Одновинтовая гидромашина

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к одновинтовым гидравлическим машинам в виде винтовых забойных двигателей и винтовых насосов. Одновинтовая гидромашина включает статор с внутренними винтовыми зубьями 2 и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4. Статор содержит полый корпус 5 с концевыми резьбовыми переходами 6 и 7, установленную в нем трубчатую оболочку 8 с внутренними и наружными винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера 11. Оболочка 8 установлена в корпусе 5 с образованием винтовых камер между внутренней поверхностью корпуса 5 и поверхностями впадин наружных винтовых зубьев оболочки 8. Число камер равно числу зубьев 2 статора. Оболочка 8 имеет окна 14, соединяющие винтовые камеры с внутренней поверхностью оболочки 8. Пространство окон 14 оболочки 8 и пространство камер заполнены эластомером 11. Эластомер 11 прикреплен к поверхностям окон 14 оболочки 8, внутренней поверхности корпуса 5 и поверхностям впадин наружных винтовых зубьев оболочки 8. Изобретение направлено на повышение надежности одновинтовой гидромашины при эксплуатации, на упрощение конструкции и технологии изготовления. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области горного дела, к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к одновинтовым гидромашинам в виде винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, винтовых насосов для добычи нефти и перекачивания жидкостей и также винтовых гидромоторов общего назначения.

Известна одновинтовая гидромашина в виде винтового забойного двигателя (см. книгу «Винтовые забойные двигатели», стр.16-28. М.: Недра, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых), содержащего 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. Ось ротора двигателя 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 двигателя является неравномерная толщина эластомерной обкладки статора с увеличением толщины эластомера в выступах зубьев статора по отношению к впадинам статора. Это приводит при работе двигателя к неравномерному тепловому расширению эластомерного зуба статора по отношению к впадине статора и повышенному разогреву глубинных слоев эластомера в выступах статора за счет низкого коэффициента теплопроводности эластомера. В нагретых внутренних слоях зубьев продолжается процесс вулканизации эластомера, изменяющий его физические свойства, упругость переходит в хрупкость. В конце концов, различие в свойствах вызывает появление трещин и последующее разрушение эластомера, что значительно уменьшает ресурс работы двигателя.

В современных конструкциях статоров внутренняя сторона стального корпуса статора облицовывается неравномерным по толщине слоем эластомера. Эта неравномерность толщины эластомера затрудняет отвод тепла, приводит к неравномерному расширению эластомера в статоре с нарушением геометрии зацепления. Рабочая нагрузка на зубья статора приводит к изгибу эластомерных зубьев и нарушению профиля зубьев при работе двигателя, заклиниванию зубьев ротора относительно эластомерных зубьев статора при повышении рабочего момента, при этом значительно уменьшается КПД двигателя.

Известна также конструкция одновинтовой гидромашины в виде винтового забойного двигателя, содержащего так называемый «металлический» статор с постоянной толщиной эластомерной обкладки (см. книгу «Винтовые забойные двигатели», стр.200. М.: Недра, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых). В этом двигателе внутренняя поверхность корпуса статора спрофилирована механической обработкой, а приклеенная эластомерная обкладка равномерна по толщине. Однако широкого распространения эти винтовые забойные двигатели не получили в связи с высокой технологической стоимостью изготовления внутренних металлических зубьев статора.

Известна одновинтовая гидромашина (патент №2283442, приоритет от 11.02.2005 г., авторы В.Н.Андоскин, А.К.Кобелев, Ю.Е.Кириевский), статор которой содержит полый корпус, установленную в нем статорную гильзу, образующую с корпусом изолированную от внешней среды кольцевую полость. В гильзе закреплена обкладка с винтовыми зубьями, выполненная из упругоэластичного материала. Корпус выполнен составным из статорной секции и, по меньшей мере, из двух трубчатых секций, соединенных с гильзой, выполненной в виде трубчатой оболочки с наружными и внутренними винтовыми зубьями, скрепленной каждым краем, например торцом, с двумя краями, например с торцами статорной и трубчатой секции корпуса при помощи кольцевого сварного шва. Кольцевая полость между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки и статорной секцией полого корпуса, заполнена твердым, например, металлом и(или) упругоэластичным материалом, и(или) жидкостью, и(или) газом.

