секцией, состоящей из корпуса, полого выходного вала, верхней полумуфты, соединенной с полым выходным валом и имеющей окна для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал, осевой опоры, верхней и нижней радиальных опор, установленных с зазором и с возможностью вращения полого выходного вала. Соединительный переводник двигателя установлен с радиальным зазором напротив окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал и выполнен с внутренними каналами и с возможностью периодического перекрывания окон при работе двигателя. При вращении полого выходного вала в процессе бурения соединительный переводник внутренней поверхностью периодически перекрывает поток рабочей текучей среды через окна, вызывая резкие изменения скорости потока и создавая волны давления (гидравлические удары) потока рабочей текучей среды в зоне соединительного переводника. Периодическое изменение давления в зоне соединительного переводника вызывает периодическое изменение перепада давления в двигательной секции и соответственно периодическое изменение гидравлической выталкивающей силы, действующей на ротор, что в свою очередь вызывает через торсион, верхнюю полумуфту, и полый выходной вал возникновение периодических ударов долота на забой.
Данный забойный двигатель обеспечивает повышенную производительность бурения за счет лучшей промывки забоя от шлама, пульсирующей рабочей текучей средой при поступлении ее к долоту в виде волновых порций, создающих импульсные гидравлические удары в зоне бурения
Недостатком данного забойного двигателя является малая величина периодической осевой силы, передаваемой от ротора двигателя на долото.
Известна компоновка низа бурильной колонны, выполненная по патенту №93868, опубликованному 10.05.2010 г., бюл. №13, авторы Селиванов С.М., Воробьев В.Г., Захаров Ю.В., содержащая долото, гидравлический забойный двигатель, бурильные трубы, и дополнительно снабженная вибратором, расположенным в корпусе долота, и амортизатором, установленным между вибратором и гидравлическим забойным двигателем.
Недостатком такой компоновки является усложнение конструкции двигателя.
Недостатки присутствуют при работе и при остановке вышеупомянутых гидромашин в скважине. В текучей среде, проходящей через винтовую гидромашину, присутствуют частицы песка или, например, частицы материалов для борьбы с поглощением бурового раствора. Поверхности зубьев ротора и статора на протяжении своей длины при работе гидромашины (фиг. 7) образуют между собой непрерывное пятно 11 контакта. Это вызывает вытеснение из пятна 11 контакта зубьев текучей среды, производящей смазку зубьев. В непрерывном пятне контакта возникает режим сухого трения зубьев ротора и статора, приводящий к их катастрофическому износу. Также возникает и проблема закупоривания полостей гидромашины песком или материалами для борьбы с поглощением бурового раствора. Концентрация частиц в текучей среде во время остановки двигателя или насоса иногда станет такой высокой, что становится невозможно без разрушения эластомера зубьев статора вновь запустить двигатель или насос после простаивания в скважине. При отсутствии зазоров в уплотнениях полостей при остановке двигателя или насоса в скважине винтовая гидромашина действует как фильтр для осаждающихся частиц.
Прототип винтовой гидромашины предлагаемого изобретения автору не известен.
Целью настоящего изобретения является создание винтовой гидромашины, в которой устранены указанные недостатки и которая в режиме работы двигателя обеспечивает повышение эффективности бурения за счет периодического принудительного осевого перемещения ротора, соединенного с долотом в сторону забоя. Целью является также увеличение надежности запуска гидромашины после остановки гидромашины в скважине. Целью является и увеличение долговечности гидромашины при работе как в качестве двигателя, так и насоса.
Указанная цель решается за счет того, что в винтовой гидромашине, например, двигателе для вращения от насосной подачи текучей среды ротора, соединенного с долотом, или насосе для подачи текучей среды за счет вращения ротора, содержащей статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, шаг зубьев ротора равен шагу зубьев статора, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, зубья ротора и (или) статора на своем протяжении имеют гармоническое изменение угла наклона винтовой линии, при этом развертка одного витка одноименных точек поверхностей зубьев на плоскости, например вершин зубьев, представляет собой равноудаленные на шаг зубьев, в направлении оси гидромашины, вытянутые синусоиды, причем их длина кратна одному их периоду и, по меньшей мере, равна ему, а амплитуда составляет 0,001-0,25 радиальной высоты зубьев.
Отличительными признаками предлагаемой винтовой гидромашины является следующее.
