RU2144618C1

RU2144618C1 - Screw downhole motor

Info

Publication number: RU2144618C1
Application number: RU98118451A
Authority: RU
Inventors: О.В. Тихонов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Биттехника"
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-01-20

Abstract

FIELD: drilling of gas and oil wells. SUBSTANCE: profile of tooth of rotor and stator is made by arc of circumference describing addendum part of tooth and two arcs of circumferences describing dedendum part of tooth, centers of circumferences being located on axis of symmetry of dedendum part of tooth and addendum part of tooth, respectively. Points of centers of circumferences of addendum and dedendum parts of tooth and mating point are located on one straight line, and angles between tangential lines in top and bottom points of profile and straight lines drawn from center of rotor or stator and angle formed by tangential line point of intersection of arcs of circumferences describing addendum and dedendum parts of tooth and straight line passing through centers of these arcs are equal to 90, rations of radii of circumferences describing addendum and dedendum parts of tooth are within 0.08 - 2.5, respectively. EFFECT: simplified designing of teeth of rotor - stator pair, improved performance characteristics of motor. 3 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, к технике бурения нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин. Оно может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве гидравлических забойных винтовых двигателей и винтовых насосов. The invention relates to drilling equipment, to the technique of drilling oil, gas and exploration wells. It can be used when drilling oil and gas wells as hydraulic downhole screw motors and screw pumps.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий ротор и статор с разницей в числах зубьев, равной единице, а также шпиндель, включающий вал, устройство для соединения ротора с валом шпинделя [1]. Known downhole screw motor containing a rotor and a stator with a difference in the number of teeth equal to unity, as well as a spindle including a shaft, a device for connecting the rotor with the spindle shaft [1].

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий ротор, статор с разницей в числах зубьев рабочей зоны, равной единице, торсион, размещенный в полости ротора и жестко соединенный с ротором и валом шпинделя [2]. Known downhole screw motor containing a rotor, a stator with a difference in the number of teeth of the working area equal to unity, a torsion bar located in the cavity of the rotor and rigidly connected to the rotor and spindle shaft [2].

Недостатком известных двигателей является то, что профиль зуба пары ротор-статор выполнен по циклоидальным кривым, не обеспечивающим стабильность работы двигателя. В результате на ротор действует перекашивающий момент, создаваемый гидравлическими силами, который в полосе зацепления нарушает стабилизацию движения ротора в статоре, увеличиваются объемные утечки и механические потери в рабочей паре, что в свою очередь снижает долговечность и нагрузочную способность двигателя. A disadvantage of the known engines is that the tooth profile of the rotor-stator pair is made according to cycloidal curves that do not ensure stability of the engine. As a result, the rotor is distorted by hydraulic forces, which in the engagement band violates the stabilization of the rotor in the stator, volumetric leakages and mechanical losses in the working pair increase, which in turn reduces the durability and load capacity of the engine.

Известен винтовой двигатель [3] и винтовой двигатель [4], состоящие из охватывающего винтового вала с семью зубьями и охватываемого винтового вала с шестью зубьями, входящими в зацепление с зубьями вала первого, профиль рабочей поверхности зубьев одного вала образован соединенными последовательно дугами с радиусами с центром в точке пересечения делительной окружности с прямой, соединяющей центр вала одного и центр вала другого, дугами с радиусами с центром на линии продолжения прямой; прямой линии, пересекающейся под углом "α" в точке S с прямой линией, соединяющей точку S на делительной окружности и центр вала; кривой линией, образованной дугой другого вала; дугой на окружности вершин зубьев, где наружная точка дуги с центральным углом 5-15^o относительно прямой линии, соединяющей центры. Профиль тыльной поверхности зубьев вала первого образован последовательно соединенными дугой с радиусом в одной точке, дугой с радиусом в другой точке, кривой линией, образованной дугой вала второго.Known screw motor [3] and screw motor [4], consisting of a female screw shaft with seven teeth and a male screw shaft with six teeth meshed with the teeth of the shaft of the first one, the profile of the working surface of the teeth of one shaft is formed by arcs connected in series with radii with the center at the intersection of the pitch circle with the straight line connecting the center of the shaft of one and the center of the shaft of the other, with arcs with radii centered on the line of continuation of the straight line; a straight line intersecting at an angle "α" at point S with a straight line connecting point S on the pitch circle and the center of the shaft; a curved line formed by the arc of another shaft; an arc on the circumference of the tops of the teeth, where the outer point of the arc with a central angle of 5-15 ^o relative to a straight line connecting the centers. The profile of the back surface of the teeth of the shaft of the first is formed by a series-connected arc with a radius at one point, an arc with a radius at another point, a curved line formed by the arc of the shaft of the second.

Профиль рабочей поверхности зубьев вала второго образован последовательно соединенными дугой, кривой линией, образованной прямой линией вала первого, дугой, образованной прямой линией вала первого, дугой радиусом с центром в точке O₆, дугой на окружности впадин зубьев, где наружная точка дуги с центральным углом 5-15^o относительно прямой линии, соединяющей центры валов. Профиль тыльной поверхности зубьев второго вала образован последовательно соединенными кривой линией, образованной дугой первого вала, кривой линией, образованной дугой первого вала, дугой с радиусом с центром в точке O₇
Недостатками известных винтовых двигателей являются: сложное формирование профиля зубьев, образование рабочего профиля зубьев дугами в сочетании с прямыми линиями и кривыми, в местах сопряжения которых множество самопересекающихся участков профиля, что значительно усложняет изготовление инструмента и требует дополнительных затрат на сглаживание этих участков. Такой профиль зубьев увеличивает износ рабочей пары в месте зацепления зубьев.The profile of the working surface of the teeth of the shaft of the second is formed by a series-connected arc, a curved line formed by a straight line of the shaft of the first, an arc formed by a straight line of the shaft of the first, an arc of radius centered at point O ₆ , an arc on the circumference of the tooth cavities, where the outer point of the arc is with a central angle 5-15 ^o relative to a straight line connecting the centers of the shafts. The profile of the back surface of the teeth of the second shaft is formed by serially connected by a curved line formed by the arc of the first shaft, a curved line formed by the arc of the first shaft, an arc with a radius centered at point O ₇
The disadvantages of the known screw engines are: the complex formation of the tooth profile, the formation of the working tooth profile by arcs in combination with straight lines and curves, in the places where there are many self-intersecting sections of the profile, which greatly complicates the manufacture of the tool and requires additional costs for smoothing these sections. Such a tooth profile increases the wear of the working pair at the point of engagement of the teeth.