Недостатком данной одновинтовой гидромашины является крепление к корпусу при помощи кольцевого сварочного шва только краев статорной гильзы, выполненной в виде трубчатой оболочки с наружными и внутренними винтовыми зубьями и выполнение корпуса составным с использованием кольцевых сварочных швов. Заполнение, например, металлом или упругоэластичным материалом кольцевой полости между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки и статорной секцией полого корпуса недостаточно закрепляет статорную гильзу в корпусе и служит в основном опорой статорной гильзе для уменьшения амплитуды ее периодического изгиба при работе машины с целью увеличения ресурса усталостной прочности рабочей гильзы. При высоких рабочих моментах, создаваемых при работе данной одновинтовой гидромашины, в условиях циклических нагрузок и вибрации при работе долота, периодических упругих изгибов корпуса статора при прохождении искривленных участков скважины, в большинстве случаев при малом ресурсе работы, происходит разрушение кольцевых сварочных швов по краям статорной гильзы и отказ в работе одновинтовой гидромашины.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является известная (патент №2318135, опубликован 27.02.2008 г., приоритет 04.05.2006 г., авторы В.Н.Андоскин, С.П.Астафьев, М.А.Пушкарев и др.) одновинтовая гидромашина, статор которой содержит полый корпус, трубчатую оболочку с внутренними и наружными винтовыми зубьями, которая расположена внутри полого корпуса, обкладку из эластомера, которая расположена внутри трубчатой оболочки и скреплена с ее внутренними винтовыми зубьями, а также винтовые демпферы из эластомера, которые расположены в винтовых каналах между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки, при этом трубчатая оболочка с внутренними и наружными винтовыми зубьями, а также с обкладкой и винтовыми демпферами из эластомера, установлена внутри полого корпуса с образованием кольцевой камеры между ее наружными винтовыми зубьями, наружной поверхностью винтовых демпферов и внутренней поверхностью полого корпуса, а в кольцевой полости размещена демпферная обкладка из эластомера, скрепленная с внутренней поверхностью полого корпуса, винтовыми демпферами и наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки.

Недостатком данной одновинтовой гидромашины является технологическая сложность крепления винтовых демпферов из эластомера к поверхности винтовых каналов между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки. При этом трубчатая оболочка закрепляется относительно полого корпуса лишь поверхностью наружных винтовых зубьев, скрепленных с демпферной обкладкой, которая в свою очередь скреплена с внутренней поверхностью полого корпуса. При работе данной одновинтовой гидромашины в результате длительных циклических нагрузок чаще всего происходит разрушение крепления между демпферной обкладкой из эластомера и наружными винтовыми зубьями, при этом освобожденная от крепления трубчатая оболочка продольно перемещается относительно винтовых демпферов, скрепленных с демпферной обкладкой из эластомера, которая в свою очередь скреплена с внутренней поверхностью полого корпуса, что вызывает отказ в работе одновинтовой гидромашины.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения ресурса и надежности одновинтовой гидромашины при эксплуатации, упрощение технологии изготовления, увеличение рабочего момента и КПД одновинтовой гидромашины.

Этот технический результат достигается тем, что одновинтовая гидромашина, содержит статор с внутренними винтовыми зубьями 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, при этом статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем трубчатую оболочку с внутренними и наружными винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в одновинтовой гидромашине трубчатая оболочка установлена в корпусе с образованием винтовых камер между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностями впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки, причем число камер равно числу зубьев статора, трубчатая оболочка имеет окна, соединяющие винтовые камеры с внутренней поверхностью трубчатой оболочки, пространство окон трубчатой оболочки и пространство камер заполнены эластомером, при этом эластомер прикреплен к поверхностям окон трубчатой оболочки, внутренней поверхности полого корпуса и поверхностям впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки.