В винтовой гидромашине, например двигателе, для вращения от насосной подачи текучей среды ротора, соединенного с долотом, или насосе для подачи текучей среды за счет вращения ротора, содержащей статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, шаг зубьев ротора равен шагу зубьев статора, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, зубья ротора и (или) статора на своем протяжении имеют гармоническое изменение угла наклона винтовой линии, при этом развертка одного витка одноименных точек поверхностей зубьев на плоскости, например вершин зубьев, представляет собой равноудаленные на шаг зубьев, в направлении оси гидромашины, вытянутые синусоиды, причем их длина кратна одному их периоду и, по меньшей мере, равна ему, а амплитуда составляет 0,001-0,25 радиальной высоты зубьев.
При таком выполнении гидромашины и работе ее в режиме двигателя повышается эффективность бурения за счет периодического принудительного осевого перемещения ротора, соединенного с долотом в сторону забоя. Увеличивается надежность запуска гидромашины после остановки гидромашины в скважине. Также увеличивается долговечность гидромашины при работе как в качестве двигателя, так и насоса.
Винтовая гидромашина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-9.
На фиг. 1 показан продольный разрез винтовой гидромашины (вариант винтового забойного двигателя).
На фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1, поперечный разрез ротора и статора винтовой гидромашины.
На фиг. 3 показана развертка витка одноименных точек поверхностей зубьев ротора (статора) на плоскости с началом развертки в точках перегиба синусоид и длиной синусоид равной одному их периоду (амплитуда D синусоид 9 на чертежах непропорционально увеличена для наглядности).
На фиг. 4 показана развертка витка одноименных точек поверхностей зубьев ротора (статора) на плоскости с началом развертки в точках вершин синусоид и длиной синусоид, равной одному их периоду.
На фиг. 5 показан продольный разрез ротора и статора винтовой гидромашины при совпадении противолежащих одноименных точек профилей зубьев ротора с точками вершин синусоид.
На фиг. 6 показан продольный разрез ротора и статора винтовой гидромашины при повороте оси ротора относительно оси статора на 180 градусов относительно положения, изображенного на фиг. 5.
На фиг. 7 показана условная развертка зуба статора с пятном контакта зубьев при постоянном угле наклона винтовой линии зубьев ротора и статора.
На фиг. 8 показана условная развертка поверхности зуба статора с пятном контакта зубьев при гармоническом изменении угла наклона зубьев ротора и (или) статора.
На фиг. 9 показана развертка витка одноименных точек поверхностей зубьев ротора (статора) на плоскости, с гармоническим изменением угла наклона зубьев, с началом развертки в точках перегиба синусоид и длиной синусоид, равной двум их периодам.
Винтовая гидромашина, например двигатель (фиг. 1), для вращения от насосной подачи текучей среды ротора 1, соединенного с долотом 10, или насос для подачи текучей среды за счет вращения ротора 1 содержит статор 2 с внутренними винтовыми зубьями 3, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной, и ротор 1 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых на единицу меньше числа зубьев 3 статора 2, причем ось О1-О1 ротора смещена относительно оси О-О статора на величину эксцентриситета Е (фиг. 2), равную половине радиальной высоты Н зубьев 3, 4, шаг tp (фиг. 1) зубьев 4 ротора 1 равен шагу tст зубьев 3 статора 2, а ходы tp, tст винтовых зубьев 4, 3 ротора 1 и статора 2 пропорциональны их числам зубьев, зубья 3, 4 ротора 1 и (или) статора 2 на своем протяжении имеют (фиг. 3, 4, 9) гармоническое изменение угла наклона винтовой линии, при этом развертка витка одноименных точек поверхностей зубьев 3, 4 на плоскости, например вершин 5, 6 зубьев 3, 4, представляет собой равноудаленные на шаг tp, tст зубьев 3, 4 в направлении оси О-О гидромашины вытянутые синусоиды 9, причем их длина кратна одному их периоду L и, по меньшей мере, равна ему, а амплитуда D составляет 0,001-0,25 радиальной высоты Н зубьев 3, 4.
Описание работы приведено для винтовой гидромашины с левым направлением зубьев.
При работе гидромашины в качестве винтового двигателя работа происходит следующим образом: поток текучей среды под давлением по колонне бурильных труб (не показаны) подается (фиг. 1, 2) в винтовые полости 13, образованные винтовыми зубьями 3 статора 2 и винтовыми зубьями 4 ротора 1. Под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 1 приводится во вращение, при этом его ось О1-O1 вращается вокруг оси О-О статора 2 против часовой стрелки по окружности радиусом, равным эксцентриситету Е, а сам ротор 1 поворачивается относительно своей оси О1-O1 по часовой стрелке с уменьшенной в число зубьев 4 ротора 1 раз угловой скоростью.
