RU2300617C2 - Stator for screw gyrator hydromachine - Google Patents
Stator for screw gyrator hydromachine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2300617C2 RU2300617C2 RU2005124254/03A RU2005124254A RU2300617C2 RU 2300617 C2 RU2300617 C2 RU 2300617C2 RU 2005124254/03 A RU2005124254/03 A RU 2005124254/03A RU 2005124254 A RU2005124254 A RU 2005124254A RU 2300617 C2 RU2300617 C2 RU 2300617C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- teeth
- housing
- rotor
- screw
- stator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к героторным механизмам винтовых многозаходных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти из скважин, а также к винтовым гидромоторам и гидронасосам общего назначения.The invention relates to gerotor mechanisms of multi-start hydraulic screw engines for drilling oil and gas wells, to screw pumps for oil production from wells, and also to screw hydraulic motors and general purpose hydraulic pumps.
Известен статор винтового забойного гидравлического двигателя ДВР3-176, в котором к толстостенному полому корпусу привулканизована обкладка с внутренними винтовыми зубьями, выполненная из резины (Журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, стр.10, рис.4).A well-known stator of a downhole hydraulic motor ДВР3-176, in which a lining with internal helical teeth made of rubber is vulcanized to a thick-walled hollow body (Journal "Construction of oil and gas wells on land and at sea". - M.: VNIIOENG, No. 9, 2003, p. 10, fig. 4).
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового забойного гидравлического двигателя, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки на буровое долото в стволе скважины.A disadvantage of the known design is the incomplete use of the possibility of increasing the energy characteristics, resource and reliability of a downhole hydraulic motor, increasing maximum power, torque on the output shaft in maximum power mode and permissible axial load on the drill bit in the wellbore.
Недостатки известной конструкции объясняются, в основном, циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев.The disadvantages of the known design are explained mainly by the cyclic loading of helical teeth made of elastomer in the stator lining, which undergo deformation and bending during planetary-rotor rotation of the rotor inside the stator, which leads to heat generation inside the tooth material.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 60°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нарушению уплотнения в рабочей паре и разрушению зубьев в эластомерной обкладке статора.In this case, the temperature in the elastomeric lining can increase, for example, to 60 ° C, and the increase in interference in the working pair can be, for example, up to 0.05 mm per diameter for every 10 ° C of temperature increase, which leads to a violation of the seal in the working pair and tooth decay in the elastomeric stator lining.
Для известной конструкции существует ограничение между перепадом давления (межвитковым, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности и величиной натяга зубьев ротора в зубьях статора, а перепад давления в режиме максимальной мощности составляет, например, 10...13 МПа, что не позволяет повышать момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, снижать темп износа рабочих поверхностей, не обеспечивает возможности отработки рабочих пар до больших зазоров, при этом средний ресурс рабочей пары не превышает 300 часов.For the known design, there is a limitation between the differential pressure (inter-turn, on the stator teeth) in the maximum power mode and the interference value of the rotor teeth in the stator teeth, and the pressure drop in the maximum power mode is, for example, 10 ... 13 MPa, which does not allow increasing the moment of force on the output shaft in maximum power mode, to reduce the wear rate of working surfaces, does not provide the possibility of working couples working up to large gaps, while the average resource of the working pair does not exceed 300 hours.
Диапазон используемых в России винтовых забойных двигателей составляет, например, от двигателя Д-55 до двигателя Д-240, а диапазон момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности составляет от 0,2...0,34 до 10...14 кН·м.The range of downhole screw motors used in Russia is, for example, from the D-55 engine to the D-240 engine, and the range of the torque on the output shaft in maximum power mode is from 0.2 ... 0.34 to 10 ... 14 kN m
При этом максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, например, на зубьях двигателя ДР-95 составляет 9...14 МПа (Журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, с.8).In this case, the maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in the maximum power mode, for example, on the teeth of the DR-95 engine is 9 ... 14 MPa (Magazine "Construction of oil and gas wells on land and at sea". - M. : OJSC "VNIIOENG", No. 9, 2003, p.8).
Известен эксцентриковый винтовой насос или эксцентриковый винтовой двигатель, содержащий оболочку (остов) с наружной и внутренней поверхностями, выполненными в форме геликоида с полностью облицованным статором, в котором на торцовых краях содержатся уплотнения и стопорные кольца, которые монолитно переходят в облицовку постоянной толщины из эластомера для металлической оболочки (US 6666668 B1, Dec. 23, 2003).A known eccentric screw pump or eccentric screw motor containing a shell (skeleton) with outer and inner surfaces made in the form of a helicoid with a fully lined stator, in which at the end edges there are seals and retaining rings that seamlessly pass into the lining of constant thickness from elastomer for metal sheath (US 6666668 B1, Dec. 23, 2003).
Известная конструкция скрепляется шпильками, гайками и фланцами снаружи остова, а используется в наземном оборудовании, например, для героторных гидравлических винтовых насосов, где нет ограничений по наружным габаритам.The known design is fastened with studs, nuts and flanges outside the core, and is used in ground equipment, for example, for gerotor hydraulic screw pumps, where there are no restrictions on the external dimensions.
Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в скважинах, в обсадных трубах, например, для многозаходных героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин.A disadvantage of the known design is the impossibility of its use in wells, in casing, for example, for multi-start gerotor hydraulic motors for drilling oil and gas wells.
Это объясняется увеличенной по диаметру входной стороны, а также выходной стороны части оболочки, уплотнений и стопорных колец, которые монолитно переходят в облицовку, выполненную из эластомера с постоянной толщиной.This is due to the increased diameter of the input side, as well as the output side of the shell part, seals and retaining rings, which seamlessly pass into the lining made of elastomer with a constant thickness.
Для героторных механизмов винтовых забойных двигателей, размещаемых в нефтяных и газовых скважинах, использование известной конструкции не обеспечивает существенных преимуществ.For gerotor mechanisms of downhole screw motors placed in oil and gas wells, the use of the known design does not provide significant advantages.