Технический результат сохраняется, когда сечения окон трубчатой оболочки имеют круглую форму.

Технический результат также сохраняется, когда окна трубчатой оболочки имеют продолговатую форму.

Технический результат сохраняется также, когда окна трубчатой оболочки выполнены винтовыми и когда при этом направления винтовых окон трубчатой оболочки и направления винтовых внутренних зубьев трубчатой оболочки пересекаются или совпадают.

Технический результат сохраняется, когда при этом кромки, образованные пересечением поверхностей окон трубчатой оболочки с наружной и внутренней поверхностями трубчатой оболочки, скруглены.

Отличительными признаками предлагаемой одновинтовой гидромашины от указанной выше, наиболее близкой к ней, являются следующие.

Во-первых, одновинтовая гидромашина содержит статор с внутренними винтовыми зубьями 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, при этом статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем трубчатую оболочку с внутренними и наружными винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, в одновинтовой гидромашине трубчатая оболочка установлена в корпусе с образованием винтовых камер между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностями впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки, причем число камер равно числу зубьев статора, трубчатая оболочка имеет окна, соединяющие винтовые камеры с внутренней поверхностью трубчатой оболочки, пространство окон трубчатой оболочки и пространство камер заполнены эластомером, при этом эластомер прикреплен к поверхностям окон трубчатой оболочки, внутренней поверхности полого корпуса и поверхностям впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки.

Такое выполнение одновинтовой гидромашины позволяет более надежно закрепить трубчатую оболочку с внутренними и наружными винтовыми зубьями внутри полого корпуса, при дополнительном креплении эластомера к поверхностям окон трубчатой оболочки и креплении эластомера к внутренней поверхности полого корпуса и поверхностям впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки.

Этим повышается ресурс и надежность одновинтовой гидромашины при эксплуатации.

Упрощается технология изготовления, с использованием одной рабочей пресс-формы для заполнения эластомером пространства камер и окон трубчатой оболочки и формировании при этом внутренней поверхности обкладки, при креплении эластомера к поверхностям окон трубчатой оболочки, внутренней поверхности полого корпуса, поверхностям впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки и внутренней поверхности трубчатой оболочки.

Также увеличивается ресурс, рабочий момент и КПД одновинтовой гидромашины при использовании трубчатой оболочки с окнами с закрепленной в трубчатой оболочке обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера.

Во-вторых, когда сечения окон трубчатой оболочки имеют круглую форму, увеличивается надежность закрепления трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-третьих, когда окна трубчатой оболочки имеют продолговатую форму, также увеличивается надежность закрепления трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-четвертых, когда окна трубчатой оболочки выполнены винтовыми, при этом направления винтовых окон трубчатой оболочки и направления винтовых внутренних зубьев трубчатой оболочки пересекаются или совпадают, увеличивается надежность закрепления трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

В-пятых, когда при этом кромки образованные пересечением поверхностей окон трубчатой оболочки с наружной и внутренней поверхностями трубчатой оболочки, скруглены, также увеличивается надежность закрепления трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми зубьями в полом корпусе статора.

Одновинтовая гидромашина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-7.

На фиг.1 показан общий вид одновинтовой гидромашины.

На фиг.2 показано сечение А-А общего вида одновинтовой гидромашины.

На фиг.3 показана аксонометрия статора и ротора одновинтовой гидромашины.

На фиг.4 показаны сечения окон трубчатой оболочки, имеющие круглую форму.

На фиг.5 показаны окна трубчатой оболочки, имеющие продолговатую форму.

На фиг.6 показано, когда направления винтовых окон трубчатой оболочки и направления винтовых внутренних зубьев трубчатой оболочки совпадают.

На фиг.7 показано, когда направления винтовых окон трубчатой оболочки и направления винтовых внутренних зубьев трубчатой оболочки пересекаются.