Известен двигатель [5], содержащий два вытеснительных элемента, смонтированных с возможностью вращения относительно друг друга, например зубчатое колесо. Количество зубьев кольцевого колеса на единицу превышает количество зубьев N-зубчатого колеса. Профиль зубьев по меньшей мере одного элемента на некоторых участках определяется трохоидой T=f (RC,E,RT) как функция радиуса базовой окружности RC, величины эксцентриситета E и радиуса образующей окружности RT. Из этих параметров по меньшей мере один должен периодически изменяться в окружном направлении с периодом, определяемым шагом зубьев. Known engine [5], containing two displacement elements mounted for rotation relative to each other, for example a gear wheel. The number of teeth of the ring wheel per unit exceeds the number of teeth of the N-gear. The tooth profile of at least one element in some areas is determined by the trochoid T = f (RC, E, RT) as a function of the radius of the base circle RC, the eccentricity E and the radius of the generatrix of the circle RT. Of these parameters, at least one should periodically change in the circumferential direction with a period determined by the pitch of the teeth.

Недостатками устройства являются образование профиля зубьев из дугообразных и прямолинейных участков, определяемых трохоидой, рассчитанной по нескольким параметрам, что значительно усложняет профилеобразование зубьев, а места пересечения этих разновидных участков имеют перегибы, отрицательно влияющие на эксплутационные характеристики двигателя: увеличивают коэффициент трения в зоне зацепления зубьев и в местах перегибов, усложняют технологию изготовления инструмента формирующего профиль зубьев, уменьшают объем двигателя, ухудшают энергетические характеристики его. The disadvantages of the device are the formation of a tooth profile from arched and rectilinear sections determined by a trochoid calculated according to several parameters, which greatly complicates the profile formation of teeth, and the intersection points of these various sections have kinks that adversely affect the operational characteristics of the engine: increase the friction coefficient in the tooth engagement zone and in places of excesses, complicate the manufacturing technology of the tool forming the tooth profile, reduce the engine size, worsening yut energy characteristics of it.

Известен двигатель [6], содержащий кольцевое зубчатое колесо с внутренними зубьями и зубчатое колесо с внешними зубьями, эксцентрично смонтированное внутри кольцевого зубчатого колеса. Внутренние и внешние зубья находятся в зацеплении. Количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев. Профиль внешних зубьев образован системой окружностей, центры которых лежат на трохоиде, которая образуется при обкатывании профильной окружности без проскальзывания по базовой окружности точкой, расположенной на линии, проходящей по радиусу профильной окружности. Форма зуба может быть образована концевыми точками системы отрезков прямой, расположенной под прямыми углами к трохоиде. Длина этих отрезков равна величине радиусов, образующих окружности. Трохоида охватывает замкнутую внутреннюю поверхность, отделяя ее от наружной поверхностей и нескольких промежуточных поверхностей. Отрезки прямой расположены только на внутренней поверхности. Known engine [6], containing a ring gear with internal teeth and a gear with external teeth, eccentrically mounted inside the ring gear. Internal and external teeth are engaged. The number of external teeth per unit exceeds the number of internal teeth. The profile of the external teeth is formed by a system of circles whose centers lie on the trochoid, which is formed when the profile circle is rolled around without slipping along the base circle with a point located on a line running along the radius of the profile circle. The shape of the tooth can be formed by the end points of the system of straight line segments located at right angles to the trochoid. The length of these segments is equal to the value of the radii forming the circle. The trochoid encompasses a closed inner surface, separating it from the outer surfaces and several intermediate surfaces. Line segments are located only on the inner surface.

Недостатками устройства являются: сложность профилеобразования и получение самопересекающихся участков профиля, ухудшающих технологию эксплуатации двигателя, усложняющих технологию изготовления инструмента, а также требование последующей доводки поверхности до требуемых параметров. The disadvantages of the device are: the complexity of profile formation and obtaining self-intersecting sections of the profile, worsening the technology of engine operation, complicating the manufacturing technology of the tool, as well as the requirement for subsequent refinement of the surface to the required parameters.

В качестве прототипа выбрано техническое решение [7] как наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности и положительному эффекту. Героторный винтовой двигатель, содержащий статор и ротор. Ротор размещен внутри статора с эксцентриситетом относительно продольной оси статора. Ротор и статор имеют зубья, которые находятся в зацеплении. Количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев. Профиль зубьев образован из долей дуг, объединенных общей касательной к этим дугам, а центры долей дуг расположены на окружности спирали статора или ротора, которая является центром, продольной осью статора или ротора (осью вращения). As a prototype, the technical solution [7] was chosen as the closest to the one proposed in terms of technical nature and positive effect. A gerotor screw motor containing a stator and a rotor. The rotor is placed inside the stator with an eccentricity relative to the longitudinal axis of the stator. The rotor and stator have teeth that are engaged. The number of external teeth per unit exceeds the number of internal teeth. The tooth profile is formed from fractions of arcs joined by a common tangent to these arcs, and the centers of the fractions of arcs are located on the circumference of the spiral of the stator or rotor, which is the center, the longitudinal axis of the stator or rotor (axis of rotation).

Недостатками устройства являются: сложность формирования профиля зубьев из-за выполнения головки и ножки зубьев сопряжением нескольких долей дуг с различными радиусами кривизны и образования в местах сопряжения самопересекающихся участков, которые в условиях эксплуатации рабочей пары статор-ротор увеличивают трение в местах зацепления зубьев и, следовательно, увеличивают износ двигателя. Место соединения дуг головки и ножки выполнено в виде прямой, которая является касательной для обеих объединяющихся дуг. Этот набор элементов, образующих профиль зубьев как ротора, так и статора, не является простым вариантом и не способствует оптимизации в профилеобразовании зубьев, усложняя как технологию изготовления инструмента, так и условия эксплуатации пары статора и ротора. Профилеобразование по этому принципу ограничивает способность проектирования в широком диапазоне влиять на эксплуатационные свойства двигателя. The disadvantages of the device are: the complexity of the formation of the tooth profile due to the execution of the tooth head and tooth by pairing several fractions of arcs with different radii of curvature and the formation of self-intersecting sections at the interface where the stator-rotor working pair increases friction in the tooth engagement and, therefore, increase engine wear. The junction of the arcs of the head and legs is made in the form of a straight line, which is tangent to both joining arcs. This set of elements forming the tooth profile of both the rotor and the stator is not a simple option and does not contribute to optimization in the profile formation of the teeth, complicating both the manufacturing technology of the tool and the operating conditions of the stator and rotor pair. Profiling according to this principle limits the design ability in a wide range to affect the operational properties of the engine.

