RU2228444C1 - Героторный механизм винтовой гидромашины - Google Patents

Героторный механизм винтовой гидромашины Download PDF

Info

Publication number
RU2228444C1
RU2228444C1 RU2003108246/06A RU2003108246A RU2228444C1 RU 2228444 C1 RU2228444 C1 RU 2228444C1 RU 2003108246/06 A RU2003108246/06 A RU 2003108246/06A RU 2003108246 A RU2003108246 A RU 2003108246A RU 2228444 C1 RU2228444 C1 RU 2228444C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stator
rotor
teeth
circles
tool
Prior art date
Application number
RU2003108246/06A
Other languages
English (en)
Inventor
В.Н. Андоскин
С.П. Астафьев
М.А. Пушкарёв
А.С. Глинкин
М.В. Фадеев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to RU2003108246/06A priority Critical patent/RU2228444C1/ru
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис"
Priority to BRPI0408941-3A priority patent/BRPI0408941A/pt
Priority to MXPA05010215A priority patent/MXPA05010215A/es
Priority to AT04707700T priority patent/ATE453777T1/de
Priority to PCT/RU2004/000031 priority patent/WO2004085798A1/ru
Priority to CNB2004800080123A priority patent/CN100412320C/zh
Priority to US10/550,245 priority patent/US7226279B2/en
Priority to SI200431366T priority patent/SI1612370T1/sl
Priority to DK04707700.3T priority patent/DK1612370T3/da
Priority to CA2520760A priority patent/CA2520760C/en
Priority to ES04707700T priority patent/ES2337141T3/es
Priority to DE602004024875T priority patent/DE602004024875D1/de
Priority to EP04707700A priority patent/EP1612370B1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2228444C1 publication Critical patent/RU2228444C1/ru
Priority to CY20101100209T priority patent/CY1109872T1/el

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/107—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
    • F04C2/1073—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type where one member is stationary while the other member rotates and orbits
    • F04C2/1075—Construction of the stationary member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C2/00—Rotary-piston engines
    • F03C2/08—Rotary-piston engines of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
    • F04C2/084—Toothed wheels

