ES2337141T3 - Mecanismo gerotor para maquina hidraulica de tornillo. - Google Patents
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Abstract
Un mecanismo de tipo gerotor para una máquina hidráulica de tornillo, dicho mecanismo comprende un estator (1) que tiene dientes helicoidales interiores (2) hechos de un material elastoplástico, y un rotor (3) que tiene dientes helicoidales externos (4) cuyo número es un diente menos que los del estator (1), los pasos de las líneas de tornillo (T1, T2) en el estator (1) y el rotor (3) son proporcionales al número de sus dientes, el eje (7) del rotor está desplazado con respecto al eje (6) del estator el valor de la excentricidad (E) que es igual a mitad de la altura radial de los dientes; caracterizado porque los perfiles del rotor (3) y/o el estator (1) son perfilados en su corte transversal de final en forma de la evolvente del contorno inicial de un herramienta de tipo cremallera, cuyo contorno se forma por la conjugación de arcos de círculo cuando dicho contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera se desplaza sin deslizarse a lo largo de círculos de herramienta correspondientes, los radios de los arcos de círculo del contorno inicial se calculan según las expresiones siguientes: ri = K [(p2rw12/4Ez12)+E]/(K+1) ó ri = K [(p2rw22/4Ez22)+E]/(K+1), rc = ri/K, donde ri es el radio inicial del perfil de la herramienta de tipo cremallera, K = (0,5...2) es el coeficiente de forma del contorno inicial, rw1, rw2 son los radios de los círculos de la herramienta del rotor y el estator, respectivamente E es la excentricidad de engrane, z1, z2 son los números de dientes del estator y el rotor, respectivamente; rc es el radio conjugado del perfil de herramienta de tipo cremallera.
Description
Mecanismo gerotor para máquina hidráulica de
tornillo.
La invención se refiere a mecanismos de tipo
gerotor de motores de tornillo de fondo de perforación usados para
perforar los pozos de petróleo y de gas, a las bombas de tornillo
empleadas para extraer petróleo y bombear fluidos, y también se
refiere a motores hidráulicos de tornillo de uso general.
Se conoce un mecanismo de tipo gerotor de
tornillo de paso múltiple para motor de tornillo de fondo
perforación, que comprende: un estator que tiene dientes
helicoidales interiores hechos de un material resistente y elástico,
por ejemplo de caucho; y un rotor que tiene dientes helicoidales
externos, el número de dientes externos es un diente menos que el
de dientes de estator; el eje del rotor está desplazado con respecto
al eje del estator el valor de la excentricidad que es la mitad de
altura radial de los dientes; los perfiles de los dientes externos
del rotor y los dientes interiores del estator se envuelven
mutuamente cuando se visualizan en la sección de la cara del final;
y los pasos de los dientes del rotor y el estator son proporcionales
a su número de dientes (véase la patente RU 2165531, IPC F01C 1/16,
5/04, E21B4/02, 2000).
En los diseños de la técnica anterior, los
perfiles de los dientes del estator y el rotor, cuando se visualizan
en la sección de la cara del final, son implementados en la
práctica como evolventes del contorno inicial común de la
cremallera cicloidal definida por la equidistancia cicloidal
restringida. En esta sección de la cara del final, el grosor
C_{t} del diente de estator a través del diámetro medio D_{m} de
los dientes y el paso S_{t} de estos dientes están
interrelacionados según la relación siguiente: C_{t}/S_{t} =
0,45..0,65; y el grosor C_{N} del diente de estator a través del
diámetro medio D_{m}, cuando se visualiza en la sección
perpendicular a la dirección de la línea de espiral del diente de
estator, y la altura radial h del diente de estator están
interrelacionados según la relación siguiente:
C_{N}/h\geq1,75.
Un inconveniente de este mecanismo de tipo
gerotor conocido consiste en que la interferencia diametral total
en el mecanismo se distribuye entre los dientes del estator de
manera que la proyección del diente de estator se deforma
considerablemente más que su espacio, de modo que el eje del rotor
puede desplazarse hacia la disminución de excentricidad y, por
consiguiente, la cinemática diseñada del mecanismo de tipo gerotor
puede desviarse, el desgaste de los ápices de los dientes del rotor
y del estator puede hacerse más intenso, la interferencia en la
zona en el punto de paso puede debilitarse y la vida de servicio de
un mecanismo de tipo gerotor puede hacerse más breve.