Технической задачей изобретения является упрощение оптимизации профиля зубьев рабочей пары двигателя путем образования профиля зуба дугой окружности головки и дугой окружности ножки зуба без пересечения в участке их сопряжения и улучшение энергетических характеристик двигателя. An object of the invention is to simplify the optimization of the tooth profile of the working pair of the engine by forming a tooth profile with an arc of the head circumference and an arc of the tooth leg without intersecting in the interface, and improving the energy characteristics of the engine.

Техническая задача выполняется тем, что в известном героторном винтовом двигателе, включающем рабочую пару статор-ротор, ротор размещен внутри статора с эксцентриситетом по отношению к оси статора, статор имеет внутреннюю зубчатую поверхность, ротор имеет внешнюю зубчатую поверхность, зубья находятся в зацеплении, количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев, полный профиль зуба выполнен тремя дугами окружностей, описывающих головку и ножку зуба, одной дугой окружности - головку зуба и двумя дугами окружностей - ножку зуба, центры окружностей, описывающих ножку и головку зуба, расположены на оси симметрии ножки и головки соответственно, дуги окружностей в месте их сопряжения имеют общую точку без самопересечения в ней, точки центров дуг окружностей головки и ножки зуба и точка сопряжения расположены на одной прямой, а углы наклона касательных в наивысшей и наинизшей точках профиля прямые, отношение радиусов окружностей, описывающих головку и ножку, равно 0,08-2,5 соответственно. The technical task is carried out by the fact that in the known gerotor screw motor including a working stator-rotor pair, the rotor is placed inside the stator with an eccentricity with respect to the stator axis, the stator has an internal gear surface, the rotor has an external gear surface, the teeth are engaged, the number of external one tooth exceeds the number of internal teeth, the full tooth profile is made by three arcs of circles describing the head and leg of the tooth, one arc of a circle - the head of the tooth and two arcs around ostey - the tooth leg, the centers of the circles describing the tooth leg and head are located on the axis of symmetry of the legs and heads, respectively, the arcs of circles in the place of their mating have a common point without self-intersection in it, the points of the centers of the arcs of the circles of the head and tooth tooth and the mating point are located on one straight line, and the angles of inclination of the tangents at the highest and lowest points of the profile are straight, the ratio of the radii of the circles describing the head and leg is 0.08-2.5, respectively.

На фиг. 1 изображена рабочая пара двигателя в поперечном разрезе; на фиг. 2 показана схема профилеобразования зуба ротора; на фиг.3 показаны варианты профилеобразования зуба ротора. In FIG. 1 shows a working pair of the engine in cross section; in FIG. 2 shows a profile of the formation of the rotor tooth; figure 3 shows the options for the formation of the rotor tooth.

Двигатель имеет рабочую пару: статор 1 и ротор 2 с одинаковыми углами наклона винтовой поверхности зубьев. Зубья ротора и статора состоят из головки 3 и ножки 4 - выпуклой и вогнутой частей соответственно (фиг. 1). Профиль зуба образован дугой окружности 5, описывающей головку 3 зуба, и дугами окружностей 6 и 7, описывающих ножку зуба 4 по обе стороны головки 3. Полный профиль зуба образован тремя дугами окружностей - одной дугой, описывающей головку 3, и двумя, описывающими ножку зуба 4 (фиг.2). Полупрофиль зуба образован двумя дугами окружностей, описывающих головку и ножку зуба с одной стороны. Центры дуг окружностей O₁, O₂, O₃, O₄, O₅, описывающих головку зуба, и центры дуг окружностей, описывающих ножку зуба O₆, O₇, O₈, O₉, O₁₀ возможных вариантов профилеобразования, расположены на оси симметрии Z головки 3 и ножки 4 (фиг.3) соответственно. Дуги окружностей 5 и 6, 7 (фиг.2) в месте их сопряжения имеют общую точку 8 без самопересечения дуг в ней. Возможные варианты предложенной схемы профилеобразования представлены на фиг.3, демонстрирующие, что реализуется схема плавного перехода дуг окружностей в точке сопряжения и за счет того, что центры этих окружностей и точка сопряжения расположены на одной прямой 9, а углы "α" между касательными 10 (фиг. 2) в наивысшей и наинизшей точках профиля и прямыми Z, проведенными из центра ротора или статора, в зависимости от профилеобразования того или иного элемента двигателя в паре ротор-статор, являются прямыми, то есть равны 90^o, как и угол "α", в точке 8, образованный касательной 11 в точке пересечения дуг головки и ножки зуба, и прямой 9, проходящей через центры этих дуг, а отношение радиусов окружностей, описывающих головку и ножку зуба, лежит в пределах 0,08-2,5 соответственно.The engine has a working pair: stator 1 and rotor 2 with the same angle of inclination of the helical surface of the teeth. The teeth of the rotor and stator consist of a head 3 and legs 4 - convex and concave parts, respectively (Fig. 1). The tooth profile is formed by an arc of a circle 5, describing the head 3 of the tooth, and arcs of circles 6 and 7, describing the tooth leg 4 on both sides of the head 3. The full profile of the tooth is formed by three arcs of circles - one arc describing the head 3, and two describing the tooth leg 4 (FIG. 2). The half-profile of the tooth is formed by two arcs of circles that describe the head and leg of the tooth on one side. The centers of the arcs of circles O ₁ , O ₂ , O ₃ , O ₄ , O ₅ describing the tooth head, and the centers of the arcs of circles describing the tooth leg O ₆ , O ₇ , O ₈ , O ₉ , O _{10 of} possible profile formation options, are located on the axis of symmetry Z of the head 3 and legs 4 (figure 3), respectively. The arcs of circles 5 and 6, 7 (figure 2) in the place of their conjugation have a common point 8 without self-intersection of the arcs in it. Possible variants of the proposed profile formation scheme are presented in Fig. 3, which demonstrates that a smooth transition scheme of circular arcs at the conjugation point is realized and due to the fact that the centers of these circles and the conjugation point are located on one straight line 9, and the angles "α" between the tangents 10 ( Fig. 2) at the highest and lowest points of the profile and straight lines Z drawn from the center of the rotor or stator, depending on the profile formation of one or another motor element in the rotor-stator pair, are straight, that is, equal to 90 ^o , as well as the angle "α ", in point 8, formed by the tangent 11 at the point of intersection of the head and tooth flank arcs and straight line 9 passing through the centers of the arcs of circles and the ratio of the radii describing the head and foot of the tooth is in the range 0.08-2.5, respectively.