Abstract

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей, а также к винтовым гидромоторам общего назначения. Профили ротора и/или статора в их торцевом сечении очерчены как огибающие исходного контура инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей при обкатке исходного контура инструментальной рейки без скольжения по соответствующим инструментальным окружностям, причем радиусы дуг окружностей исходного контура рассчитываются по определенным зависимостям. Улучшаются энергетические характеристики, повышается ресурс и технологичность изготовления, снижаются гидромеханические потери и уменьшается стоимость. 1 з.п.ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей, а также к винтовым гидромоторам общего назначения.
Известен многозаходный винтовой героторный механизм винтового забойного двигателя, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев [1].
В известной конструкции профили зубьев статора и ротора в торцевом сечении выполнены как огибающие общего исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды. При этом в торцевом сечении толщина Ct зуба статора по среднему диаметру Dcp зубьев и окружной шаг St этих зубьев связаны соотношением Ct/St=0,45-0,65, а толщина CN зуба статора по среднему диаметру Dcp зубьев в сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба статора, и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением СN/h ≥ 1,75.
Недостатком известного героторного механизма является то, что суммарный диаметральный натяг в механизме распределяется по зубьям статора таким образом, что деформация выступа зуба статора значительно больше деформации его впадины, в результате чего может происходить смещение оси ротора в сторону уменьшения эксцентриситета и, как следствие, нарушаться расчетная кинематика героторного механизма, увеличиваться износ по вершинам зубьев ротора и статора, уменьшаться натяг в зоне полюса зацепления, снижаться ресурс героторного механизма.
Указанный недостаток частично устранен в героторном механизме, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев [2]. Профиль зубьев статора в торцевом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой с радиусом RC1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцевом сечении выполнен как огибающая другого исходного контура циклоидальной рейки с радиусом эквидистанты RC2, выполненным больше, чем RC1, или связанным соотношением RC2=RC1+(0,1...0,5)E, где Е - радиус производящей окружности, равный величине эксцентриситета [2].
Другим вариантом известной конструкции является выполнение героторного механизма таким образом, что профиль зубьев статора в торцевом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой с радиусом RC1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцевом сечении очерчен сопряженными дугами окружностей, причем выступ зуба ротора очерчен дугой радиуса RB большего, чем радиус эквидистанты статора RC1, или связан с ним соотношением RC2=RC1+(0,1...0,5)E, а профиль впадины зуба ротора очерчен дугой радиуса RV, зависящего от числа зубьев ротора, его наружного диаметра и эксцентриситета [2].
Недостатком известной конструкции является то, что за счет возникновения бокового и диаметрального натягов, распределенных равномерно, возникают высокие контактные напряжения, достигающие максимума при минимальных углах давления, что вызывает односторонний фрикционный износ зубьев (на левой стороне зубьев ротора, если смотреть со стороны подвода рабочей жидкости), а возникающие в зацеплении силы трения создают моменты сопротивления, препятствующие вращению ротора вокруг своей оси и его планетарному движению, что ухудшает энергетические характеристики механизма.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины, содержащий элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора 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, торцевой профиль зубьев одного из элементов выполнен как огибающая исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды со смещением, а торцевой профиль зубьев другого элемента выполнен в виде эквидистанты огибающей первого элемента при обкатывании без проскальзывания их центроид, а величина эквидистантности составляет половину величины диаметрального натяга в зацеплении [3].
Недостатком известной конструкции является то, что не учитываются условия скольжения винтовых зубьев ротора по винтовым зубьям статора, то есть в зоне максимально удаленной от мгновенного центра вращения (полюса зацепления), где скорости скольжения наибольшие, за счет равномерно распределенного натяга возникает повышенный износ упругоэластичных зубьев статора и износостойкого покрытия зубьев ротора. Другим недостатком является то, что не учитываются условия эксплуатации героторного механизма (температура, характер нагрузок при бурении различных по твердости и составу пород), например, для “горячих” скважин с температурой выше 100° С требуется применение героторных механизмов с зазором в зацеплении ротор-статор. Применение в таких скважинах героторных механизмов с натягом в зацеплении может привести к повышенному износу, резкому снижению КПД и заклиниванию механизма. Еще одним недостатком известной конструкции является отсутствие возможности изменения натяга и корригирования формы зубьев ротора и статора без изменения наружных диаметров ротора и/или статора, что не позволяет создать надежное уплотнение по контактным линиям в героторном механизме с “нулевым” радиальным натягом в зацеплении.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении энергетических характеристик героторного механизма винтовой гидромашины при подводе к ней гидравлической мощности и возникающем перепаде давления в рабочих органах, повышении ее ресурса и снижении гидромеханических потерь за счет образования в зацеплении бокового натяга, улучшения уплотнения по контактным линиям и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения путем перераспределения натяга в зацеплении и его оптимизации в зависимости от расстояния между мгновенным центром вращения (полюсом зацепления) и зоной контакта профилей.
Другой технической задачей является повышение технологичности изготовления и уменьшение стоимости героторного механизма за счет упрощения селективного подбора рабочих пар по радиальному натягу, а также улучшение энергетических характеристик героторных механизмов с учетом условий эксплуатации, например, для “горячих” скважин за счет уменьшения бокового натяга или создания бокового зазора при постоянном радиальном натяге.
Сущность технического решения заключается в том, что в героторном механизме винтовой гидромашины, состоящем из статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ходы винтовых линий статора и ротора пропорциональны их числам зубьев, ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, согласно изобретению профили ротора и/или статора в их торцевом сечении очерчены как огибающие исходного контура инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей, при обкатке исходного контура инструментальной рейки без скольжения по соответствующим инструментальным окружностям, причем радиусы дуг окружностей исходного контура определены выражениями rи=K[(π 2r 2 w1 /4Ez 2 1 )+E]/(K+1) или rи=K[(π 2r 2 w2 /4Ez 2 2 )+E]/(K+1), rс=rи/K, где rи - исходный радиус профиля инструментальной рейки, К=(0,5...2) - коэффициент формы исходного контура, rw1, rw2 - радиусы инструментальных окружностей соответственно статора и ротора, Е - эксцентриситет зацепления, z1, z2 - числа зубьев соответственно статора и ротора, rc - сопряженный радиус профиля инструментальной рейки.