Dicho inconveniente es mitigado parcialmente en
el mecanismo de tipo gerotor, que comprende: un estator que tiene
dientes helicoidales interiores hechos de un material resistente y
elástico, por ejemplo de caucho; y un rotor que tiene dientes
helicoidales externos, el número de dichos dientes externos es un
diente menos que el de los dientes del estator; el eje del rotor
está desplazado con respecto al eje del estator el valor de la
excentricidad que es la mitad de la altura radial de los dientes;
los pasos de los dientes helicoidales del rotor y el estator son
proporcionales al número de sus dientes [patente RU 2166603, IPC
E21B 4/02, 2000].
El perfil de los dientes del estator, cuando se
visualizan en la sección de la cara del final, se implementa como
la evolvente del contorno inicial de la cremallera cicloidal
definida por la equidistancia que tiene el radio R_{C1} de
cicloide restringido; y el perfil de los dientes del rotor, cuando
se visualiza en la sección de la cara del final, se implementa como
la evolvente del otro contorno inicial de la cremallera cicloidal
que tiene el radio R_{C2} de equidistancia, dicho radio es mayor
que R_{C1} u obedece a la relación siguiente: R_{C2} = R_{C1}
+ (0,1..0,5)E, donde E es el radio de círculo de
generación que es igual al valor de excentricidad [véase dicha
patente número 2166603].
Otra versión de dicho diseño conocido de un
mecanismo de tipo gerotor es tal que el perfil de los dientes del
estator, cuando se visualiza en la sección de la cara del final, se
implementa como la evolvente del contorno inicial de la cremallera
cicloidal definida por la equidistancia que tiene el radio R_{C1}
de cicloide restringido; el perfil de los dientes del rotor, cuando
se visualiza en la sección de la cara del final, se define por los
arcos circulares conjugados; la proyección del diente del rotor está
definida por el arco del radio R_{B}, cuyo radio es mayor que el
radio R_{C1} de la equidistancia del estator, o se interrelaciona
con dicho radio según la relación siguiente: R_{C2} = R_{C1} +
(0,1..0,5)E, y el perfil del espacio del diente del rotor
está definido por el arco que tiene radio R_{v}, dicho radio
depende del número de dientes del rotor, el diámetro interior y la
excentricidad de dicho rotor (véase dicha patente 2166603].
Un inconveniente del susodicho diseño es como
sigue: cuando ocurren las interferencias laterales y diametrales,
distribuidas regularmente, surgen altas tensiones de contacto y
alcanzan su máximo en ángulos mínimos de presión, que dan lugar a
desgaste por fricción en un lado de los dientes (en el lado
izquierdo de los dientes del rotor, cuando se visualiza desde el
lado de entrega de fluido de trabajo), y las fuerzas de fricción,
que se desarrollan en el engranado, provocan los momentos de
resistencia que impiden que el rotor gire sobre su eje y su
movimiento planetario, cuyas circunstancias perjudican a las
características de energía de un mecanismo dado.
\newpage
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El dispositivo más aplicable a la invención
reivindicada es un mecanismo de tipo gerotor de múltiples pasos de
un motor hidráulico de tornillo, que comprende los componentes
siguientes: un estator que tiene dientes helicoidales interiores de
un material resistente y elástico, por ejemplo de caucho; y un rotor
que tiene dientes helicoidales externos cuyo número es un diente
menos que los dientes del estator; el eje del rotor que ha sido
desplazado con respecto al eje del estator por el valor de
excentricidad que es igual a la mitad de la altura radial de los
dientes, el perfil de la cara del final de los dientes de uno de los
componentes se implementa como la evolvente del contorno inicial de
la cremallera definida por la equidistancia del cicloide
restringido con un desplazamiento; y el perfil de cara del final del
diente del otro componente se implementa como la equidistancia de
evolvente del primer componente cuando sus centroides se hacen girar
alrededor sin deslizamiento, y el valor de equidistancia que es la
mitad del valor de la interferencia diametral en el engrane (patente
RU 2194880, IPC F04C 2/16, F04C 5/00, 20.12.2002].
Un inconveniente de dicho diseño consiste en que
no tiene en cuenta las condiciones de deslizamiento de los dientes
helicoidales del rotor en los del estator, es decir en la zona más
alejada del centro inmediato de giro (desde el punto de paso),
donde las velocidades de deslizamiento son las mayores; y debido a
la interferencia regularmente distribuida allí ocurre un desgaste
más severo de los dientes elásticos y resistentes del estator y del
revestimiento de resistencia al desgaste de los dientes del rotor.