Сравнительный анализ предложенного изобретения с прототипом показал, что предложенный винтовой двигатель от прототипа отличается существенно: сопоставление формообразования профиля зуба прототипа и заявляемого показывает, что предлагаемый профиль, в отличие от прототипа, образован дугой окружности, описывающей головку зуба, и дугой окружности, описывающей ножку зуба с одной стороны, и дугой окружности, описывающей ножку зуба с другой стороны. За счет того, что дуги окружностей образованы радиусами, имеющими центры не на витке статора или ротора как в прототипе, а на оси симметрии головки или ножки зуба, в зависимости от формообразования профиля вершины или впадины зуба соответственно, дуги окружностей в месте их сопряжения в профиле не пересекаются, а плавно переходят без излома одна в другую в общей точке. Прототип же в месте сопряжения дуг окружностей имеет прямую линию, объединяющую их, поэтому у точек сопряжения дуг и линии (касательной к этим дугам) имеется участок пересечения этих элементов, ухудшающих технологические и эксплутационные характеристики рабочей пары двигателя. В предлагаемом двигателе плавность перехода дуг окружностей, описывающих головку и ножку зуба, обеспечивается также и за счет того, что точки центров дуг и точка сопряжения расположены на одной прямой, а угол между этой прямой и касательной в этой точке и касательные в наивысшей и наинизших точках профиля зуба (то есть в вершине выпуклой и выгнутой частей зуба) и прямыми, проведенными из центра ротора или статора, равны 90^o, обеспечивая зависимость профилеобразования от расположения оси симметрии головки и ножки зуба, энергетических параметров двигателя, задающих величины радиусов дуг окружностей и их разницу в зависимости от заданного объема и мощности двигателя. Экспериментально доказано, что чем более мощный двигатель, тем большая разница в величине радиусов дуг окружностей (r₁/r₂ - где r₁ - радиус окружности, описывающий головку зуба и r₂ - радиус окружности, описывающий ножку зуба).A comparative analysis of the proposed invention with the prototype showed that the proposed helical engine differs from the prototype significantly: a comparison of the shaping of the tooth profile of the prototype and the claimed one shows that the proposed profile, in contrast to the prototype, is formed by an arc of a circle describing the tooth head and an arc of a circle describing the tooth leg on the one hand, and an arc of a circle describing the tooth leg on the other hand. Due to the fact that the arcs of circles are formed by radii having centers not on the turn of the stator or rotor as in the prototype, but on the axis of symmetry of the head or leg of the tooth, depending on the shape of the profile of the apex or cavity of the tooth, respectively, the arcs of circles in the place of their mating in the profile do not intersect, but smoothly pass without breaking one into another at a common point. The prototype at the point of conjugation of the arcs of circles has a straight line that unites them, therefore, the points of conjugation of the arcs and the line (tangent to these arcs) have a section of intersection of these elements, worsening the technological and operational characteristics of the working pair of the engine. In the proposed engine, the smooth transition of the arcs of circles describing the head and leg of the tooth is also ensured by the fact that the points of the centers of the arcs and the conjugation point are located on one straight line, and the angle between this line and the tangent at this point and the tangents at the highest and lowest points tooth profile (that is, at the apex of the convex and curved parts of the tooth) and straight lines drawn from the center of the rotor or stator are equal to 90 ^o , providing the dependence of profile formation on the location of the axis of symmetry of the head and legs of the tooth, energy param engine, specifying the values of the radii of the arcs of circles and their difference depending on a given volume and engine power. It has been experimentally proved that the more powerful the engine, the greater the difference in the radii of the arcs of circles (r ₁ / r ₂ - where r ₁ is the radius of the circle that describes the tooth head and r ₂ is the radius of the circle that describes the tooth leg).