Кроме того, в героторном механизме винтовой гидромашины профиль половины каждого из зубьев в торцевом сечении ротора и/или статора может быть очерчен как огибающая исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды, при обкатке исходного контура инструментальной рейки без скольжения по соответствующей инструментальной окружности.
При выполнении указанных соотношений для исходного контура инструментальной рейки и при сборке героторных механизмов с различными вариантами профилей обеспечивается возможность создания бокового натяга в зацеплении. В результате чего достигается надежное уплотнение по контактным линиям при подаче к гидромашине потоком жидкости гидравлической мощности, появляется возможность уменьшения радиального натяга в зацеплении и сборки рабочих пар без селективного подбора. Снижается момент сил сопротивления за счет уменьшения радиального натяга и контактных нагрузок на участках, максимально удаленных от мгновенного центра вращения (полюса зацепления), то есть в зоне максимальных скоростей скольжения. Учитываются условия скольжения винтовых зубьев ротора по винтовым зубьям статора за счет перераспределения натяга в зацеплении в сторону его уменьшения от зон минимальных скоростей скольжения к зонам, где скорости скольжения максимальны.
Кроме того, за счет подбора коэффициента К обеспечивается возможность:
- изменения боковых натягов в зацеплении при постоянном радиальном натяге;
- получения бокового зазора в зацеплении при наличии радиального натяга;
- получения радиального зазора в зацеплении при наличии бокового натяга.
Выполнение профиля одной половины каждого из зубьев в торцевом сечении ротора и/или статора как огибающей исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды, а профиля другой половины зуба ротора и/или статора как огибающей исходного контура инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей, позволяет дополнительно учитывать условия эксплуатации механизма, уменьшить односторонний износ зубьев.
Коэффициент формы исходного контура К выбирается в зависимости от условий эксплуатации героторного механизма и вариантов его сборки, например, для обеспечения бокового натяга в зацеплении ротора, имеющего профиль винтовых зубьев в соответствии с заявляемым изобретением, со статором, имеющим профиль, очерченный циклоидальной рейкой, коэффициент К выбирается больше или равным 1. Величина радиального натяга зависит от выбранных величин смещения исходного контура инструментальной рейки при формообразовании сопрягаемых профилей. При коэффициенте К менее 0,5 чрезмерно уменьшается толщина зуба ротора и соответственно увеличивается толщина зуба статора, при коэффициенте К более 2 чрезмерно увеличивается толщина зуба ротора и соответственно уменьшается толщина зуба статора, что исключает возможность использования заявляемых роторов и/или статоров с роторами и/или статорами героторных механизмов, эксплуатируемых в России.
Ниже представлены варианты конструкции героторного механизма.
На фиг.1 показан продольный разрез героторного механизма винтовой забойной гидромашины.
На фиг.2 показано поперечное сечение героторного механизма по линии А-А.
На фиг.3 показана схема образования исходного контура инструментальной рейки, полученного сопряжением дуг окружностей с радиусами rи и rс.
На фиг.4 показано образование профиля ротора от исходного контура инструментальной рейки, полученного сопряжением дуг окружностей.
На фиг.5 показано образование профиля статора от исходного контура инструментальной рейки, полученного сопряжением дуг окружностей.
На фиг.6 показан пример зацепления статора и ротора с “нулевым” радиальным натягом при наличии боковых натягов (изображены в увеличенном масштабе).
На фиг.7 показан пример зацепления статора и ротора для использования в “горячих” скважинах с “нулевым” радиальным натягом при наличии боковых зазоров (изображены в увеличенном масштабе).
На фиг.8 показан пример зацепления статора и ротора, у которых одна половина профиля каждого из зубьев очерчена как огибающая исходного контура циклоидальной рейки (зазоры и натяги изображены в увеличенном масштабе).
Героторный механизм винтовой гидромашины, см. фиг.1, 2, содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев 2 статора 1. Внутренние винтовые зубья 2 статора 1 выполнены из упругоэластичного материала, например из резины, привулканизованной к внутренней поверхности остова 5 статора 1. Ось 6 статора 1 смещена относительно оси 7 ротора 3 на эксцентриситет 8, величина которого Е равна половине радиальной высоты h зубьев 2 и 4. Рабочая центроида 9 (начальная окружность) статора 1 с радиусом c=Ez1 касается рабочей центроиды 10 (начальной окружности) ротора 3 с радиусом b=Ez2 в полюсе зацепления Р, см. фиг.2. Ходы винтовых линий Т1 и Т2 зубьев 2 и 4 соответственно статора 1 и ротора 3, см. фиг.1, пропорциональны их числам зубьев z1 и z2.
Существенным признаком исходного контура инструментальной рейки героторного механизма согласно изобретению является то, что он образован сопряжением дуг окружностей, см. фиг.3, исходный радиус одной из которых определен выражением rи=K[(π 2r 2 w1 /4Ez 2 1 )+Е]/(К+1) или rи=K[(π 2r 2 w2 /4Ez 2 2 )+Е]/(К+1), сопряженный радиус другой определен выражением rс=rи/К, координаты текущих точек m и n исходного контура определены выражениями Хm=rи(cos(Ψ m)-1)+2Е, Ym=rиsinΨ m, Xn=rc(1-cosΨ n), Yn=(π rw1(2)/z1(2))-rсsinΨ n, где Ψ m=(0...Ψ a), Ψ n=(0...Ψ a) - центральные углы с выбранной дискретностью на участках исходного контура с радиусами rи и rс соответственно, Ψ a=arcsin[(π rw1(2)/z1(2))/(rи+rc)] - центральный угол исходного контура в точке сопряжения дуг окружностей. Контур, образованный дугами окружностей, имеет высоту, равную 2Е, и длину, равную 2π rw1(2)/z1(2). При этом угол профиля исходного контура, сопряженного дугами окружностей, определен выражениями α pt=(π /2)-Ψ m или α рt=(π /2)-Ψ n, см. фиг.3.
Существенным признаком профилей зубьев ротора 3 и/или статора 1 в торцевом сечении героторного механизма является то, что они очерчены как огибающие исходного контура 11 инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей 12 и 13 с радиусами rи и rс соответственно, см. фиг.4 и 5. Профиль зубьев 4 и 2 образуется при качении инструментальной прямой 14 и связанного с ней исходного контура 11 без скольжения по соответствующим инструментальным окружностям. При этом дуга с радиусом rи формирует преимущественно профиль вершины зуба 4 ротора 3, см. фиг.4, и профиль впадины зуба 2 статора 1, см. фиг.5, а дуга с радиусом rс формирует преимущественно профиль впадины зуба 4 ротора 3, см. фиг.4, и профиль вершины зуба 2 статора 1, см. фиг.5. Радиусы инструментальных окружностей 15 ротора 3 и 16 статора 1, см. фиг.4 и 5, выбираются исходя из числа зубьев и величины эксцентриситета. Для выполнения заданных диаметров ротора 3 по выступам зубьев 4 и статора 1 по впадинам зубьев 2 задаются величины смещения х2 и х1 исходных контуров ротора и статора соответственно, см. фиг.4 и 5. При этом профиль ротора 3 в торцевом сечении определен выражениями:
Xd2=(Xn(m)+rw2+x2)cosφ d2-(Yn(m)-rw2φ d2)sind2,
Yd2=(Xn(m)+rw2+x2)sinφ d2-(Yn(m)-rw2φ d2)cosd2,
а профиль статора в торцевом сечении определен выражениями:
Xd1=(Xn(m)+rw1+x1)cosφ d1-(Yn(m)-rw1φ d1)sind1,
Yd1=(Xn(m)+rw1+x1)sinφ d1-(Yn(m)-rw1φ d1)cosd1, где
φ d2=2[(Yn(m)-(x2+Xn(m))ctgα pt)/dw2], φ d1=2[(Yn(m)-(x1+Xn(m))ctgα pt)/dw1]
- углы поворота подвижной системы координат XtOtYt, связанной с инструментальной рейкой, относительно неподвижной системы координат ХdОdYd, связанной с центром соответствующей инструментальной окружности, см. фиг.4 и 5.
Одним из примеров конструкции героторного механизма является вариант, когда в зацеплении статора 1 и ротора 3 радиальный натяг Δ 0 отсутствует при наличии боковых натягов Δ 1, Δ 2, Δ 3, см. фиг.6. В примере показано зацепление профиля ротора 3, очерченного как огибающая исходного контура 11 инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей с коэффициентом К больше единицы, и профиля статора 1, очерченного как огибающая исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды. В рассмотренном примере боковой натяг распределен таким образом, что он уменьшается от зон минимальных скоростей скольжения к зонам, где скорости скольжения максимальны, то есть к наиболее удаленным от полюса зацепления Р (Δ 1<Δ 2<Δ 3), см. фиг.6, что обеспечивает высокие энергетические характеристики механизма и снижает износ вершин упругоэластичных зубьев 2 статора 1 и вершин зубьев 4 ротора 3.
Другим примером конструкции героторного механизма является вариант, когда в зацеплении статора 1 и ротора 3 радиальный натяг Δ 0 отсутствует при наличии боковых зазоров λ , см. фиг.7. В примере показано зацепление профиля ротора 3, очерченного как огибающая исходного контура 11 инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей с коэффициентом К меньше единицы, и профиля статора 1, очерченного как огибающая исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды. В рассмотренном примере боковые зазоры λ распределены таким образом, что обеспечиваются более высокие в сравнении с механизмом, имеющим в зацеплении равномерный зазор, энергетические характеристики героторного механизма при работе в “горячих” скважинах (с температурами выше 100° С), снижается отрицательное влияние перекашивающего момента за счет обеспечения контакта в точках L и М, см. фиг.7, и вероятность заклинивания героторного механизма в “горячей” скважине.
Еще одним примером конструкции героторного механизма является вариант, когда в зацеплении статора 1 и ротора 3 радиальный натяг Δ 0 отсутствует при наличии боковых зазоров λ 1, λ 2, λ 3 и боковых натягов Δ 1, Δ 2, Δ 3, см. фиг.8. В примере показано зацепление ротора 3 и статора 1, у которых одна половина профиля каждого из зубьев очерчена как огибающая исходного контура 11 инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей с коэффициентом К меньше единицы, а другая половина профиля зуба очерчена как огибающая исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды. Причем ротор 3 и статор 1 собраны таким образом, что профили, очерченные как огибающие исходного контура 11 инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей, контактируют в зацеплении с профилями, очерченными как огибающие исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды. В рассмотренном примере имеются боковые зазоры λ 1, λ 2, λ 3 и боковые натяги Δ 1, Δ 2, Δ 3, см. фиг.8, что обеспечивает снижение одностороннего износа зубьев за счет уменьшения контактных нагрузок в зонах максимальных скоростей скольжения и в зонах минимальных углов давления. Кроме того, за счет возникновения перепада давления между полостями с боковыми зазорами и полостями с боковыми натягами снижается отрицательное воздействие перекашивающего момента, так как указанные полости распределяются равномерно по всей длине героторного механизма.
Возможны и другие варианты зацепления в героторных механизмах, причем корригирование формы зуба и изменение величины натяга обеспечиваются подбором оптимальных величин коэффициента К и смещений x1 и x2 исходных контуров инструментальных реек при проектировании механизма.
Героторный механизм забойной гидромашины работает следующим образом. При использовании героторного механизма в винтовом забойном двигателе промывочная жидкость подается в верхнюю часть героторного механизма по колонне бурильных труб (не показаны). Под действием перепада давления промывочной жидкости ротор 3 совершает планетарное движение внутри статора 1, обкатываясь винтовыми зубьями 4 по винтовым зубьям 2 статора 1, см. фиг.1, 2. При этом ось 7 ротора 3 совершает вращение вокруг оси 6 статора 1 по окружности радиуса Е, а сам ротор 3 поворачивается вокруг своей оси 7 в направлении, противоположном направлению планетарного движения, см. фиг.2.
Кинематически движение ротора 3 относительно статора 1 определяется качением без скольжения центроиды 10 ротора 3 радиусом b=Ez2 по центроиде 9 статора 1 радиусом c=Ez1 с мгновенным центром вращения ротора 3, находящимся в точке касания центроид - полюсе Р зацепления, см. фиг.2. В зацеплении происходит разделение полостей высокого и низкого давления по контактным линиям, при этом в случае наличия боковых натягов обеспечивается надежное уплотнение между полостями высокого и низкого давлений, что способствует снижению утечек рабочей жидкости и, как следствие, повышению энергетических характеристик героторного механизма (мощности и КПД). Кроме того, за счет отсутствия радиального натяга и снижения контактных нагрузок в зоне, максимально удаленной от полюса зацепления, где скорости скольжения наибольшие, см. фиг.6, снижается момент сил сопротивления и износ вершин зубьев 2 статора 1 и зубьев 4 ротора 3, что также способствует повышению энергетических характеристик героторного механизма и его износостойкости. При наличии в зацеплении боковых зазоров (механизм для работы в “горячей” скважине) принцип работы механизма аналогичен описанному выше, уплотнение обеспечивается за счет расширения упругоэластичных зубьев 2 статора 1 и зубьев 4 ротора 3, при этом контактные напряжения и соответственно силы трения в механизме оптимальны для обеспечения его высоких энергетических характеристик и высокой износостойкости.
Планетарное вращение ротора 3 передается на вал опорного узла и связанный с ним породоразрушающий инструмент (не показаны).
При использовании героторного механизма в винтовых насосах ротор 3 приводится во вращение и, обкатываясь по зубьям 2 статора 1, преобразует механическую энергию вращения в гидравлическую энергию потока жидкости. Кинематика движения ротора 3 винтового насоса и преимущества, получаемые при использовании предложенных вариантов героторных механизмов, аналогичны описанным выше для винтового двигателя.
Источники информации
1. RU, патент 2165531, кл. F 01 C 1/16, 5/04, Е 21 В 4/02, 2000.
2. RU, патент 2166603, кл. Е 21 В 4/02, 2000.
3. RU, патент 2194880, кл. F 04 C 2/16, F 04 C 5/00, 2002.12.20 - прототип.