Одновинтовая гидромашина содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2 и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых на единицу меньше числа зубьев 2 статора 1, причем ось O₁-O₁ ротора 3 смещена относительно оси О₂-О₂ статора 1 на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты h зубьев 2,4, профили наружных зубьев 4 ротора 3 и внутренних зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы Т_р и Т_ст винтовых зубьев 4 и 2 ротора 3 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев 4 и 2, при этом статор 1 содержит полый корпус 5 с концевыми резьбовыми переходами 6 и 7, установленную в нем трубчатую оболочку 8 с внутренними и наружными винтовыми зубьями 9 и 10 и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера 11, в одновинтовой гидромашине трубчатая оболочка 8 установлена в корпусе 5 с образованием винтовых камер 12 между внутренней поверхностью полого корпуса 5 и поверхностями впадин 13 наружных винтовых зубьев 10 трубчатой оболочки 8, причем число камер 12 равно числу зубьев 2 статора 1, трубчатая оболочка 8 имеет окна 14, соединяющие винтовые камеры 12 с внутренней поверхностью трубчатой оболочки 8, пространство окон 14 трубчатой оболочки 8 и пространство камер 12 заполнены эластомером 11, при этом эластомер 11 прикреплен к поверхностям окон 14 трубчатой оболочки 8, внутренней поверхности полого корпуса 5 и поверхностям впадин 13 наружных винтовых зубьев 10 трубчатой оболочки 8.

Сечения окон 14 трубчатой оболочки 8 имеют круглую форму (фиг.4).

Окна 14 трубчатой оболочки 8 имеют продолговатую форму (фиг.5).

Окна 14 трубчатой оболочки 8 выполнены винтовыми (фиг.6, 7).

Направления винтовых окон 14 трубчатой оболочки 8 и направления винтовых внутренних зубьев 9 трубчатой оболочки 8 совпадают (фиг.6).

Направления винтовых окон 14 трубчатой оболочки 8 и направления винтовых внутренних зубьев 9 трубчатой оболочки 8 пересекаются (фиг.7).

Кромки 15, образованные пересечением поверхностей окон 14 трубчатой оболочки 8 с наружной и внутренней поверхностями трубчатой оболочки 8, скруглены.

Одновинтовая гидромашина в режиме забойного двигателя работает следующим образом.

Рабочая жидкость, подаваемая под давлением с дневной поверхности по колонне бурильных труб (не показана), поступает в верхнюю часть одновинтовой гидромашины, и в результате винтового направления зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3 под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 3 приводится во вращение, при этом его ось O₁-O₁ вращается вокруг оси О₂-О₂ статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса Е, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O₁-O₁ по часовой стрелке. Изгибающие нагрузки от стенок скважины, а также нагрузки сжатия и растяжения от колонны бурильных труб и забоя воспринимает полый корпус 5 статора 1. Окружная сила, пропорциональная развиваемому крутящему моменту ротора, воспринимается внутренними винтовыми зубьями 9 трубчатой оболочки 8 через обкладку из эластомера 11, скрепленной с внутренними винтовыми зубьями 9 трубчатой оболочки 8. Окружная сила замыкается на полый корпус 5 статора 1, закрепленный на колонне бурильных труб (не показаны) через эластомер 11, заполняющий пространство окон 14 трубчатой оболочки 8 и пространство винтовых камер 12 между внутренней поверхностью полого корпуса 5 и поверхностями впадин 13 наружных винтовых зубьев 10 трубчатой оболочки 8, при прикреплении эластомера 11 к поверхностям окон 14 трубчатой оболочки 8, внутренней поверхности полого корпуса 5 и поверхностей впадин 13 наружных винтовых зубьев 10 трубчатой оболочки 8. В местах расположения окон 14 трубчатой оболочки 8 эластомер 11 имеет улучшенную податливость, при увеличенной в них глубине эластомера 11, который заполняет здесь пространство от внутренней поверхности статора 1, сформированной эластомером 11, до внутренней поверхности полого корпуса 5 статора 1. Рабочая жидкость, приводящая во вращение ротор 3, содержит абразивный шлам в виде иногда крупных до нескольких миллиметров в сечении частиц, например осколков породы, крупных частиц песка и т.д.