В целом, по сравнению с прототипом, образованный только дугами окружностей предлагаемый профиль зуба позволяет получить систему идеального центроидного зацепления, обеспечивая максимальный объем двигателя и плавность передачи. Предлагаемое устройство обладает новизной и существенными отличиями. Прототип, содержащий зубья с профилем, имеющим множество изломов, ухудшает энергетические характеристики, повышая коэффициент трения на боковых поверхностях зуба, ухудшает условия зацепления рабочей пары ротор-статор. Предлагаемый двигатель имеет зубья на поверхности статора и ротора, профиль которых образован при определенном отношении радиусов окружностей, описывающих головку и ножку зуба. Экспериментально был установлен диапазон отношений этих радиусов. Таким диапазоном оказался предел от 0,08 до 2,5 (фиг.3). В этом диапазоне соблюдается плавность перехода дуг окружностей в точке их сопряжения, то есть нет изломов, ухудшающих эксплутационные качества профиля зуба, улучшается и упрощается технология получения профиля на поверхности статора или ротора режущим инструментом, исчезает операция по выглаживанию мест изломов, как это делалось в прототипе, увеличивается производительность труда специалистов по получению заданного профиля зубьев рабочей пары. Отношения, близкие к 2,5 и равные 2,5, позволяют получить профиль зубьев пары статор-ротор, позволяющий в свою очередь достичь максимально возможного увеличения объема двигателя, но при этом ухудшаются незначительно условия зацепления в зоне контакта статора с ротором. Отношения радиусов дуг окружностей, описывающих головку и ножку зуба за пределами значения, равного 2,5, ухудшают условия зацепления в зоне контакта ротор-статор, так как в местах сопряжения образуются изломы, уменьшается коэффициент полезного действия двигателя, ухудшаются и остальные энергетические характеристики двигателя. Отношения радиусов дуг окружностей за пределами 0,08 приводит к значительному уменьшению рабочего объема двигателя и как следствие - к снижению энергетических характеристик двигателя, не позволяя получить идеальный профиль зубьев без изломов. Отношение радиусов дуг окружностей, взятых в пределах, близких к 0,08, и равных 0,08, улучшает зацепление в узлах контакта пары статор-ротор. Оптимальным отношением радиусов дуг окружностей, описывающих головку и ножку зуба, является отношение, равное 1,064, применимое к двигателю 95Д5685. При данном отношении реализуются наилучшие условия зацепления, оптимальный объем двигателя, улучшается КПД двигателя, все энергетические характеристики его. Предполагаемый диапазон отношений радиусов дуг окружностей и расположение центров окружностей, описывающих головку и ножку зуба ротора или статора на оси симметрии головки или ножки зуба, позволяет реализоваться и всем остальным параметрам схемы профиля. Углы наклона меньше или больше 90^o не реализуют конечной цели изобретения - профиль в месте сопряжения дуг окружностей будет иметь изломы, а в наивысшей и наинизшей точках профиля - формирование головки будет реализовано профилем, состоящим из набора дуг окружностей с изломами в местах их сопряжения. Прямая линия, соединяющая точку сопряжения дуг с центрами этих дуг окружностей, описывающих головку и ножку зуба, облегчает конструктору профилеобразование в соответствии заданным объемом двигателя, так как зная центр окружности головки и точки сопряжения дуг окружностей, описывающих головку и ножку зуба, можно спроецировать на ось симметрии центр окружности ножки, прямая к центру будет являться одновременно радиусом окружности, описывающей ножку зуба.In general, in comparison with the prototype, the proposed tooth profile formed only by circular arcs allows to obtain an ideal centroid gearing system, providing maximum engine size and smooth transmission. The proposed device has a novelty and significant differences. A prototype containing teeth with a profile having many kinks, worsens energy characteristics, increasing the friction coefficient on the lateral surfaces of the tooth, worsens the conditions of engagement of the working pair of the rotor-stator. The proposed engine has teeth on the surface of the stator and rotor, the profile of which is formed at a certain ratio of the radii of circles describing the head and leg of the tooth. The range of ratios of these radii was experimentally established. This range was the limit from 0.08 to 2.5 (figure 3). In this range, the smooth transition of the arcs of the circles at the point of mating is observed, that is, there are no kinks that impair the performance of the tooth profile, the technology for obtaining the profile on the surface of the stator or rotor with a cutting tool is improved and simplified, the operation to smooth out the fracture points disappears, as was done in the prototype , increases the productivity of specialists in obtaining a given profile of the teeth of the working pair. Relationships close to 2.5 and equal to 2.5 make it possible to obtain the tooth profile of the stator-rotor pair, which in turn allows to achieve the maximum possible increase in engine volume, but at the same time, the engagement conditions in the stator-rotor contact zone are slightly worsened. The ratios of the radii of the arcs of circles describing the head and leg of the tooth beyond a value of 2.5 worsen the engagement conditions in the contact area of the rotor-stator, as kinks form at the interface, the efficiency of the engine decreases, and the remaining energy characteristics of the engine deteriorate. The ratio of the radii of the arcs of circles beyond 0.08 leads to a significant decrease in the working volume of the engine and, as a result, to a decrease in the energy characteristics of the engine, not allowing to obtain an ideal tooth profile without kinks. The ratio of the radii of the arcs of circles taken within the limits close to 0.08 and equal to 0.08 improves the engagement at the contact nodes of the stator-rotor pair. The optimal ratio of the radii of the arcs of circles describing the head and leg of the tooth is a ratio of 1.064, applicable to the engine 95D5685. In this regard, the best conditions of engagement are realized, the optimum engine size, the engine efficiency, all its energy characteristics are improved. The assumed range of ratios of the radii of the arcs of circles and the location of the centers of the circles describing the head and leg of the tooth of the rotor or stator on the axis of symmetry of the head or leg of the tooth allows all other parameters of the profile scheme to be realized. Angles of inclination less than or greater than 90 ^° do not realize the ultimate goal of the invention - the profile at the junction of the arcs of circles will have kinks, and at the highest and lowest points of the profile - the formation of the head will be realized by a profile consisting of a set of arcs of circles with kinks at the places of their mating. A straight line connecting the conjugation point of the arcs with the centers of these circular arcs describing the head and foot of the tooth makes it easier for the designer to profile in accordance with the given engine volume, since knowing the center of the head circumference and the conjugation point of the circular arcs describing the head and leg of the tooth can be projected onto the axis symmetry, the center of the circle of the leg, the straight line to the center will be at the same time the radius of the circle describing the tooth leg.

Устройство промышленно применимо, прошло лабораторные испытания на винтовом двигателе 95Д5685 и спроектированы по этой схеме профили зубьев для других двигателей меньшей и большей мощностей с большим и меньшим объемами двигателя. Испытания показали надежные результаты. По двигателю 95Д5685 сравнительные данные показали, что двигатели героторного типа, имеющие рабочую пару ротор-статор с отношением зубьев, равным 5:6 (шагом 85 мм), рабочее давление - 70 атм., расход жидкости - 7 л/с, при образовании профиля как в прототипе имеет n=230 об./мин, М=205 кг/м, S_жив.=734 мм³, V₀=1,85 л, а предложенная схема образования профиля показала, что n=220 об./мин, М=211 кг/м, S_жив.=744,2 мм³, V₀=1,9 л. То есть предложенный винтовой двигатель позволяет улучшить энергетические характеристики (момент М и рабочий объем двигателя V₀).The device is industrially applicable, it has passed laboratory tests on a 95D5685 screw engine and tooth profiles have been designed according to this scheme for other engines of lower and higher power with larger and smaller engine sizes. Tests have shown reliable results. Comparative data on the 95D5685 engine showed that gerotor-type engines having a working rotor-stator pair with a tooth ratio of 5: 6 (85 mm increments), working pressure - 70 atm., Fluid flow rate - 7 l / s, when forming a profile as in the prototype has n = 230 rpm./min, M = 205 kg / m, S is _alive. = 734 mm ³ , V ₀ = 1.85 L, and the proposed profile formation scheme showed that n = 220 rpm, M = 211 kg / m, S is _alive. = 744.2 mm ³ , V ₀ = 1.9 l. That is, the proposed screw engine can improve energy performance (torque M and engine displacement V ₀ ).