Otro inconveniente consiste en que las condiciones de
funcionamiento del mecanismo de tipo gerotor no son consideradas
(temperatura, naturaleza de las cargas que ocurren en la
perforación de rocas de varias durezas y composiciones); por
ejemplo, para los pozos calientes que tienen una temperatura de
trabajo por encima de 100ºC, se requiere el uso de los mecanismos
de tipo gerotor que tienen holgura en el engrane del estator con el
rotor. El uso, en tales pozos, de mecanismos de tipo gerotor que
tienen la interferencia de engrane puede causar un desgaste más
severo, una caída aguda de la eficiencia y el agarrotamiento de un
mecanismo. Otro inconveniente del dispositivo conocido es la
carencia de la posibilidad de variar la interferencia y el ajuste
de correlación de formas de los dientes del rotor y el estator sin
cambiar los diámetros externos del rotor y/o estator, lo que no
permite proporcionar un ajuste fiable a lo largo de las líneas de
contacto en el mecanismo de tipo gerotor, con interferencia cero en
el engrane.
La técnica resuelta por la invención
reivindicada es una mejora de las características de energía del
mecanismo de tipo gerotor en un motor hidráulico cuando se le
aplica una energía hidráulica y cuando aparece una diferencia de
presión resultante en sus miembros de trabajo, una vida de servicio
prolongada y pérdidas hidromecánicas reducidas en virtud de la
provisión de una interferencia lateral en el engrane, un ajuste
mejorado a lo largo de las líneas de contacto y menores tensiones
de contacto en la zona de velocidades máximas de deslizamiento por
medio de la redistribución de la interferencia de engrane y
optimización de dicha interferencia dependiendo de la distancia
entre el centro cercano de giro (punto de paso) y la zona de
contacto de los perfiles.
Otro problema técnico es una capacidad de
fabricación mejorada y un menor coste del mecanismo de tipo gerotor
por medio de la simplificación de la selección de los pares de
trabajo según su interferencia radial, así como características de
energía mejoradas de un mecanismo de tipo gerotor en conformidad con
las condiciones de funcionamiento, por ejemplo para pozos calientes
por medio de la disminución de la interferencia lateral o por la
provisión de holgura lateral junto con una interferencia radial
constante.
Los susodichos problemas se resuelven
proporcionando un mecanismo de tipo gerotor para una máquina
hidráulica de tornillo, comprendiendo dicho mecanismo un estator
que tiene dientes helicoidales interiores hechos de un material
elastoplástico, por ejemplo de caucho, y un rotor que tiene dientes
helicoidales externos cuyo número de dientes es un diente menos que
los del estator, los pasos de las líneas de tornillo en el estator
y el rotor son proporcionales al número de sus dientes, el eje del
rotor está desplazado con respecto al eje del estator el valor de
excentricidad que es igual a la mitad de la altura radial de los
dientes; caracterizado porque los perfiles del rotor y/o el estator
están perfilados en su corte transversal de final en forma de la
evolvente del contorno inicial de una herramienta de tipo
cremallera, dicho contorno está formado por la conjugación de arcos
de círculo cuando dicho contorno inicial de la herramienta de tipo
cremallera es desplazado sin deslizarse a lo largo de círculos de
la herramienta correspondiente, los radios de los arcos de círculo
del contorno inicial se calculan según las expresiones
siguientes:
- r_{i} = K [(\pi^{2}r_{w1}^{2}/4Ez_{1}^{2})+E]/(K+1) ó r_{i} = K [(\pi^{2}r_{w2}^{2}/4Ez_{2}^{2})+E]/(K+1),
- r_{c} = r_{i}/K,
donde
r_{i} es el radio inicial del perfil de
herramienta de tipo cremallera,
K = (0,5..2) es el coeficiente de forma del
contorno inicial,
r_{w1}, r_{w2} los son los radios de los
círculos de herramienta del rotor y el estator, respectivamente;
E es la excentricidad del engrane,
z_{1}, z_{2} son los números de dientes del
estator y el rotor, respectivamente;
r_{c} es el radio conjugado del perfil de
herramienta de tipo cremallera.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Preferentemente, el perfil de una mitad de cada
uno de los dientes en el corte transversal de final del rotor y/o
el estator se define como la evolvente del contorno inicial de la
herramienta de tipo cremallera formado por la equidistancia del
cicloide reducido cuando el contorno inicial de herramienta de tipo
cremallera es desplazado sin deslizarse a lo largo del círculo de
herramienta correspondiente.