Известен статор винтового гидромотора, содержащий полый корпус с внутренней и наружной поверхностями в форме геликоида, внутренние конические резьбы по краям полого корпуса, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения внутри корпуса ротора с наружными винтовыми многозаходными зубьями, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев эластомерной обкладки корпуса (US 6309195 B1, Oct. 30, 2001).Known stator of a screw hydraulic motor containing a hollow body with an internal and external surfaces in the form of a helicoid, internal tapered threads on the edges of the hollow body, an elastomer lining fixed in the body, forming internal helical multi-tooth teeth, designed to be placed inside the rotor body with external helical multi-tooth teeth, and the number of teeth of the rotor is one less than the number of teeth of the elastomeric casing (US 6309195 B1, Oct. 30, 2001).
Недостатком известной конструкции является низкая прочность и жесткость (устойчивость) полого корпуса, преимущественно при осевой нагрузке на долото и ударных воздействиях от ясов в составе изогнутой колонны бурильных труб, при прохождении через радиусные участки ствола скважин при горизонтальном бурении, что объясняется уменьшенным поперечным сечением полого корпуса и его наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида.A disadvantage of the known design is the low strength and rigidity (stability) of the hollow body, mainly when the axial load on the bit and shock from jars in the curved string of drill pipes, when passing through the radius sections of the wellbore during horizontal drilling, due to the reduced cross-section of the hollow body and its outer surface, made in the form of a helicoid.
Недостатки известной конструкции объясняются также низким модулем упругости полого тонкостенного корпуса, что определяет недостаточную усталостную выносливость (ресурс) для обеспечения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, а также объясняются релаксацией напряжений в материале полого корпуса, которые искажают профиль сопряжения рабочей пары ротор-статор, вследствие чего уменьшается герметичность рабочей пары и возможность обеспечения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора при максимальном перепаде давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.The disadvantages of the known design are also explained by the low elastic modulus of the hollow thin-walled body, which determines insufficient fatigue endurance (resource) to ensure maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) at maximum power, and also due to stress relaxation in the material of the hollow body, which distort the profile the pairing of the working pair of the rotor-stator, as a result of which the tightness of the working pair and the ability to provide energy characteristics are reduced and the reliability of a screw gerotor hydraulic motor using a known stator at a maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in maximum power mode.
Известен статор винтового героторного гидромотора, содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями (или с внутренней и наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида), а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины (US 5171138, Dec. 15, 1992).A stator of a screw gerotor hydraulic motor is known, comprising a hollow body, a stator sleeve with internal multi-tooth teeth (or with an internal and external surface made in the form of a helicoid) installed in it, and a lining with internal multi-thread teeth made of elastomer fixed in the stator sleeve e.g. rubber (US 5171138, Dec. 15, 1992).
В известной конструкции статорная гильза выполнена в виде штампованной металлической трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями.In a known design, the stator sleeve is made in the form of a stamped metal tubular shell with internal and external helical multiple teeth.
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки (на долото) при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.A disadvantage of the known design is the incomplete use of the possibility of increasing the energy characteristics, resource and reliability of a screw gerotor hydraulic motor using a known stator, increasing the maximum power, the torque on the output shaft in the maximum power mode and the permissible axial load (per bit) with increasing maximum pressure drop (inter-turn , on the teeth of the stator) in maximum power mode.
Недостатки известной конструкции объясняются низким модулем упругости статорной трубчатой гильзы, ее плохой свариваемостью с массивным полым корпусом, что определяет недостаточную усталостную выносливость (ресурс) статорной гильзы для обеспечения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.The disadvantages of the known design are explained by the low modulus of elasticity of the stator tubular sleeve, its poor weldability with a massive hollow body, which determines the insufficient fatigue endurance (resource) of the stator sleeve to ensure maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) at maximum power.
Недостатки известной конструкции объясняются также релаксацией напряжений в материале штампованной металлической статорной гильзы, которые искажают профиль сопряжения рабочей пары ротор-статор, вследствие чего уменьшается герметичность рабочей пары и возможность обеспечения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием известного статора при максимальном перепаде давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.The disadvantages of the known design are also explained by the relaxation of stresses in the material of the stamped metal stator sleeve, which distort the pairing profile of the rotor-stator working pair, as a result of which the tightness of the working pair and the possibility of ensuring the energy characteristics, life and reliability of the screw gerotor hydraulic motor using the known stator at maximum pressure drop are reduced (interturn, on the stator teeth) in maximum power mode.
Недостатки известной конструкции объясняются также циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, а также статорной трубчатой гильзы с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями, обладающими малой жесткостью, которые подвергаются высокой деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев, а также к отслоению эластомерной обкладки от статорной гильзы.The disadvantages of the known design are also explained by the cyclic loading of helical teeth made of elastomer in the stator lining, as well as the stator tubular sleeve with internal and external helical multiple teeth, which have low rigidity, which undergo high deformation and bending during planetary-rotor rotation of the rotor inside the stator, which leads to the generation of heat inside the tooth material, as well as to the detachment of the elastomeric lining from the stator sleeve.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться более интенсивно за счет ее меньшей массы, например, до 80°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.In this case, the temperature in the elastomeric lining can increase more intensively due to its lower mass, for example, to 80 ° C, and the increase in interference in the working pair can be, for example, up to 0.08 mm per diameter for every 10 ° C of temperature increase, which leads to off-design operating modes, does not provide maximum power, torque on the output shaft in maximum power mode and permissible axial load with increasing maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in maximum power mode.
Известен винтовой героторный гидравлический насос или мотор, в котором статор выполнен в виде корпуса с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, размещенный внутри корпуса ротор с наружными винтовыми многозаходными зубьями, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6358027 B1, Mar. 19, 2002).A known gyratory rotor hydraulic pump or motor, in which the stator is made in the form of a body with internal multi-tooth helical teeth, an elastomer lining fixed in the body, forming internal multi-tooth teeth, a rotor with external multi-tooth teeth located inside the body, and the number of rotor teeth per unit less than the number of teeth of the housing (US 6358027 B1, Mar. 19, 2002).