Claims (2)

1. Героторный механизм винтовой гидромашины, состоящий из статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ходы винтовых линий статора и ротора пропорциональны их числам зубьев, ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, отличающийся тем, что профили ротора и/или статора в их торцевом сечении очерчены как огибающие исходного контура инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей при обкатке исходного контура инструментальной рейки без скольжения по соответствующим инструментальным окружностям, причем радиусы дуг окружностей исходного контура определены выражениями
Figure 00000002
или
Figure 00000003
где rи - исходный радиус профиля инструментальной рейки;
К=(0,5...2) - коэффициент формы исходного контура;
rw1, rw2 - радиусы инструментальных окружностей соответственно статора и ротора;
Е - эксцентриситет зацепления;
z1, z2 - числа зубьев соответственно статора и ротора;
rс - сопряженный радиус профиля инструментальной рейки.
2. Героторный механизм винтовой гидромашины по п.1, отличающийся тем, что профиль половины каждого из зубьев в торцевом сечении ротора и/или статора очерчен как огибающая исходного контура инструментальной рейки, образованного эквидистантой укороченной циклоиды, при обкатке исходного контура инструментальной рейки без скольжения по соответствующей инструментальной окружности.
RU2003108246/06A 2003-03-25 2003-03-25 Героторный механизм винтовой гидромашины RU2228444C1 (ru)