Dichas relaciones para el contorno inicial de
herramienta de tipo cremallera se cumplen y en el ensamblaje de
mecanismos de tipo gerotor que tienen versiones diferentes de
perfiles: se asegura una posibilidad para proporcionar la
interferencia lateral de engrane. Así, se consigue un ajuste fiable
a lo largo de las líneas de contacto cuando los flujos de fluido de
energía hidráulica se entregan a un motor hidráulico; y se efectúa
la posibilidad de reducir la interferencia radial de engrane y para
ensamblar los pares de trabajo sin su selección. El momento de las
fuerzas de resistencia se baja debido a una interferencia radial más
débil y tensiones de contacto más ligeras efectuadas en las áreas
más alejadas del centro cercano de giro (desde el punto de paso),
que está en la zona de máximas velocidades de deslizamiento. Las
condiciones del deslizamiento de los dientes helicoidales del rotor
sobre los dientes helicoidales del estator son absorbidas en virtud
de la redistribución de la interferencia de engrane hacia su
disminución desde las zonas de mínimas velocidades de deslizamiento
a aquellas de las máximas velocidades de deslizamiento.
Aparte de esto, la selección del coeficiente K
permite
modificar las interferencias laterales en el
engrane, con la interferencia radial constante;
proporcionar la holgura lateral en el engrane,
cuando la interferencia radial está presente;
proporcionar la holgura radial en el engrane,
cuando la interferencia lateral está presente.
Cuando el perfil de una mitad de cada uno de los
dientes en la sección de cara final del rotor y/o estator se
implementa como la evolvente del contorno inicial de herramienta de
tipo cremallera generado por la equidistancia del cicloide
reducido; y cuando el perfil de la otra mitad del diente de rotor
y/o estator se implementa como la evolvente del contorno inicial de
herramienta de tipo cremallera generado por la conjugación de arcos
circulares: estas disposiciones también permiten tener en cuenta
condiciones de funcionamiento del mecanismo y mitigar el desgaste de
un lado de los dientes.
El coeficiente K de la forma de contorno inicial
se selecciona según condiciones de funcionamiento de un mecanismo
de tipo gerotor y en vista de versiones de su ensamblado, por
ejemplo - para la provisión de la interferencia lateral en el
engrane del rotor, teniendo el perfil de dientes helicoidales según
la invención reivindicada, con el estator que tiene el perfil
definido por la cremallera cicloidal: dicho coeficiente K se
selecciona para ser mayor o igual a 1. Un valor de interferencia
radial depende de los valores seleccionados del desplazamiento de
contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera en la
formación de los perfiles de conjugados. Si el coeficiente K es
menos de 0,5, el grosor de diente de rotor disminuye en exceso y el
de estator aumenta en consecuencia; y si K excede 2, el grosor de
diente de rotor aumenta en exceso y el de estator disminuye en
consecuencia, dicha circunstancia excluye cualquier posibilidad de
usar los rotores y/o estatores reivindicados con los de los
mecanismos de tipo gerotor operados en Rusia.
La figura 1 muestra una sección longitudinal de
un mecanismo de tipo gerotor asociado con un motor hidráulico de
fondo de perforación de tipo tornillo.
La figura 2 muestra un corte transversal del
mecanismo de tipo gerotor tomado a lo largo de la línea
A-A.
La figura 3 muestra un diagrama para generar el
contorno inicial de una herramienta de tipo cremallera conjugando
los arcos circulares que tienen radios r_{i} y r_{c}.
La figura 4 muestra un diagrama para generar el
perfil de rotor basándose en el contorno inicial de herramienta de
tipo cremallera generado por la conjugación de arcos circulares.
La figura 5 muestra un diagrama para generar el
perfil de estator basándose en el contorno inicial de herramienta de
tipo cremallera generado por la conjugación de arcos circulares.
La figura 6 muestra un ejemplo de engrane del
estator y el rotor, con la interferencia radial cero, cuando las
interferencias laterales están presentes (mostrado como
ampliado).
La figura 7 muestra un ejemplo de engrane de
estator y rotor epitaxial para el uso en pozos calientes, con la
interferencia radial cero, cuando las holguras laterales están
presentes (mostrado como ampliado).