Известная конструкция используется в качестве насоса для выкачивания нефти из вертикальных скважин, для чего профиль ротора вдоль продольной оси выполнен корригированным: с меньшим поперечным сечением и меньшей толщиной зубьев в нижней части насоса, показано на фиг.9, по сравнению с толщиной зубьев в верхней, нагнетающей части насоса, показано на фиг.6.The known design is used as a pump for pumping oil from vertical wells, for which the rotor profile along the longitudinal axis is made corrected: with a smaller cross section and a smaller tooth thickness in the lower part of the pump, shown in Fig. 9, compared with the thickness of the teeth in the upper, pumping part of the pump, shown in Fig.6.
При этом профиль статора вдоль продольной оси также выполнен с разной толщиной эластомерной обкладки и (или) с уменьшением ширины впадин внутренних зубьев от верхней к нижней частям корпуса.Moreover, the stator profile along the longitudinal axis is also made with different thicknesses of the elastomeric lining and (or) with a decrease in the width of the hollows of the internal teeth from the upper to the lower parts of the housing.
В нижней части насоса, показано на фиг.15, 20, имеется гарантированный зазор, в верхней, нагнетающей части насоса, имеется натяг, показано на фиг.13, 17, а при осевом перемещении ротора относительно центральной оси статора можно изменять величину натяга и (или) зазора.In the lower part of the pump, shown in FIGS. 15, 20, there is a guaranteed clearance, in the upper, pumping part of the pump, there is an interference fit, shown in FIGS. 13, 17, and with the axial movement of the rotor relative to the central axis of the stator, the interference and ( or) clearance.
Недостатком известной конструкции является отсутствие существенных преимуществ регулировки и обеспечения требуемого радиального натяга зубьев рабочей пары ротор-статор за счет осевого перемещения ротора относительно статора при бурении наклонных и горизонтальных скважин, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, а также неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности при использовании известной конструкции в качестве винтового героторного гидромотора для бурения наклонных скважин, в изогнутой колонне бурильных труб, содержащей гидравлические ясы, а также повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки (на долото) при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.A disadvantage of the known design is the lack of significant advantages of adjusting and providing the required radial tooth interference of the working pair of the rotor-stator due to the axial movement of the rotor relative to the stator when drilling inclined and horizontal wells, for example, when passing through the radius sections of the wellbore during horizontal drilling, as well as incomplete use the possibility of increasing energy characteristics, resource and reliability when using a known design as a screw g a rotary hydraulic motor for drilling deviated wells, in a curved drill pipe string containing hydraulic jars, as well as increasing the maximum power, the torque on the output shaft in the maximum power mode and the permissible axial load (on the bit) with increasing maximum pressure drop (inter-turn, on the teeth stator) in maximum power mode.
Для известной конструкции существует ограничение между перепадом давления (межвитковым, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности и величиной натяга зубьев ротора в зубьях статора, при этом вместо натяга в известной конструкции в нижней части рабочей пары ротор-статор выполнен гарантированный зазор, что не позволяет повышать момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, снижать темп износа рабочих поверхностей, не обеспечивает возможности отработки рабочих пар до больших зазоров.For the known design, there is a restriction between the pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in the maximum power mode and the interference value of the rotor teeth in the stator teeth, while instead of the interference in the known design, a guaranteed clearance is made in the lower part of the rotor-stator pair, which does not allow increase the torque on the output shaft in maximum power mode, reduce the wear rate of working surfaces, does not provide the possibility of working pairs to large gaps.
Другим недостатком известной конструкции является низкая прочность и точность корпуса: трубчатых деталей вследствие их выполнения в виде сварных узлов, что объясняется увеличенными в поперечном сечении габаритами, релаксацией напряжений присоединенных радиально фланцев, искривлением стенок корпуса, а также их центральной оси.Another disadvantage of the known design is the low strength and accuracy of the housing: tubular parts due to their execution in the form of welded assemblies, which is explained by increased dimensions in the cross section, relaxation of stresses attached radially to the flanges, curvature of the walls of the housing, as well as their central axis.
Другим недостатком известной конструкции являются большие поперечные силы (перекашивающий момент), действующие на совершающий планетарно-роторное вращение ротор, размещенный внутри эластомерной обкладки корпуса, вследствие гарантированных зазоров в нижней части рабочей пары ротор-статор, которые уменьшают ресурс и надежность.Another drawback of the known design is the large transverse forces (skewing moment) acting on the planetary rotor rotor located inside the elastomeric casing of the housing, due to the guaranteed gaps in the lower part of the rotor-stator working pair, which reduce the resource and reliability.
Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор винтового героторного гидравлического насоса или мотора, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленными в корпусе, охватываемую и охватывающую обкладки из эластомера, при этом охватываемая обкладка выполнена с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, охватывающая обкладка скреплена с охватываемой обкладкой и с внутренней поверхностью корпуса, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6881045 В2, Apr. 19, 2005 - прототип).Closest to the claimed design is the stator of a screw gerotor hydraulic pump or motor, comprising a housing with an inner surface made with internal helical multi-teeth teeth, fixed in the housing, covered and covering plates of elastomer, while the covered plate is made with internal screw multi-teeth teeth designed to accommodate a rotor having an outer surface with helical multi-teeth, the covering plate is fastened to the covering lining and with the inner surface of the housing, and the number of teeth of the rotor is one less than the number of teeth of the housing (US 6881045 B2, Apr. 19, 2005 - prototype).
Недостатком известного статора является неполная возможность улучшения энергетических характеристик, надежности и ресурса винтовой героторной гидромашины при использовании статора в винтовом забойном двигателе, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.A disadvantage of the known stator is the incomplete possibility of improving the energy characteristics, reliability and service life of a screw gerotor hydraulic machine when using a stator in a downhole screw motor, increasing maximum power, torque on the output shaft in maximum power mode and permissible axial load by increasing the maximum pressure drop (inter-turn, on the teeth of the stator lining) in maximum power mode, reducing hydromechanical losses due to uniform interference in all phases the contact of the teeth of the plate and the rotor, the improvement of compaction along the contact lines in the area of the poles of engagement and the reduction of contact loads in the zone of maximum sliding speeds, as well as due to the synchronization of multi-step multi-step screw (lock) chambers between the teeth of the rotor and the plate.