В предложенном изобретении профиль зуба "П" есть функция, зависящая от заданного объема двигателя Д, соотношения радиусов дуг окружностей C, описывающих головку и ножку зуба, оси симметрии Z, определяющей место положение центров окружностей: П=f(Д•C•Z). In the proposed invention, the tooth profile “P” is a function depending on the given engine volume D, the ratio of the radii of the arcs of circles C, describing the head and leg of the tooth, the axis of symmetry Z, which determines the position of the centers of the circles: P = f (D • C • Z) .

Винтовой забойный двигатель содержит основные узлы: рабочую пару, состоящую из стального ротора 2 и обрезиненного статора 1 (фиг. 1), карданного вала, шпинделя, в корпусе которого установлен на многорядной осевой шаровой опоре и радиальных опорах вал шпинделя (не показаны). Статор выполнен в виде стальной трубы с привулканизованной в ее расточке обкладкой. На внутренней поверхности обкладки выполнены винтовые зубья профиля, образованного дугами окружностей 5, 6, 7, описывающих головку 3 и ножку 4 зуба, при отношении радиусов окружностей в пределах 0,08-2,5 без пересечений и изломов в точке их соприкосновения 8 за счет расположения центров этих окружностей на оси симметрии головки или ножки зуба Z₁ и Z₂ соответственно. Возможных центров окружностей O₁-O₅ и O₆-O₁₀ и сопряженных дуг без излома, как показано на фиг. 3, имеется по 5. Дуги окружностей, описывающих головку 3 и ножку 4 зуба, образованы из центров на оси симметрии головки или ножки радиусами, лежащими на одной прямой 9, проходящей через точку сопряжения 8 этих дуг (фиг. 2), что упрощает способ профилеобразования в целом при заданном параметре впадины (ножки) или выпуклой части (головки) зуба.The downhole screw motor contains the main components: a working pair consisting of a steel rotor 2 and a rubberized stator 1 (Fig. 1), a cardan shaft, a spindle, in the housing of which a spindle shaft (not shown) is mounted on a multi-row axial ball bearing and radial bearings. The stator is made in the form of a steel pipe with a lining vulcanized in its bore. On the inner surface of the lining, helical teeth of a profile formed by arcs of circles 5, 6, 7, describing the head 3 and tooth leg 4, are made, with the ratio of the radii of the circles within 0.08-2.5 without intersections and kinks at the point of contact 8 due to the location of the centers of these circles on the axis of symmetry of the head or tooth leg Z ₁ and Z _2, respectively. Possible centers of circles O ₁ -O ₅ and O ₆ -O ₁₀ and conjugate arcs without kink, as shown in FIG. 3, there are 5. Arcs of circles describing the head 3 and tooth leg 4 are formed from centers on the axis of symmetry of the head or leg with radii lying on one straight line 9 passing through the conjugation point 8 of these arcs (Fig. 2), which simplifies the method profile formation in general with a given parameter of the cavity (legs) or convex part (head) of the tooth.

Внутри обкладки статора с эксцентриситетом относительно его оси расположен стальной тонкостенной ротор 2 (фиг. 1), имеющий наружные винтовые зубья того же направления, что и зубья статора 1. Число зубьев ротора 2 на один меньше, чем у статора 1. Шаги винтовых линий зубьев ротора и статора пропорциональны их числам. Высота зубьев ротора 2 и статора 1 в 2 раза больше эксцентриситета, поэтому в любом сечении двигателя зубья ротора 2 находятся в контакте с зубьями статора 1. Inside the stator lining with an eccentricity relative to its axis, there is a steel thin-walled rotor 2 (Fig. 1) having external helical teeth in the same direction as the teeth of the stator 1. The number of teeth of the rotor 2 is one less than that of the stator 1. The steps of the helical teeth rotor and stator are proportional to their numbers. The height of the teeth of the rotor 2 and the stator 1 is 2 times greater than the eccentricity, therefore, in any section of the motor, the teeth of the rotor 2 are in contact with the teeth of the stator 1.