Priority Applications (14)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003108246/06A RU2228444C1 (ru) 2003-03-25 2003-03-25 Героторный механизм винтовой гидромашины
DK04707700.3T DK1612370T3 (da) 2003-03-25 2004-02-03 Gerotomekanisme for en skruehydraulisk maskine
AT04707700T ATE453777T1 (de) 2003-03-25 2004-02-03 Gerotormechanismus für eine hydraulische schraubenmaschine
PCT/RU2004/000031 WO2004085798A1 (fr) 2003-03-25 2004-02-03 Mecanisme dente d'une machine a vis
CNB2004800080123A CN100412320C (zh) 2003-03-25 2004-02-03 用于螺旋式液压机的内齿轴承机构
US10/550,245 US7226279B2 (en) 2003-03-25 2004-02-03 Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine
BRPI0408941-3A BRPI0408941A (pt) 2003-03-25 2004-02-03 mecanismo de gerotor para uma máquina hidráulica espiralada
MXPA05010215A MXPA05010215A (es) 2003-03-25 2004-02-03 Mecanismo gerotor para una maquina hidraulica giradora.
CA2520760A CA2520760C (en) 2003-03-25 2004-02-03 Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine
ES04707700T ES2337141T3 (es) 2003-03-25 2004-02-03 Mecanismo gerotor para maquina hidraulica de tornillo.
DE602004024875T DE602004024875D1 (de) 2003-03-25 2004-02-03 Maschine
EP04707700A EP1612370B1 (en) 2003-03-25 2004-02-03 Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine
SI200431366T SI1612370T1 (sl) 2003-03-25 2004-02-03 Gerotorski mehanizem za vijaŽŤni hidravliŽŤni stroj
CY20101100209T CY1109872T1 (el) 2003-03-25 2010-03-04 Μηχανισμος ροτορα αντλησης για μια μηχανη υδραυλικης κοχλιωσης