Недостатки известного статора для двигателя объясняются также циклическим нагруженном винтовых зубьев, выполненных из эластомеров разной прочности, твердости и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев, нарушению натяга в рабочей парс, отслоению эластомерной обкладки от корпуса, а также к расслоению между эластомерными обкладками вследствие ухудшения отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки сквозь слой эластомерного материала, через стенки корпуса к промывочному раствору затрубного пространства.The disadvantages of the known stator for the engine are also explained by the cyclic loaded helical teeth made of elastomers of different strengths, hardness and thermal conductivity, which are subjected to deformation and bending during planetary-rotor rotation of the rotor inside the stator, which leads to heat generation inside the tooth material, violation of the tension in the working pars peeling of the elastomeric lining from the body, as well as to delamination between the elastomeric lining due to the deterioration of internal heat removal from the elastomeric lining of the squaw s layer of elastomeric material through the housing wall to the wash solution the annulus.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,085 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.In this case, the temperature in the elastomeric casing can increase, for example, to 85 ° C, and the increase in interference in the working pair can be, for example, up to 0.085 mm per diameter for every 10 ° C of temperature increase, which leads to off-design operating modes, does not provide maximum power, torque on the output shaft in maximum power mode and permissible axial load with increasing maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in maximum power mode.
Недостатком известной конструкции является также низкая прочность корпуса статора и потеря его устойчивости, преимущественно при осевой нагрузке на долото и ударных воздействиях от ясов в составе изогнутой колонны бурильных труб в наклонных и горизонтальных скважинах, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, что объясняется тем, что он выполнен составным: из корпуса - гладкой трубы, охватываемой и охватывающей обкладок из эластомера, выполненных в форме геликоида.A disadvantage of the known design is also the low strength of the stator housing and the loss of its stability, mainly when the axial load on the bit and impact from jars in the curved string of drill pipes in deviated and horizontal wells, for example, when passing through the radius sections of the wellbore during horizontal drilling, which is explained by the fact that it is made composite: from the body - a smooth pipe, covered and covering plates of elastomer, made in the form of a helicoid.
Эластомерную охватываемую обкладку (постоянной толщины) выполняют из материала, например, Ultra-Flex 114, а дополнительную охватывающую обкладку с внутренней поверхностью в форме геликоида, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями выполняют из более твердого и прочного материала.The elastomeric male lining (of constant thickness) is made of material, for example, Ultra-Flex 114, and the additional female lining with an internal surface in the form of a helicoid, with internal helical multiple teeth, is made of a harder and stronger material.
При этом известный статор при использовании его в винтовом героторном гидравлическом двигателе не обеспечивает существенных преимуществ, например определенного темпа набора кривизны (при бурении наклонной скважины) вследствие разрушения корпуса, например, при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с вращением (от ротора буровой) изогнутой колонны бурильных труб, с ударными нагрузками и ударными импульсами от гидравлических ясов, а также вследствие релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.Moreover, the well-known stator when used in a screw gerotor hydraulic motor does not provide significant advantages, for example, a certain rate of set of curvature (when drilling an inclined well) due to the destruction of the body, for example, when passing through the radius sections of the wellbore during horizontal drilling, using drill bits in the string pipes of hydraulic jars, with rotation (from the rotor of the drill) of a curved string of drill pipes, with shock loads and shock impulses from hydraulic jars, and also due to relaxation of tensile stresses in the curved drill pipe string in which the stator for the engine is mounted.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение энергетических характеристик, надежности и ресурса винтовой героторной гидромашины при использовании заявляемого статора в винтовом забойном двигателе, повышение максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.The technical problem to which the invention is directed is to improve the energy characteristics, reliability and service life of a screw gerotor hydraulic machine when using the inventive stator in a downhole screw motor, increasing the maximum power, the torque on the output shaft in the maximum power mode and the permissible axial load by increasing the maximum differential pressure (inter-turn, on the teeth of the stator lining) in maximum power mode, reducing hydromechanical losses due to uniform tightness in all phases of contact between the teeth of the plate and rotor, improved compaction along the contact lines in the area of the poles of engagement and reduced contact loads in the zone of maximum sliding speeds, as well as due to the synchronization of multi-start multi-step screw (lock) chambers between the teeth of the rotor and the plate.
Другой технической задачей является снижение темпа падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на долоте за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки статора) в режиме максимальной мощности, а также снижения вероятности возникновения резонансных поперечных колебаний двигателя в скважине при осевых нагрузках, изменяемых при воздействии двигателя на забой, за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.Another technical task is to reduce the rate of fall of the rotor speed with increasing torque on the bit by increasing the maximum pressure drop (inter-turn, on the teeth of the stator lining) in maximum power mode, as well as reducing the likelihood of resonant transverse vibrations of the engine in the borehole under axial loads, changed when the engine impacts the face due to the synchronization of multi-start multi-step screw (lock) chambers between the teeth of the rotor and the lining.
Сущность технического решения заключается в том, что в статоре винтовой героторной гидромашины, содержащем корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, например из резины, образующую внутренние винтовые многозаходные зубья, предназначенные для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми многозаходными зубьями, причем число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса, согласно изобретению минимальное число шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в корпусе на единицу больше разности чисел зубьев корпуса и ротора, а максимальное число шагов винтовой линии каждого винтового зуба в корпусе на единицу меньше числа зубьев ротора, при этом толщина ΔRкор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев и высота h внутренних винтовых зубьев в корпусе связаны соотношением ΔRкор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины стенки корпуса вдоль впадин внутренних винтовых зубьев к его наружному диаметру находится в пределах 0,08...0,14.The essence of the technical solution lies in the fact that in the stator of a screw gerotor hydraulic machine, comprising a housing with an internal surface made with internal helical multi-teeth, a lining of an elastomer, for example rubber, fixed to the housing, forming internal multi-helical teeth intended to accommodate a rotor having outer surface with multi-helical teeth, and the number of teeth of the rotor is one less than the number of teeth of the housing, according to the invention, the minimum number of steps helix of each internal helical teeth in the housing to one more than the difference between the numbers of teeth of the housing and the rotor, and the maximum number of steps, the helix of each screw tooth in the housing is one less than the number of rotor teeth, the thickness ΔR armature housing wall along the troughs of its internal helical teeth and the height h of the internal helical teeth in the housing is related by the ratio ΔR cor = (1.414 ... 2.618) h, and the ratio of the wall thickness of the housing along the hollows of the internal helical teeth to its outer diameter is in the range 0.08 ... 0.14.