La figura 8 muestra un ejemplo de engrane del
estator y rotor cuya una mitad del perfil de cada uno de los dientes
está definida como la evolvente de la cremallera cicloidal (las
holguras y las interferencias están ampliadas).
Un mecanismo de tipo gerotor de un motor
hidráulico de tornillo, como se muestra en las figuras 1 y 2,
comprende el estator 1 que tiene dientes helicoidales interiores 2,
el rotor 3 que tiene dientes helicoidales externos que tienen 4
cuyo número es un diente menos que el de dientes helicoidales
interiores 2 del estator 1. Los dientes helicoidales interiores 2
del estator 1 están hechos de un material resistente y elástico, por
ejemplo de caucho envejecido sobre la superficie interior del
cuerpo 5 del estator 1. El eje 6 del estator 1 ha sido desplazado
con respecto al eje 7 del rotor 3 por la excentricidad 8 cuyo valor
E es igual a la mitad de la altura radial de los dientes 2 y
4. El centroide 9 de funcionamiento (la circunferencia inicial) del
estator 1 radio que tiene un radio c=Ez_{1} está en la tangencia
al centroide 10 de funcionamiento (de la circunferencia inicial)
del rotor 3 que tiene un radio b=Ez_{2} en el punto de paso P,
véase la figura 2. Los pasos de las líneas de tornillo T1 y T2 de
los dientes 2 y 4 de, respectivamente, el estator 1 y el rotor 3, en
la figura 1, son proporcionales a los números de sus dientes z_{1}
y z_{2}.
El aspecto esencial del contorno inicial de
herramienta de tipo cremallera del mecanismo de tipo gerotor según
la invención consiste en que dicho contorno es generado por la
conjugación de arcos circulares, según la figura 2, y el radio
inicial de uno de dichos arcos se determina por las expresiones
siguientes:
- r_{i} = K ((\pi^{2}r_{w1}^{2}/4Ez_{1}^{2}) + E)/(K+1) ó
- r_{i} = K [(\pi^{2}r_{w2}^{2}/4Ez_{2}^{2}) + E]/(K+1),
y el radio conjugado del otro arco
se determina como r_{c} = r_{i}/K; y las coordenadas de los
puntos actuales m y n del contorno inicial se determinan por las
expresiones
siguientes:
- X_{m} = r_{i} (cos(\Psi_{m}) -1) + 2E,
- Y_{m} = r_{i}sen(\Psi_{m}),
- X_{n} = r_{c} (1-cosY_{n}),
- Y_{n} = (\pir_{W1(2)}/z_{(1) 2)}) - r_{c}sen\Psi_{n},
donde
\Psi_{m} = (0..\Psi_{a}), \Psi_{n} =
(0..\Psi_{a}) son los ángulos centrales que tienen una
discontinuidad seleccionada en las zonas del contorno inicial que
tienen radios r_{i} y r_{c}, respectivamente;
\Psi_{a} = arcsen
[(\pir_{w1(2)}/z_{(1)2)}) / (r_{i} + r_{c})]
es el ángulo central del contorno inicial en el punto de conjugación
de los arcos circulares. El contorno formado por los arcos
circulares tiene la altura de 2E y la longitud de
2\pir_{w1(2)}/z_{(1)2)}. Aquí el ángulo del
perfil del contorno inicial conjugado por los arcos circulares se
determina por las expresiones siguientes:
- \alpha_{pt} = (\pi/2) - \Psi_{m}, ó
- \alpha_{pt} = (\pi/2) - \Psi_{n}: véase la figura 3.