Эти крупные абразивные частицы при вращении ротора 3 обычно попадают в двигающийся силовой контакт зацепления зубьев 4 ротора 3 с внутренними винтовыми зубьями 2 статора 1, облицованными эластомером 11, разрушая эластомер 11. Когда одновинтовая гидромашина выполнена в соответствии с вышеописанной, большинство крупных абразивных частиц шлама вдавливаются в эластомер 11 в местах расположения окон 14 трубчатой оболочки 8 статора 1, при повышенной в них податливости эластомера 11, связанной с увеличенной глубиной эластомера 11. Затем при дальнейшем вращении ротора 3 и движении силового контакта поверхности ротора 3 и поверхности эластомера 11, облицовывающего внутреннюю поверхность трубчатой оболочки 8, абразивные частицы освобождаются без разрушения эластомера 11. Таким образом, значительно увеличивается ресурс и надежность данной одновинтовой гидромашины при эксплуатации.

При наличии окон 14 трубчатой оболочки 8 значительно упрощается технология надежного закрепления трубчатой оболочки 8 относительно полого корпуса 5, с использованием одной рабочей пресс-формы для заполнения эластомером 11 пространства винтовых камер 12 и окон 14 трубчатой оболочки 8 и формировании при этом внутренней поверхности обкладки эластомером 11, при креплении эластомера 11 к поверхностям окон 14 трубчатой оболочки 8, внутренней поверхности полого корпуса 5, поверхностям впадин 13 наружных винтовых зубьев 10 трубчатой оболочки 8 и внутренней поверхности трубчатой оболочки 8.

Прикрепление эластомера 11 к поверхностям окон 14 трубчатой оболочки 8, внутренней поверхности полого корпуса 5 и поверхностям впадин 13 наружных винтовых зубьев 10 трубчатой оболочки 8 надежно закрепляет трубчатую оболочку 8 в полом корпусе 5 статора 1.

Также увеличивается ресурс, рабочий момент и КПД одновинтовой гидромашины при использовании трубчатой оболочки 8 с окнами 14 с закрепленной в трубчатой оболочке 8 обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера 11.

1. Одновинтовая гидромашина, содержащая статор с внутренними винтовыми зубьями 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, при этом статор содержит полый корпус с концевыми резьбовыми переходами, установленную в нем трубчатую оболочку с внутренними и наружными винтовыми зубьями и закрепленной в ней обкладкой, повторяющей форму ее внутренней поверхности и выполненной из эластомера, отличающаяся тем, что трубчатая оболочка установлена в корпусе с образованием винтовых камер между внутренней поверхностью полого корпуса и поверхностями впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки, причем число камер равно числу зубьев статора, трубчатая оболочка имеет окна, соединяющие винтовые камеры с внутренней поверхностью трубчатой оболочки, пространство окон трубчатой оболочки и пространство камер заполнены эластомером, при этом эластомер прикреплен к поверхностям окон трубчатой оболочки, внутренней поверхности полого корпуса и поверхностям впадин наружных винтовых зубьев трубчатой оболочки.

2. Одновинтовая гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что сечения окон трубчатой оболочки имеют круглую форму.

3. Одновинтовая гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что окна трубчатой оболочки имеют продолговатую форму.

4. Одновинтовая гидромашина по п.3, отличающаяся тем, что окна трубчатой оболочки выполнены винтовыми.

5. Одновинтовая гидромашина по п.4, отличающаяся тем, что направления винтовых окон трубчатой оболочки и направления винтовых внутренних зубьев трубчатой оболочки пересекаются.

6. Одновинтовая гидромашина по п.4, отличающаяся тем, что направления винтовых окон трубчатой оболочки и направления винтовых внутренних зубьев трубчатой оболочки совпадают.

7. Одновинтовая гидромашина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что кромки, образованные пересечением поверхностей окон трубчатой оболочки с наружной и внутренней поверхностями трубчатой оболочки, скруглены.