Толщина ΔRкор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев, а высота h вдоль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе в поперечном сечении по краям зубьев.Thickness ΔR armature housing wall along the troughs of its inner helical teeth made within ± 7% of the body wall thickness in cross section hollows at the edges of the teeth, and the height h along the inner helical teeth in a housing made within ± 7% of the height of the teeth in the housing cross section at the edges of the teeth.
Профиль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм.The profile of internal helical teeth in the housing is made with a microroughness height of 320 ... 640 microns.
Твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 60...65 ед. Шор А.The hardness of the lining with internal multi-tooth helical teeth made of rubber is 60 ... 65 units. Shore A.
Каждый из краев корпуса выполнен с внутренней конической резьбой и цилиндрической расточкой, при этом максимальный диаметр цилиндрической расточки на величину высоты внутренних винтовых зубьев в корпусе превышает диаметр окружности впадин внутренних винтовых зубьев в корпусе.Each of the edges of the housing is made with an internal tapered thread and a cylindrical bore, while the maximum diameter of the cylindrical bore by the height of the internal helical teeth in the housing exceeds the diameter of the circumference of the depressions of the internal helical teeth in the housing.
В заявляемой конструкции за счет того, что минимальное число шагов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в корпусе на единицу больше разности чисел зубьев корпуса и ротора, а максимальное число шагов винтовой линии каждого винтового зуба в корпусе на единицу меньше числа зубьев ротора, при этом толщина ΔRкор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев и высота h внутренних винтовых зубьев в корпусе связаны соотношением ΔRкор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины стенки корпуса вдоль впадин внутренних винтовых зубьев к его наружному диаметру находится в пределах 0,08...0,14, повышается ресурс, надежность и энергетические характеристики героторной винтовой гидравлической машины, например развиваемая мощность и крутящий момент в двигателе или развиваемое давление и расход в насосе, путем снижения гидромеханических потерь за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки.In the claimed design, due to the fact that the minimum number of helical steps of each internal helical tooth in the housing is one more than the difference between the numbers of teeth of the housing and the rotor, and the maximum number of helical steps of each helical tooth in the housing is one less than the number of teeth of the rotor, while the thickness ΔR armature housing wall depressions along its inner helical teeth and the height h of internal helical teeth in a housing connected armature ratio ΔR = (1,414 ... 2,618) h, and the ratio of the wall thickness of the housing along the troughs internal helical teeth to its outer diameter is in the range of 0.08 ... 0.14, the resource, reliability and energy characteristics of the gerotor screw hydraulic machine increase, for example, the developed power and torque in the engine or the developed pressure and flow in the pump, by reducing hydromechanical losses for due to uniform interference in all phases of contact between the teeth of the plate and the rotor, improved compaction along the contact lines in the area of the poles of engagement and reduced contact loads in the area of maximum sliding speeds, as well as due to synchronization of multi-start multi-step screw (lock) chambers between the teeth of the rotor and the lining.
При этом заявляемая конструкция обеспечивает существенные преимущества, например, максимальный темп набора кривизны скважины для винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя, используемого для бурения наклонных скважин, например при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, за счет большей прочности, упругости и прямолинейности стенок (центральной оси) корпуса при использовании забойного двигателя в колонне бурильных труб с гидравлическими ясами, с вращением (от ротора буровой) изогнутой колонны бурильных труб, с ударными нагрузками и ударными импульсами от гидравлических ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб.At the same time, the claimed design provides significant advantages, for example, the maximum rate of well curvature gain for a multi-start helical hydraulic rotor hydraulic motor used for drilling deviated wells, for example, when passing through the radius sections of the wellbore during horizontal drilling, due to the greater strength, elasticity and straightness of the walls ( the central axis) of the body when using a downhole motor in a drill string with hydraulic jars, with rotation (from the rotor of the drill d) the bent drill string, with shock loads and shock pulses of hydraulic jars and upon relaxation of the tensile stress at a bent drill string.
Возможность использования двигателя в наклонных и горизонтальных скважинах обеспечивается за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, который составляет, например, 27...33 МПа, а также повышения усталостной выносливости эластомерной обкладки за счет более прочного, с большим пределом упругости и меньшего по длине корпуса, сохранения прямолинейности его стенок, воспринимающих реакции от регулятора угла и реактивного момента, скрепляемого с забойным двигателем при бурении изогнутой наклонной скважины, при сохранении заданного натяга в рабочей паре ротор-статор.The possibility of using the engine in deviated and horizontal wells is ensured by increasing the maximum pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in the maximum power mode, which is, for example, 27 ... 33 MPa, as well as increasing the fatigue endurance of the elastomeric lining due to more durable , with a large elastic limit and a shorter length of the casing, maintaining the straightness of its walls, perceiving reactions from the angle and reactive moment clamps fastened to the downhole motor when enii curved inclined wells, while maintaining a predetermined preload to the working rotor-stator pair.
За счет того, что толщина ΔRкор стенки корпуса вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев, а высота h вдоль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе в поперечном сечении по краям зубьев, обеспечивается меньший уровень вибраций, повышенная плавность хода и усталостная выносливость (ресурс), повышенная стойкость: абразивная и в среде нефтепродуктов, высокая упругость, эластичность и надежность уплотнения рабочей пары ротор-статор в режиме максимальной мощности.Due to the fact that the thickness of ΔR armature housing wall along the troughs of its inner helical teeth made within ± 7% of the body wall thickness in cross section hollows at the edges of the teeth, and the height h along the inner helical teeth in a housing made within ± 7% the height of the teeth in the housing in the cross section along the edges of the teeth, provides a lower level of vibration, increased smoothness and fatigue endurance (resource), increased durability: abrasive and in the environment of petroleum products, high elasticity, elasticity and reliability of sealing Nia working pairs in the rotor-stator maximum power mode.