\vskip1.000000\baselineskip
El aspecto esencial de los perfiles de los
dientes del rotor 3 y/o estator 1 en la sección de la cara del
final del mecanismo de tipo gerotor consiste en que dichos perfiles
se definen como las evolventes del contorno inicial 11 de la
herramienta de tipo cremallera generadas por la conjugación de los
círculos 12 y 13 que tienen radios r_{i} y r_{c},
respectivamente (véase las figuras 4 y 5). El perfil de los dientes
4 y 2 se genera cuando la línea recta 14 de la herramienta y el
contorno inicial 11 asociado a ella gira sin deslizar alrededor de
las circunferencias respectivas de la herramienta. Cuando esto
ocurre, el arco que tiene el radio r_{i} forma predominantemente
el perfil de ápice del diente 4 del rotor 3 según la figura 4, y el
perfil del espacio del diente 2 del estator 1 según la figura 5; y
el arco que tiene el radio r_{c} forma predominantemente el
perfil de espacio del diente 4 del rotor 3 según la figura 4 y el
perfil del ápice del diente 2 estator 1 según la figura 5. Los
radios de las circunferencias, de la herramienta, 15 del rotor 3 y
16 del estator 1, según las figuras 4 y 5, se seleccionan en base a
un número de dientes y un valor de excentricidad. Para la provisión
de diámetros predeterminados del rotor 3 con respecto a proyecciones
de los dientes 4, y del estator 1 con respecto a espacios de los
dientes 2: los valores del desplazamiento x_{2} y
x_{1} de los contornos iniciales del rotor y estator,
respectivamente, se definen en las figuras 4 y 5. Aquí el perfil del
rotor 3 a su sección final se determina por las expresiones
siguientes:
- X_{d2} = (X_{n(m)} + r_{w2} + x_{2}) cos\varphi _{d2} (Y_{n (m)} r_{w2} \varphi_{d2})sen\varphi_{d2},
- X_{d2} = (X_{n(m)} + r_{w2} + x_{2}) sen\varphi _{d2} + (Y_{n (m)} r_{w2} \varphi_{d2})cos\varphi_{d2},
\newpage
y el perfil del estator en su sección de la cara
del final se determina por las expresiones siguientes:
- X_{d1} = (X_{n(m)} + r_{w1} + x_{1}) cos\varphi _{d1} (Y_{n (m)} r_{w1} \varphi _{d1})sen\varphi _{d1},
- X_{d1} = (X_{n(m)} + r_{w1} + x_{1}) sen\varphi _{d1} + (Y_{n (m)} r_{w1}\varphi _{d1})cos\varphi _{d1},
donde
\varphi_{d2} = 2 [(Y_{n(m)}
(x_{2} + X_{n(m)}) ctg\alpha_{pt})/d_{w2}],
\varphi _{d1} = 2 [(Y_{n(m)} - (x_{1} +
X_{n(m)}) ctg\alpha_{pt})/d_{w1}] son los ángulos de
giro de un sistema de coordenadas móvil X_{t}O_{t}Y_{t}
vinculado a la herramienta de tipo cremallera con relación al
sistema de coordenadas del resto X_{d}O_{d}Y_{d} vinculado al
centro de la circunferencia de herramienta correspondiente figuras 4
y 5.
De acuerdo a una realización ejemplar del
mecanismo de tipo gerotor reivindicado: en el engrane del estator 1
y rotor 3 - la interferencia radial \Delta_{0} no está presente
cuando hay interferencias laterales,_{ }\Delta_{1},_{
}\Delta_{2},_{ }\Delta_{3}, - figura 6. El ejemplo
muestra el engrane del perfil del rotor 3 definido como la
evolvente del contorno inicial 11 de la herramienta de tipo
cremallera y generado por conjugación de arcos circulares que
tienen el coeficiente K mayor que 1; y el engrane del perfil del
estator 1 definido como la evolvente del contorno inicial de la
herramienta de tipo cremallera generado por la equidistancia del
cicloide reducido. En este ejemplo, la interferencia lateral se
distribuye de la manera según la cual dicha interferencia disminuye
desde velocidades de deslizamiento mínimas hacia las zonas donde
las velocidades de deslizamiento son máximas, es decir hacia las
zonas más alejadas del punto de paso P (\Delta_{1} <
\Delta_{2} < \Delta_{3}), figura 6, dicho aspecto
proporciona características de energía alta del mecanismo y mitiga
la desgaste de los ápices de los dientes resistentes y elásticos 2
del estator 1 y los ápices de los dientes 4 del rotor 3.
Según otro ejemplo de realización del mecanismo
de tipo gerotor reivindicado: en el engrane del estator 1 y rotor 3
- la interferencia radial \Delta_{0} no está presente cuando hay
holguras laterales \lambda - figura 7. Los ejemplos muestran el
engrane del perfil del rotor 3 definido como la evolvente del
contorno inicial 11 de herramienta de tipo cremallera generado por
la conjugación de arcos circulares que tienen el coeficiente K
menor de 1; y el engrane del perfil del estator 1 definido como la
evolvente del contorno inicial de herramienta de tipo cremallera
generado por la equidistancia del cicloide reducido. Según este
ejemplo: las holguras laterales \lambda se distribuyen de tal
forma que comparado con un mecanismo que tiene la holgura uniforme
en el engrane proporcionado hay características de energía más alta
de un mecanismo de tipo gerotor durante su funcionamiento en pozos
calientes (en temperaturas por encima de 100ºC), y se debilita la
influencia negativa del momento oblicuo debido al contacto
proporcionado en los puntos L y M, según la figura 7, y la misma
probabilidad de que el agarrotamiento del mecanismo de tipo gerotor
ocurriría en un pozo caliente.