Устройство работает следующим образом. При подаче в двигатель промывочной жидкости под давлением на ротор 2 действуют неуравновешенные гидравлические силы, приводящие его во вращение. Ротор 2 совершает планетарное движение, обкатываясь по зубьям статора по 3 и 4. Кинематически это движение можно представить как качение без проскальзывания подвижной центроиды ротора радиуса "b" по неподвижной центроиде статора радиуса "a" [8]. При левом направлении зубьев ротора и статора ось ротора Z₁ вращается относительно оси статора по окружности радиуса E против часовой стрелки, а сам ротор вращается по часовой стрелке, совершая один оборот за Z оборотов в переносном движении. Вследствие многозаходного исполнения и разницы в числах зубьев ротора и статора, равной единице, рабочие органы представляют собой планетарный редуктор, позволяющий понижать частоту вращения в N раз и соответственно повышать крутящий момент двигателя. Объем жидкости в двигателе переходит из области высокого давления в область низкого давления. При этом необходимо учитывать потери на трение и утечки жидкости через контактные линии. Для снижения механических потерь ранее предлагались пути: применять материалы рабочей пары с меньшим коэффициентом трения; повысить чистоту рабочих поверхностей ротора. Предлагаемое устройство решает эту задачу путем оптимизации профиля зубьев ротора и статора, при которой уменьшение коэффициента трения и повышение чистоты поверхности в зоне зацепления, в точках контакта рабочей пары осуществляется за счет образования профиля зубьев без изломов в точке сопряжения 8 дуг окружностей 5, 6, 7, описывающих ножку 4 и головку 3 зуба. Оптимизация облегчена образованием профиля двумя-тремя дугами окружностей 5, 6, 7, касательные 10 к ним в наивысшей и наинизшей точках зуба образуют к прямой, проведенной из центра ротора Z, угол, равный 90^o, облегчая сопряжение дуг в точке соприкосновения наименьшим количеством элементов образования профиля зуба. Отсюда вытекает и то, что угол между касательной 11 в точке пересечения головки и ножки зуба и прямой 9, проходящей через центры (O₁-O₆; O₂-O₇; O₃-O₈; O₄-O₉; O₅ - O₁₀, фиг.3) будет равен 90^o. В предлагаемом устройстве за счет образования профиля зубьев дугами окружностей узлы сопряжения трущихся поверхностей локализованы до точек и в связи с этим зубья рабочей пары в рабочем состоянии испытывают меньшие нагрузки и меньше подвергаются износу, а за счет отсутствия изгибов в месте сопряжения дуг окружностей, образующих зуб, значительно уменьшается трение в местах зацепления, что также уменьшает износ зубьев, уменьшает механические потери двигателя. Такое решение позволяет расширить диапазон применяемых материалов, используемых для изготовления рабочей пары статор-ротор, допуская менее дорогостоящую сталь.The device operates as follows. When the washing fluid is supplied to the engine under pressure, unbalanced hydraulic forces act on the rotor 2, causing it to rotate. Rotor 2 performs a planetary motion, rolling around the stator teeth by 3 and 4. Kinematically, this movement can be represented as rolling without slipping the movable centroid of the rotor of radius "b" along the stationary centroid of the stator of radius "a" [8]. With the left direction of the teeth of the rotor and stator, the axis of the rotor Z ₁ rotates about the axis of the stator in a circle of radius E counterclockwise, and the rotor itself rotates clockwise, making one revolution for Z revolutions in a portable movement. Due to the multi-start design and the difference in the number of teeth of the rotor and stator equal to unity, the working bodies are a planetary gearbox, which allows to reduce the speed by N times and accordingly increase the engine torque. The volume of fluid in the engine moves from the high pressure region to the low pressure region. In this case, it is necessary to take into account friction losses and fluid leaks through contact lines. To reduce mechanical losses, previously proposed ways: apply materials of the working pair with a lower coefficient of friction; increase the cleanliness of the working surfaces of the rotor. The proposed device solves this problem by optimizing the profile of the teeth of the rotor and stator, in which the decrease in the coefficient of friction and the increase in surface cleanliness in the engagement zone, at the points of contact of the working pair, is achieved through the formation of the tooth profile without kinks at the mating point of 8 arcs of circles 5, 6, 7 describing the leg 4 and the head 3 of the tooth. Optimization is facilitated by the formation of a profile by two or three arcs of circles 5, 6, 7, tangent 10 to them at the highest and lowest points of the tooth form an angle equal to 90 ^o to the straight line drawn from the center of the rotor Z, making it easier to link arcs at the point of contact with the least number of elements education profile of the tooth. It also follows that the angle between the tangent 11 at the intersection of the head and tooth leg and straight line 9 passing through the centers (O ₁ -O ₆ ; O ₂ -O ₇ ; O ₃ -O ₈ ; O ₄ -O ₉ ; O ₅ - O ₁₀ , figure 3) will be equal to 90 ^o . In the proposed device due to the formation of the tooth profile by arcs of circles, the knots of the friction surfaces are localized to points and in this regard, the teeth of the working pair in working condition experience less stress and less wear, and due to the absence of bends at the interface between the arcs of the circles forming the tooth, significantly reduces friction at the engagement sites, which also reduces tooth wear, reduces mechanical loss of the engine. This solution allows you to expand the range of materials used for the manufacture of the working pair of the stator-rotor, allowing for less expensive steel.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение имеет преимущества:
- упрощается проектирование профиля зубьев в связи с минимальным количеством элементов, образующих профиль и простой их взаимосвязи;
- проектирование профиля принципиально отличается от ранее существующих и прототипа отсутствием в точке сопряжения элементов проектирования участков излома, самопересечений, что значительно упрощает технологию изготовления инструмента, не требует дополнительных операций по сглаживанию профиля после обработки поверхности режущим инструментом (червячной фрезой);
- образование профиля зуба только тремя дугами окружностей надежно оптимизирует объем двигателя и приводит к увеличению объема по сравнению с полученным объемом по профилю, спроектированному в прототипе и других известных двигателях;
- появляется новая возможность увеличения объема уже существующих двигателей за счет обработки червячной фрезы способом, используемым в предлагаемом техническом решении. Для этого готовится специальная червячная фреза, позволяющая реализовать заданный профиль, предложенный изобретением. В связи с этим появляется перспектива "продления жизни" двигателям героторного типа, списанных ранее или требующих увеличения объема и улучшения энергетических характеристик;
- зубья профиля предложенной схемы образования могут быть получены и для рабочих пар винтовых насосов;
- в зоне трения рабочей пары по прототипу и в известных устройствах профили зубьев образованы с самопересечениями и изломами в точке или точках сопряжения элементов, описывающих головку и ножку зуба. Следовательно, трение сопровождается выбросом газов (H₂, CO и CO₂) в значительных количествах [8], что приводит к изменению физико-химических превращений в смазочных материалах и ухудшает работу пары, за счет ухудшения прочностных характеристик трущихся поверхностей;
- предлагаемый двигатель с рабочей парой ротор-статор имеет профиль зубьев, обеспечивающий, как показали испытания, работу поверхностей трения в режиме, обуславливающем уменьшение касательных напряжений и обеспечивающем длительную износостойкость контактирующей пары;
- уменьшение эффективной площади поверхности трения за счет предложенного профиля зубьев ротора и статора снижает потери энергии на скольжение поверхностей, уменьшает коэффициент трения и способствует уменьшению проникновения водорода в поверхностные слои рабочей пары двигателя и не ведет к увеличению хрупкости поверхности и повышению износа трущихся элементов, как это наблюдается в двигателях типа прототипа и например а. с. N 926209, МКИ E 21 B 4/02, где задачу по препятствию самоторможения в механизме решают более сложным путем расчета параметра C_т - отношение шага винтовой поверхности рабочего органа (ротора и статора) к его среднему диаметру и угла подъема винтовой линии;
- предложенные профили зубьев обеспечивают плотный контакт трущихся поверхностей в зоне зацепления и обеспечивают снижение утечки жидкости в рабочих органах двигателя;
- данный вид зацепления вследствие большего периметра зацепляющихся профилей позволяет снизить натяг в рабочей паре ротор-статор на 0,1-0,15 без потерь КПД из-за перетекания жидкости из камеры в камеру. Это дает увеличение КПД вследствие уменьшения момента трения в паре ротор-статор более чем в 4 раза. Например, при уменьшении натяга в паре на двигателе 95Д5685 на 0,1 дает уменьшение момента жидкостного трения в паре с 0,669 кг/м до 0,15 кг/м.Compared with the prototype, the invention has advantages:
- simplifies the design of the tooth profile in connection with the minimum number of elements forming the profile and their simple relationship;
- the design of the profile is fundamentally different from the previous ones and of the prototype by the absence at the interface of the design elements of the fracture sections, self-intersections, which greatly simplifies the manufacturing technology of the tool, does not require additional operations to smooth the profile after surface treatment with a cutting tool (worm cutter);
- the formation of the tooth profile with only three arcs of circles reliably optimizes the engine volume and leads to an increase in volume compared with the volume obtained along the profile designed in the prototype and other known engines;
- there is a new opportunity to increase the volume of existing engines due to the processing of the worm cutter in the manner used in the proposed technical solution. For this, a special worm cutter is being prepared, which allows to realize the specified profile proposed by the invention. In this regard, there is the prospect of "prolonging life" for gerotor-type engines, previously written off or requiring an increase in volume and improved energy characteristics;
- the teeth of the profile of the proposed education scheme can be obtained for working pairs of screw pumps;
- in the friction zone of the working pair of the prototype and in known devices, the tooth profiles are formed with self-intersections and kinks at the point or points of mating of elements describing the head and leg of the tooth. Consequently, friction is accompanied by the release of gases (H ₂ , CO, and CO ₂ ) in significant quantities [8], which leads to a change in physicochemical transformations in lubricants and impairs the work of the pair, due to the deterioration of the strength characteristics of rubbing surfaces;
- the proposed engine with a working pair of rotor-stator has a tooth profile that ensures, as tests have shown, the work of friction surfaces in a mode that causes a decrease in tangential stresses and provides long-term wear resistance of the contacting pair;
- reducing the effective surface area of the friction due to the proposed profile of the teeth of the rotor and stator reduces the energy loss on sliding surfaces, reduces the friction coefficient and helps to reduce the penetration of hydrogen into the surface layers of the working pair of the engine and does not increase the fragility of the surface and increase wear of the rubbing elements, as it observed in engines of the prototype type and for example a. from. N 926209, MKI E 21 B 4/02, where the task of preventing self-braking in the mechanism is solved by a more complicated one by calculating the parameter C _t - the ratio of the pitch of the helical surface of the working body (rotor and stator) to its average diameter and the angle of elevation of the helix;
- the proposed tooth profiles provide tight contact of the rubbing surfaces in the engagement zone and reduce the leakage of fluid in the working bodies of the engine;
- this type of engagement due to the larger perimeter of the engaging profiles allows to reduce the tightness in the working pair of the rotor-stator by 0.1-0.15 without loss of efficiency due to the flow of fluid from the chamber to the chamber. This gives an increase in efficiency due to a decrease in the friction moment in the rotor-stator pair by more than 4 times. For example, when reducing the tightness in the pair on the 95D5685 engine by 0.1, it reduces the moment of fluid friction in the pair from 0.669 kg / m to 0.15 kg / m.