За счет того, что профиль внутренних винтовых зубьев в корпусе выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм, например, электроэрозионным методом, а твердость обкладки с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненной из резины, составляет 60...65 ед. Шор А, обеспечивается повышенная прочность крепления (адгезия) резиновой обкладки статора с поверхностью внутренних винтовых зубьев в корпусе, а также повышенная усталостная выносливость обкладки статора.Due to the fact that the profile of the internal helical teeth in the housing is made with a microroughness height of 320 ... 640 μm, for example, by the erosion method, and the hardness of the lining with internal multi-thread helical teeth made of rubber is 60 ... 65 units. Shore A, provides increased fastening strength (adhesion) of the rubber stator lining with the surface of the internal helical teeth in the housing, as well as increased fatigue endurance of the stator lining.
За счет того, что каждый из краев корпуса выполнен с внутренней конической резьбой и цилиндрической расточкой, максимальный диаметр которой на величину высоты зуба в корпусе превышает диаметр окружности впадин его внутренних винтовых зубьев, обеспечиваются равнопрочные резьбовые соединения корпуса с резьбовыми переводниками, регуляторами угла и реактивного момента или другими резьбовыми частями компоновки низа бурильной колонны.Due to the fact that each of the edges of the casing is made with an internal tapered thread and a cylindrical bore, the maximum diameter of which is equal to the circumference of the troughs of its internal helical teeth by the height of the tooth in the casing, equal strength threaded connections of the casing with threaded adapters, angle and reactive torque regulators are provided or other threaded parts of the layout of the bottom of the drill string.
Ниже представлен лучший вариант конструкции статора для винтового многозаходного героторного гидравлического (забойного) двигателя УД-195 PC с числом заходов (отношением числа зубьев ротора и статора) 9/10 и наружным диаметром 195 мм.Below is the best version of the stator design for a multi-start screw gerotor hydraulic (downhole) UD-195 PC engine with a number of entries (ratio of the number of rotor and stator teeth) of 9/10 and an outer diameter of 195 mm.
На фиг.1 показан продольный разрез статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя.Figure 1 shows a longitudinal section of the stator of a screw multi-start gerotor hydraulic motor.
На фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 поперек статора и ротора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя.In Fig.2 shows a section aa in Fig.1 across the stator and rotor of the screw multi-pass gerotor hydraulic motor.
На фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1 поперек статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя.Figure 3 shows a section bB in figure 1 across the stator of a screw multi-pass gerotor hydraulic motor.
Статор винтовой героторной гидромашины содержит полый корпус 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными многошаговыми зубьями 3, закрепленную в корпусе 1 обкладку 4 из эластомера, например из резины, выполненную в форме геликоида, по существу с внутренними винтовыми многозаходными многошаговыми зубьями 5, а также содержит две внутренних конических резьбы 6, 7, расположенных по краям соответственно 8, 9 корпуса 1, показано на фиг.1, 2, 3.The stator of a screw gerotor hydraulic machine comprises a hollow body 1 with an internal surface 2 made in the form of a helicoid, essentially with internal multi-step helical multi-step teeth 3, a lining 4 made of an elastomer, for example, made of rubber, made in the form of a helicoid, essentially internal multi-helical
Статор предназначен для винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя, где поз.10 - ротор, поз.11 - центральная продольная ось ротора 10, поз.12 - центральная продольная ось полого корпуса 1 и эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, поз.13 - величина эксцентриситета ротора 10, установленного в эластомерной обкладке 4 корпуса 1, поз.14 - винтовые многозаходные многошаговые зубья ротора 10, число зубьев 14 ротора 10 на единицу меньше числа зубьев 3 корпуса 1, показано на фиг.1, 2.The stator is designed for a screw multi-start gerotor hydraulic motor, where pos. 10 is the rotor, pos. 11 is the central longitudinal axis of the
При этом шаг Т (или ход Pz) винтовой линии каждого зуба 3 равен расстоянию по сосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса, например вокруг центральной продольной оси 12 полого корпуса 1, а также эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр.17.In this case, step T (or stroke P z ) of the helix of each tooth 3 is equal to the distance along the pine surface between the two positions of the point forming the line of the helical tooth corresponding to its full revolution around the axis of the gear wheel, for example around the central
Минимальное число шагов 15·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу больше разности чисел зубьев 3 корпуса 1 и зубьев 14 ротора 10, а также на единицу больше разности чисел зубьев 5 в обкладке из эластомера 4 и зубьев 14 ротора 10, показано на фиг.1.The minimum number of steps 15 · T of the helix of each internal helical tooth 3 in the housing 1 is one more than the difference between the numbers of teeth 3 of the housing 1 and
Максимальное число шагов 16·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1, а также каждого винтового зуба 5 в обкладке из эластомера 4 на единицу меньше числа зубьев 14 ротора 10, показано на фиг.1.The maximum number of steps 16 · T helix of each internal helical tooth 3 in the housing 1, as well as each
Толщина 17, ΔRкор стенки корпуса 1 вдоль впадин его внутренних винтовых зубьев 3 и высота 18, h внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1 связаны соотношением ΔRкор=(1,414...2,618)h, а отношение толщины 17, ΔRкор стенки корпуса 1 к его наружному диаметру 19 находится в пределах 0,08...0,14, показано на фиг.1, 2, 3.The
Толщина 17, ΔRкор стенки корпуса 1 вдоль впадин внутренних винтовых зубьев 3 выполнена в пределах ±7% от толщины стенки корпуса в поперечном сечении впадин по краям зубьев 3, а высота 18, h вдоль внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1 выполнена в пределах ±7% от высоты зубьев в корпусе 1 в поперечном сечении по краям зубьев 3, показано на фиг.1, 2, 3.
Профиль внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1 выполнен с высотой микронеровностей 320...640 мкм.The profile of the internal helical teeth 3 in the housing 1 is made with a microroughness height of 320 ... 640 μm.