Según otro ejemplo de realización del mecanismo
de tipo gerotor reivindicado: cuando se engranan el estator 1 y el
rotor 3 la interferencia radial \Delta_{0} no está presente y
hay holguras laterales \lambda_{1}, \lambda_{2},
\lambda_{3}, e interferencias laterales_{ }\Delta_{1},
\Delta_{2}, \Delta_{3} - figura 8. Este ejemplo muestra el
engrane del rotor 3 y el estator 1 en el que una mitad del perfil de
cada uno de los dientes está definida como la evolvente del
contorno inicial de herramienta de tipo cremallera generado por la
conjugación de arcos circulares que tienen el coeficiente K menor
que 1, y la otra mitad del perfil de diente está definida como la
evolvente del contorno inicial de herramienta de tipo cremallera
generado por la equidistancia del cicloide reducido. El rotor 3 y
estator 1 son ensamblados de tal forma que los perfiles - definidos
como los evolventes del contorno inicial 11 de la herramienta de
tipo cremallera generado por la conjugación de arcos circulares
están en el contacto, en el engrane, con los perfiles definidos como
los evolventes del contorno inicial de la herramienta de tipo
cremallera generado por la equidistancia del cicloide reducido. En
este ejemplo hay holguras laterales \lambda_{1},
\lambda_{2}, \lambda_{3}, e interferencias laterales
\Delta_{1}, \Delta_{2}, \Delta_{3}, según la figura 8,
cuya circunstancia permite mitigar el desgaste de un lado de
dientes disminuyendo las tensiones de contacto que ocurren en las
zonas de máximas velocidades de deslizamiento y en las zonas de
ángulos mínimos de presión. Además, debido a una diferencia de
presión que aparece entre los huecos que tienen holguras laterales y
los huecos que tienen interferencias laterales: se reduce la
influencia negativa del momento oblicuo, ya que dichos huecos están
distribuidos regularmente a lo largo de toda la longitud del
mecanismo de tipo gerotor.
También es posible proporcionar versiones
adicionales del engrane en los mecanismos de tipo gerotor, en donde
el ajuste de correlación de una forma de diente y la modificación de
un valor de interferencia son proporcionados por la selección de
valores óptimos del coeficiente K y los desplazamientos
x_{1} y x_{2} de los contornos iniciales de
herramienta de tipo cremallera en el trascurso del diseño de un
mecanismo.
El mecanismo de tipo gerotor reivindicado de un
motor hidráulico de fondo de perforación funciona como sigue.
Cuando se emplea un mecanismo de tipo gerotor en un motor de
tornillo fondo de perforación: el fluido de lavado se entrega en la
parte superior del mecanismo de tipo gerotor por medio de un cordón
de taladradora (no mostrada). Bajo la acción de la diferencia de
presión del fluido de lavado, el rotor 3 realiza el movimiento
planetario dentro del estator 1, alrededor de cual el rotor hace
girar los dientes helicoidales 4 a lo largo de los dientes
helicoidales 2 del estator figura 1. Haciéndolo así, el eje 7 del
rotor 3 gira alrededor del eje 6 del estator 1 a lo largo del
círculo que tiene el radio E, y el propio rotor 3 gira sobre su eje
7 en la dirección que es opuesta al movimiento planetario figura
2.