Источники информации, принятые во внимание
1. А.С. N237596, МКИ F 04 С 5/02, 1969 г. (аналог).Sources of information taken into account
1. A.S. N237596, MKI F 04 C 5/02, 1969 (analogue).

2. Пат. США N 2028407, НКИ 418-48, 1936 г. (аналог). 2. Pat. USA N 2028407, NKI 418-48, 1936 (analogue).

3. Пат. Японии N 4-42554, МКИ F 04 C 18/16. 26.08.89 г. (аналог). 3. Pat. Japan N 4-42554, MKI F 04 C 18/16. 08/26/89, (analog).

4. Пат. Японии N 4-51674, МКИ F 04 С 18/16, 20.06.86 г. (аналог)
5. Пат. PCT (WO) N 94/23208, МКИ F 04 C 2/00, 25.03.94 г. (аналог).4. Pat. Japan N 4-51674, MKI F 04 S 18/16, 06/20/86 (analog)
5. Pat. PCT (WO) N 94/23208, MKI F 04 C 2/00, 03/25/94, (analog).

6. Пат. PCT (WO) N 94/23207, МКИ F 04 C 2/10, 13.10.94 г. (аналог). 6. Pat. PCT (WO) N 94/23207, MKI F 04 C 2/10, 10/13/94 (analog).

7. Пат. США N 3168049, МКИ F 04 C 2/107, 02.02.65 г. (прототип). 7. Pat. USA N 3168049, MKI F 04 C 2/107, 02.02.65, (prototype).

8. Долговечность трущихся деталей машин. Сб.ст., вып.2, под ред. Д.Н. Гаркунова, М.: Машиностроение, 1987 г., с. 136-137, 152- 153.(аналог)
9. А.С. N 926209, МКИ, E 21 B 4/02 от 29.03.79 г. (аналог).8. The durability of the rubbing parts of machines. Sb.st., issue 2, under the editorship of D.N. Garkunova, Moscow: Engineering, 1987, p. 136-137, 152-153. (analog)
9. A.S. N 926209, MKI, E 21 B 4/02 of March 29, 79 (analogue).

Claims

A screw motor including a working stator-rotor pair, the rotor is placed inside the stator with an eccentricity with respect to the stator axis, the stator has an internal gear surface, the rotor has an external gear surface, the teeth are in the engaged position, the number of external teeth is one more than the number of internal teeth, characterized in that the tooth profile is made of three arcs of circles, two are the tooth leg and one is the tooth head, the centers of the circles describing the tooth leg and head are located on the axis of symmetry of the legs and heads, respectively, the arcs of circles in the place of their mating have a common point and without self-intersection in it, the points of the centers of the circles of the head and legs and the mating point are located on one straight line, and the angles α between the tangents drawn at the highest and lowest points of the profile and straight lines drawn from the center of the rotor or stator, depending on the tooth forming element in the engine pair, the rotor-stator and the angle formed by the tangent at the intersection of the arcs of circles describing the head and leg of the tooth and a straight line passing through of the centers of the arcs are 90 ^o, the relationship of the radii of the circles describing head and foot of the tooth, 0.08 - 2.5 respectively.