Твердость обкладки 4 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 5, выполненной из резины ИРП-1226-5, составляет 60...65 ед. Шор А, а наружная поверхность 19 корпуса 1 выполнена, по меньше мере, частично без механической обработки.The hardness of the lining 4 with internal multi-tooth
На фиг.1 показано: поз.20, 21 - длина цилиндрических расточек в корпусе 1, диаметр которых, по меньшей мере, равен диаметру впадин 28 внутренних винтовых зубьев 3 в корпусе 1;Figure 1 shows: pos.20, 21 - the length of the cylindrical bores in the housing 1, the diameter of which is at least equal to the diameter of the
На фиг.1, 2 показано: поз.22 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями 14 ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4; поз.23 - направление потока рабочей жидкости (бурового раствора); поз.24 - толщина эластомерной обкладки 4 во впадинах зубьев 3 корпуса 1; поз.25 - толщина эластомерной обкладки 4 на выступах зубьев 3 корпуса 1.Figure 1, 2 shows: item 22 - multi-helical screw (lock) chamber between the
Толщина 24 эластомерной обкладки 4 во впадинах зубьев 3 корпуса 1 и толщина 25 эластомерной обкладки 4 на выступах зубьев 3 корпуса 1 связаны между собой определенным соотношением или могут быть выполнены с постоянной величиной.The
Каждый из краев 8 и 9 корпуса 1 с внутренней конической резьбой 6 и 7 может быть выполнен соответственно с цилиндрическими расточками 26 и 27 на длине 20 и 21, при этом максимальный диаметр расточек 26 и 27 на величину высоты зуба 18, h в корпусе 1 превышает диаметр окружности 28 впадин внутренних винтовых зубьев 3, что обеспечивает равнопрочные резьбовые соединения корпуса 1 с резьбовыми переводниками, регуляторами угла или другими резьбовыми частями компоновки низа бурильной колонны, показано на фиг.1, 3.Each of the edges 8 and 9 of the housing 1 with an internal tapered thread 6 and 7 can be made, respectively, with cylindrical bores 26 and 27 at a length of 20 and 21, while the maximum diameter of the bores 26 and 27 by the height of the
Минимальное число шагов (2) винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу больше разности чисел зубьев 3 корпуса 1 и зубьев 14 ротора 10, а максимальное число шагов (8) винтовой линии каждого винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу меньше числа (9) зубьев 14 ротора 10, что образует типоразмер двигателей с определенным числом заходов рабочих органов (отношением чисел зубьев ротора и корпуса) в корпусе одного наружного диаметра, например 3/4,4/5, 5/6, 6/7, 9/10, а также образует типоразмер двигателей и секций двигателя различного диаметра и длины, например диаметров 40...250 мм и длины 1,5...5,5 м.The minimum number of steps (2) of the helical line of each internal helical tooth 3 in the housing 1 is one greater than the difference between the numbers of teeth 3 of the housing 1 and the
Конструкция статора при ее использовании в винтовом многозаходном героторном гидравлическом (забойном) двигателе работает следующим образом: поток бурового раствора 23 под давлением, например, 25...30 МПа в режиме максимальной мощности по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 22 между зубьями 14 ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 10 внутри эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1.The design of the stator when it is used in a screw multi-start gerotor hydraulic (downhole) engine works as follows: the mud flow 23 under pressure, for example, 25 ... 30 MPa in maximum power mode, is supplied through the drill pipe string to multi-start screw (lock)
Винтовые зубья 5 эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 10 внутри статора.
Винтовые (шлюзовые) камеры 22 между зубьями 14 ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 23 бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м3, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.The screw (lock)
Обкладка 4, выполненная из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 10 - обкладка 4) необходимого натяга контактное давление составляет 4...6 МПа, скорость скольжения 0,5...4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 60 МПа.Cover 4, made of IRP-1226-5 rubber, works under stressful conditions: if there is a necessary interference in the working pair (rotor 10 - cover 4), the contact pressure is 4 ... 6 MPa, the sliding speed is 0.5 ... 4 , 0 m / s, loading frequency up to 30 Hz and hydrostatic pressure up to 60 MPa.
Одним из существенных факторов, определяющих нагрузки, например, в шарнирных узлах карданного вала, соединенных с ротором 10 героторного гидравлического двигателя и шпинделем, оказывающих влияние на стойкость и эффективность работы долота, являются интенсивные поперечные колебания, обусловленные отличиями конструкции винтовых забойных двигателей от других типов забойных двигателей, например, турбобуров.One of the significant factors determining the load, for example, in the hinged joints of the driveshaft connected to the
Ротор 10, расположенный в обкладке 4 корпуса 1 эксцентрично, с величиной эксцентриситета 13, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 11 и обращение относительно оси 12 корпуса 1 с частотой в Zp раз больше частоты вращения вала двигателя (карданного вала, вала шпинделя), где Zp - число зубьев ротора 10, показано на фиг.2.The
Основными причинами поперечных колебаний винтового забойного двигателя, соединенного с валом шпинделя карданным валом, являются инерционные силы вращающегося с высокой частотой и значительным эксцентриситетом массивного ротора 10 и действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 10.The main causes of transverse vibrations of a downhole screw motor connected to a spindle shaft by a cardan shaft are the inertial forces of a
Основная частота колебаний двигателя всегда совпадает с частотой вращения ротора, по существу, всегда в Zp раз больше частоты вращения вала (ротора) двигателя. Качественных отличий характера резонансных режимов для всех типоразмеров гидравлических забойных двигателей нет.The main oscillation frequency of the engine always coincides with the rotor speed, essentially always Z p times greater than the rotational speed of the motor shaft (rotor). There are no qualitative differences in the nature of the resonance modes for all sizes of hydraulic downhole motors.
Из результатов эксплуатации известно, что собственные частоты колебаний винтовых забойных двигателей находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 50...150 кН.From the results of the operation it is known that the natural oscillation frequencies of downhole screw motors are in the region of the operating frequencies of the engine, and resonance modes occur periodically when the axial load (bit) changes (increases or decreases) by 50 ... 150 kN.