En términos de cinemática, el movimiento del
rotor 3 con respecto al estator 1 es determinado por la rodadura,
sin deslizamiento, del centroide 10 del rotor 3 que tiene radio
b=Ez_{2} a lo largo del centroide 9 del estator 1 que
tiene radio c=Ez_{1}, el centro inmediato de giro del rotor
3 está dispuesto en el punto de tangencia de los centroides en el
punto de paso P: figura 2. Cuando tiene lugar el engrane, los huecos
de presiones alta y baja están divididos a lo largo de las líneas
de contacto, y en este caso si hay interferencias laterales,
entonces se proporciona un ajuste fiable entre los huecos de presión
alta y baja, cuya circunstancia ayuda a disminuir salidas del
fluido de trabajo y, por consiguiente, mejora las características de
energía del mecanismo de tipo gerotor reivindicado (capacidad y
eficiencia). Además, por la razón de que no hay interferencia
radial y cualquier disminución en la tensión por contacto en la zona
más alejada del punto de paso, donde las velocidades de
deslizamiento son las mayores, según la figura 6, entonces baja el
momento de las fuerzas de resistencia, y los ápices de los dientes
2 del estator 1 y los dientes 4 del rotor 3 se desgastan menos, lo
que también conduce a la mejora de las características de energía
del mecanismo de tipo gerotor y su resistencia al desgaste. Cuando
hay holguras laterales en el engrane (un mecanismo para el
funcionamiento en un pozo caliente), el principio de funcionamiento
del mecanismo es similar al que se ha descrito antes; el ajuste se
asegura por extensión de los dientes resistentes y elásticos 2 del
estator 1 y de los dientes 4 de rotor 3; así las tensiones de
contacto y; en consecuencia, las fuerzas de fricción en el mecanismo
son óptimas para asegurar sus características de energía alta y una
alta resistencia de desgaste.
El movimiento planetario del rotor 3 se
transfiere al eje del conjunto de apoyo y a una herramienta de
destrucción de roca asociada con él.
Cuando el mecanismo de tipo gerotor reivindicado
se usa en las bombas de tornillo: se hace que el rotor 3 gire y,
girando alrededor los dientes 2 del estator 1, se convierte la
energía mecánica de giro en energía hidráulica de un flujo de
fluido. La cinemática de movimiento del rotor 3 de una bomba de
tornillo, y las ventajas obtenidas usando las realizaciones
reivindicadas de un mecanismo de tipo gerotor son similares a
aquellas descritas con respecto de un motor de tornillo.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención puede ser usada apropiadamente en
la industria de producción de petróleo en operaciones para extraer
el petróleo y para el bombeo de fluidos, así como en otras
industrias donde se bombean diversos fluidos.
Claims (3)
1. Un mecanismo de tipo gerotor para una máquina
hidráulica de tornillo, dicho mecanismo comprende
un estator (1) que tiene dientes helicoidales
interiores (2) hechos de un material elastoplástico, y
un rotor (3) que tiene dientes helicoidales
externos (4) cuyo número es un diente menos que los del estator
(1),
los pasos de las líneas de tornillo (T_{1},
T_{2}) en el estator (1) y el rotor (3) son proporcionales al
número de sus dientes,
el eje (7) del rotor está desplazado con
respecto al eje (6) del estator el valor de la excentricidad (E) que
es igual a mitad de la altura radial de los dientes;
caracterizado porque
los perfiles del rotor (3) y/o el estator (1)
son perfilados en su corte transversal de final en forma de la
evolvente del contorno inicial de un herramienta de tipo cremallera,
cuyo contorno se forma por la conjugación de arcos de círculo cuando
dicho contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera se
desplaza sin deslizarse a lo largo de círculos de herramienta
correspondientes,
los radios de los arcos de círculo del contorno
inicial se calculan según las expresiones siguientes:
- r_{i} = K [(p^{2}r_{w1}^{2}/4Ez_{1}^{2})+E]/(K+1) ó r_{i} = K [(p^{2}r_{w2}^{2}/4Ez_{2}^{2})+E]/(K+1),
- r_{c} = r_{i}/K,
donde
r_{i} es el radio inicial del perfil de la
herramienta de tipo cremallera,
K = (0,5...2) es el coeficiente de forma del
contorno inicial,
r_{w1}, r_{w2} son los radios de los
círculos de la herramienta del rotor y el estator,
respectivamente
E es la excentricidad de engrane,
z_{1}, z_{2} son los números de dientes del
estator y el rotor, respectivamente;
r_{c} es el radio conjugado del perfil de
herramienta de tipo cremallera.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El mecanismo de tipo gerotor para una máquina
hidráulica de tornillo según la reivindicación 1, en el que el
perfil de una mitad de cada uno de los dientes en el corte
transversal de final del rotor (3) y/o el estator (1) se define como
la evolvente del contorno inicial de la herramienta de tipo
cremallera formado por la equidistancia del cicloide restringido
cuando el contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera se
desplaza sin deslizarse a lo largo del círculo de herramienta
correspondiente.
3. El mecanismo de tipo gerotor para una máquina
hidráulica de tornillo según la reivindicación 1, en el que los
dientes helicoidales interiores del estator (1) se hacen de
caucho.
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