При работе гидромашины в качестве винтового насоса работа происходит следующим образом: ротор 1 (фиг. 2) 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 13, образованные винтовыми зубьями 3 статора 2 и винтовыми зубьями 4 ротора 1, при вращении ротора 1 перемещаются вдоль статора 2 в сторону дневной поверхности, при этом перемещая перекачиваемую текучую среду вдоль статора 2. Ось О1-O1 ротора 1 в этом случае вращается по часовой стрелке вокруг оси О-О статора 2 с увеличенной в число зубьев 4 ротора 1 раз угловой скоростью относительно угловой скорости вращения ротора 1.
При выполнении гидромашины, когда только зубья статора на своем протяжении имеют гармоническое изменение угла наклона, винтовая гидромашина работает следующим образом.
1
1
1
1
Вершины (фиг. 2) зубьев 4 ротора 1 под действием сложения инерционных сил, связанных с вращением оси O-O ротора 1 вокруг оси О-О статора 2 и гидравлических сил, возникающих от рабочего давления текучей среды в полостях двигателя, самоустанавливаются во впадины 8 зубьев 3 статора 2. При обкатке зубьев 4 ротора 1 по впадинам 8 зубьев 3 статора 2 ротор 1 получает принудительное периодическое осевое перемещение R (фиг. 5, 6), пропорциональное проекции (фиг. 3, 4) двойной амплитуды D синусоиды 9 на ось O-O ротора 1. При этом ротор 1 за один свой оборот относительно статора получает число принудительных осевых перемещений в сторону забоя, равное произведению количества периодов синусоиды, размещенных на одном витке зуба статора, на число зубьев ротора.
Обеспечивается повышение эффективности бурения за счет периодического принудительного осевого перемещения ротора, соединенного с долотом в сторону забоя.
При выполнении гидромашины, когда только зубья ротора на своем протяжении имеют гармоническое изменение угла наклона, винтовая гидромашина работает следующим образом.
1
1
Вершины (фиг. 2) зубьев 4 ротора 1 под действием сложения инерционных сил, связанных с вращением оси O-О ротора 1 вокруг оси О-О статора 2 и гидравлических сил, возникающих от рабочего давления текучей среды в полостях двигателя, самоустанавливаются во впадины 8 зубьев 3 статора 2. При обкатке зубьев 4 ротора 1 по впадинам 8 зубьев 3 статора 2 ротор 1 получает принудительное периодическое осевое перемещение R (фиг. 5, 6), пропорциональное проекции (фиг. 3, 4, 9) двойной амплитуды D синусоиды 9, на ось ротора. При этом ротор 1 за один свой оборот относительно статора получает число принудительных осевых перемещений в сторону забоя, равное количеству периодов синусоиды, размещенных на одном витке его зуба.
В этом случае также обеспечивается повышение эффективности бурения за счет периодического принудительного осевого перемещения ротора, соединенного с долотом в сторону забоя.
При выполнении гидромашины, когда зубья статора и зубья ротора на своем протяжении имеют гармоническое изменение угла наклона, винтовая гидромашина работает следующим образом.
1
1
Вершины зубьев 4 ротора 1 под действием сложения инерционных сил, связанных с вращением оси O-O ротора 1 вокруг оси О-О статора 2 и гидравлических сил, возникающих от рабочего давления текучей среды в полостях двигателя, самоустанавливаются во впадины 8 зубьев 3 статора 2. При обкатке зубьев 4 ротора 1 по впадинам 8 зубьев 3 статора 2 ротор 1 получает сумму принудительных осевых перемещений в сторону забоя предыдущих двух исполнений, описанных выше. При этом зубья ротора и статора на протяжении своей длины при работе гидромашины образуют между собой прерывающееся пятно 11 контакта (фиг. 8). Это уменьшает вытеснение из пятен контакта зубьев текучей среды, производящей смазку зубьев. При этом уменьшается риск возникновения режима сухого трения зубьев ротора и статора, приводящего к их катастрофическому износу. Боковой натяг зубьев на протяжении контакта зубьев вдоль их длины меняет величину (фиг. 8), периодически переходя в зазоры 12. Большинство частиц песка, частиц материалов для борьбы с поглощением бурового раствора проходят через зазоры 12. При этом увеличивается надежность запуска гидромашины, при снижении закупоривания (зашламовывания) полостей 13 между зубьями 4 ротора 1 и зубьями 3 статора 2, после остановки гидромашины в скважине, и также при холостой работе гидромашины в качестве двигателя, в режиме промывки скважины при снятии нагрузки с долота.