В процессе бурения скважин с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости получено, например, что при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).In the process of drilling wells with continuous monitoring of the load on the bit and the mechanical speed, it was obtained, for example, that with a smooth increase or decrease in the load from 50 to 250 kN and vice versa, the mechanical speed changes with a sharp alternation of extrema (maxima and minima).
Амплитуда колебаний корпуса винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора 10 винтового забойного двигателя увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также многократно снижается механическая скорость проходки скважины.The oscillation amplitude of the casing of the helical downhole motor in the mode of transverse resonant vibrations of the
При выполнении статора винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя таким образом, что минимальное число шагов 15·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1 на единицу больше разности чисел зубьев 3 корпуса 1 и зубьев 14 ротора 10, а также на единицу больше разности чисел зубьев 5 в обкладке из эластомера 4 и зубьев 14 ротора 10, а максимальное число шагов 16·Т винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 в корпусе 1, а также каждого винтового зуба 5 в обкладке из эластомера 4 на единицу меньше числа зубьев 14 ротора 10, обеспечивается синхронизация работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями 14 ротора 10 и обкладки 4 для двигателей с разным числом заходов рабочих органов (отношением чисел зубьев ротора и корпуса) в корпусе одного наружного диаметра), например, с заходностью 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, а также 9/10.When performing the stator of the screw multi-start gerotor hydraulic motor in such a way that the minimum number of steps 15 · T of the helix of each internal helical tooth 3 in the housing 1 is one more than the difference between the numbers of teeth 3 of the housing 1 and the
Например, в режиме максимальной мощности частота вращения вала шпинделя составляет (1,4...2)c-1; момент силы на выходном валу составляет (14...18) кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности составляет 27...33 МПа; осевая нагрузка составляет 250 кН, а при достижении частоты колебаний ω=75 рад/с наступает режим резонанса, амплитуда колебаний составляет ≈0,33 мм, при этом до использования существенных признаков заявляемого статора винтового забойного двигателя амплитуда колебаний составляла ≈2,5 мм.For example, in maximum power mode, the spindle shaft speed is (1.4 ... 2) s -1 ; the moment of force on the output shaft is (14 ... 18) kN · m; the pressure drop (inter-turn, on the stator teeth) in the maximum power mode is 27 ... 33 MPa; the axial load is 250 kN, and when the vibration frequency reaches ω = 75 rad / s, the resonance mode occurs, the amplitude of the oscillations is ≈0.33 mm, and before using the essential features of the inventive stator of a downhole motor, the oscillation amplitude is ≈2.5 mm.
При этом снижаются гидромеханические потери за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, что обеспечивает наибольшее снижение амплитуды колебаний корпуса винтового забойного двигателя в условиях резонанса, обеспечивает наилучший эффект демпфирования поперечных колебаний ротора винтового забойного двигателя на других режимах работы.At the same time, hydromechanical losses are reduced due to uniform interference in all phases of contact between the teeth of the plate and rotor, improved compaction along the contact lines in the area of the poles of engagement and reduced contact loads in the zone of maximum sliding speeds, which provides the greatest reduction in the amplitude of oscillations of the body of a downhole motor under resonance conditions , provides the best damping effect of transverse vibrations of the rotor of a downhole screw motor in other operating modes.
При использовании заявляемой конструкции статора повышаются энергетические характеристики винтового многозаходного героторного гидравлического двигателя, надежность и ресурс, максимальная мощность, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимая осевая нагрузка на долото, обеспечивается без поломок заданный темп набора кривизны при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении.When using the inventive design of the stator, the energy characteristics of a screw multi-start gerotor hydraulic motor are increased, reliability and service life, maximum power, torque on the output shaft in maximum power mode and permissible axial load on the bit are ensured without breakage, the specified rate of set of curvature when passing through the radius sections of the barrel wells with horizontal drilling.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005124254/03A RU2300617C2 (en) | 2005-07-29 | 2005-07-29 | Stator for screw gyrator hydromachine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005124254/03A RU2300617C2 (en) | 2005-07-29 | 2005-07-29 | Stator for screw gyrator hydromachine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005124254A RU2005124254A (en) | 2007-02-10 |
| RU2300617C2 true RU2300617C2 (en) | 2007-06-10 |
Family
ID=37862174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005124254/03A RU2300617C2 (en) | 2005-07-29 | 2005-07-29 | Stator for screw gyrator hydromachine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2300617C2 (en) |
-
2005
- 2005-07-29 RU RU2005124254/03A patent/RU2300617C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005124254A (en) | 2007-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9982485B2 (en) | Positive displacement motor with radially constrained rotor catch | |
| RU2318135C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| RU2607833C2 (en) | Downhole motors and pumps with asymmetric helical teeth | |
| RU2283442C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| WO2012122321A2 (en) | Bearing / gearing section for a pdm rotor / stator | |
| RU2565316C1 (en) | Oscillator for drill string | |
| RU2629315C2 (en) | Rotor bearing for downhole drilling motor with moving cavity | |
| RU2645198C1 (en) | Oscillator for drilling string | |
| RU2732322C1 (en) | Oscillator for a drill string | |
| US20180266181A1 (en) | Stiffness tuning and dynamic force balancing rotors of downhole drilling motors | |
| RU172421U1 (en) | Drill string rotator | |
| RU2373364C2 (en) | Stator of screw gerotor machine | |
| RU2362880C1 (en) | Stator of helical gerotor type hydraulic machine | |
| RU2355860C2 (en) | Hydraulic downhole engine | |
| RU2689014C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| RU2357063C2 (en) | Gerotor hydraulic engine | |
| RU2300617C2 (en) | Stator for screw gyrator hydromachine | |
| RU2361997C1 (en) | Helical stator of gerotor hydraulic machine | |
| RU2586124C2 (en) | Hydraulic downhole motor | |
| RU2304688C2 (en) | Gerotor fluid drive or pump | |
| RU2652725C1 (en) | Stator of screw gyratory hydraulic machine | |
| RU2710338C1 (en) | Hydraulic downhole motor | |
| RU2388894C1 (en) | Screw gerotor machine | |
| RU2327025C1 (en) | Stator of screw-gerotor hydraulic machine | |
| RU2367761C2 (en) | Hydraulic downhole motor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200730 |