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003108246/06A RU2228444C1 (ru) 2003-03-25 2003-03-25 Героторный механизм винтовой гидромашины

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2228444C1 true RU2228444C1 (ru) 2004-05-10

Family

ID=32679556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003108246/06A RU2228444C1 (ru) 2003-03-25 2003-03-25 Героторный механизм винтовой гидромашины

Country Status (14)

Country Link
US (1) US7226279B2 (ru)
EP (1) EP1612370B1 (ru)
CN (1) CN100412320C (ru)
AT (1) ATE453777T1 (ru)
BR (1) BRPI0408941A (ru)
CA (1) CA2520760C (ru)
CY (1) CY1109872T1 (ru)
DE (1) DE602004024875D1 (ru)
DK (1) DK1612370T3 (ru)
ES (1) ES2337141T3 (ru)
MX (1) MXPA05010215A (ru)
RU (1) RU2228444C1 (ru)
SI (1) SI1612370T1 (ru)
WO (1) WO2004085798A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2681875C1 (ru) * 2017-10-06 2019-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Способ определения натяга в одновинтовом насосе

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4169724B2 (ja) * 2003-07-17 2008-10-22 株式会社山田製作所 トロコイド型オイルポンプ
EP1927752B1 (en) 2005-09-22 2018-09-12 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Oil pump rotor
US20070237642A1 (en) * 2006-04-10 2007-10-11 Murrow Kurt D Axial flow positive displacement worm pump
US7472022B2 (en) * 2006-08-31 2008-12-30 Schlumberger Technology Corporation Method and system for managing a drilling operation in a multicomponent particulate system
US8301383B2 (en) 2008-06-02 2012-10-30 Schlumberger Technology Corporation Estimating in situ mechanical properties of sediments containing gas hydrates
US8602127B2 (en) 2010-12-22 2013-12-10 Baker Hughes Incorporated High temperature drilling motor drive with cycloidal speed reducer
CN107624140B (zh) 2015-03-16 2021-01-26 沙特阿拉伯石油公司 用于井眼应用的等壁摆线泵
US20170183948A1 (en) * 2015-12-28 2017-06-29 Saudi Arabian Oil Company Preconditioning flow to an electrical submersible pump
US10385615B2 (en) 2016-11-10 2019-08-20 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Vibrationless moineau system
US11371326B2 (en) 2020-06-01 2022-06-28 Saudi Arabian Oil Company Downhole pump with switched reluctance motor
US11499563B2 (en) 2020-08-24 2022-11-15 Saudi Arabian Oil Company Self-balancing thrust disk
US11920469B2 (en) 2020-09-08 2024-03-05 Saudi Arabian Oil Company Determining fluid parameters
US11644351B2 (en) 2021-03-19 2023-05-09 Saudi Arabian Oil Company Multiphase flow and salinity meter with dual opposite handed helical resonators
US11591899B2 (en) 2021-04-05 2023-02-28 Saudi Arabian Oil Company Wellbore density meter using a rotor and diffuser
US11913464B2 (en) 2021-04-15 2024-02-27 Saudi Arabian Oil Company Lubricating an electric submersible pump

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE307736B (ru) * 1964-08-18 1969-01-13 Flygts Pumpar Ab
DE1553146A1 (de) * 1965-09-16 1970-02-05 Netzsch Maschinenfabrik Laeufer fuer Schneckenpumpen
GB2084254B (en) 1980-09-25 1983-12-14 Inst Burovoi Tekhnik Rotary positive displacement fluid machines
US4567953A (en) * 1980-12-10 1986-02-04 Baldenko Dmitry F Bottom-hole multistart screw motor
JPS59173584A (ja) * 1983-03-23 1984-10-01 Sumitomo Electric Ind Ltd 内燃機関潤滑オイルポンプ用回転ポンプおよびそのロ−タ−
DE3345419C2 (de) * 1983-12-15 1986-07-17 Vsesojuznyj nau&ccaron;no-issledovatel'skij institut burovoj techniki, Moskau/Moskva Tiefloch-Schraubantrieb zum Gesteinsbohren
GB2152588B (en) * 1984-01-14 1987-08-26 Inst Burovoi Tekhnik Downhole rotary fluid-pressure motor
JPS61201891A (ja) * 1985-03-05 1986-09-06 Yamada Seisakusho:Kk トロコイド噛み合いする内接歯車ポンプのインナ−ロ−タ−曲線修正方法
US5120204A (en) * 1989-02-01 1992-06-09 Mono Pumps Limited Helical gear pump with progressive interference between rotor and stator
CN1027986C (zh) * 1992-07-15 1995-03-22 地质矿产部石油钻探机械厂 一种经表面氮化处理的螺杆钻具转子
DE19821867A1 (de) * 1998-05-15 1999-11-18 Artemis Kautschuk Kunststoff Nach dem Moineau-Prinzip arbeitende Maschine, insbesondere Bohrmotor für Tiefbohrungen
RU2165531C1 (ru) * 2000-04-12 2001-04-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника" Героторный механизм винтового забойного двигателя
WO2001081730A1 (en) * 2000-04-21 2001-11-01 Aps Technology, Inc. Improved stator especially adapted for use in a helicoidal pump/motor and method of making same
RU2166603C1 (ru) * 2000-07-10 2001-05-10 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника" Героторный механизм винтовой забойной гидромашины (варианты)
RU2194880C2 (ru) * 2001-02-02 2002-12-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника" Многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины
RU2202694C1 (ru) * 2002-06-13 2003-04-20 Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис" Героторный механизм винтовой гидромашины

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2681875C1 (ru) * 2017-10-06 2019-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Способ определения натяга в одновинтовом насосе

Also Published As

Publication number Publication date
DE602004024875D1 (de) 2010-02-11
WO2004085798A1 (fr) 2004-10-07
CA2520760C (en) 2010-10-19
US7226279B2 (en) 2007-06-05
CA2520760A1 (en) 2004-10-07
CN100412320C (zh) 2008-08-20
SI1612370T1 (sl) 2010-04-30
DK1612370T3 (da) 2010-04-06
ATE453777T1 (de) 2010-01-15
ES2337141T3 (es) 2010-04-21
EP1612370A1 (en) 2006-01-04
CN1764769A (zh) 2006-04-26
MXPA05010215A (es) 2006-03-28
EP1612370B1 (en) 2009-12-30
US20060216183A1 (en) 2006-09-28
BRPI0408941A (pt) 2006-04-18
EP1612370A4 (en) 2006-12-06
CY1109872T1 (el) 2014-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2228444C1 (ru) Героторный механизм винтовой гидромашины
US6309195B1 (en) Internally profiled stator tube
RU2607833C2 (ru) Забойные двигатели и насосы с асимметричными винтовыми зубьями
US11499550B2 (en) Sealing in helical trochoidal rotary machines
KR20060032634A (ko) 내접 기어식 펌프 및 그 펌프의 내측 회전자
CN1316162C (zh) 非对称双圆弧齿形中高压齿轮泵
CN104379936B (zh) 降低噪音的螺杆式机器
US5215453A (en) Gear wheel assembly for hydraulic purposes, and method assembling the same
RU2202694C1 (ru) Героторный механизм винтовой гидромашины
US5628626A (en) Hydraulic Machine
RU2309237C1 (ru) Героторный механизм винтовой гидравлической машины
US10895256B2 (en) Stator and rotor profile for improved power section performance and reliability
RU2166603C1 (ru) Героторный механизм винтовой забойной гидромашины (варианты)
RU132474U1 (ru) Многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины
US6093004A (en) Pump/motor apparatus using 2-lobe stator
WO1980000592A1 (en) Gear machine
RU2321767C1 (ru) Героторный винтовой гидравлический двигатель
RU2194880C2 (ru) Многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины
RU2321768C1 (ru) Героторный винтовой гидравлический двигатель
RU71698U1 (ru) Героторный механизм винтового забойного двигателя
RU116557U1 (ru) Героторный механизм винтового забойного двигателя (варианты)
RU2165531C1 (ru) Героторный механизм винтового забойного двигателя
CN114423554A (zh) 具有改进轮廓的齿轮
RU2360129C2 (ru) Героторный механизм винтового забойного двигателя
GB2084254A (en) Rotary Positive-displacement Fluid-machine

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120326