RU2365726C1

RU2365726C1 - Helical downhole motor

Info

Publication number: RU2365726C1
Application number: RU2008107788/03A
Authority: RU
Inventors: Владимир Романович Сорокин (RU); Владимир Романович Сорокин
Original assignee: Владимир Романович Сорокин
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-08-27

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to spiral gerotor motor, used for drilling of oil and gas wells. Motor includes gerotor mechanism (1), containing stator (2) and rotor (3), number of claws of which per unit is less than number of stator claws (2), radial reference node input (4) and output (5) parts of motor, and also node of rotation transmission and axial load from rotor (3) on working shaft. Rotor (3) is installed on bearings of radial reference nodes of input (4) and output (5) parts of motor, herewith specified nodes are implemented with the ability of revolution of rotor (3) relative to stator (2) with eccentricity, equal to eccentricity of gerotor mechanism, and casing includes stator body and row of switchers.

EFFECT: it provides increasing of resource and coefficient of efficiency of motor by means of sequencing of movement and excluding of rotor disbalance during the operation process.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к винтовым героторным двигателям, используемым для бурения нефтяных и газовых скважин.The invention relates to screw gerotor engines used for drilling oil and gas wells.

Известно, что при работе двигателя возникает перекашивающий момент, воздействующий на ротор, который прижимает часть ротора на входе в двигатель к резиновой обкладке статора, увеличивая натяг зубьев ротора к обкладке. При этом часть ротора на выходе двигателя отжимается, уменьшая натяг вплоть до получения зазора. В результате ось ротора перекашивается относительно расчетного положения, возникают перекашивающий момент и неуравновешенные силы, приводящие к колебаниям, толчкам и т.п., другими словами, "неспокойной" работе двигателя. При этом объемный коэффициент полезного действия значительно снижается.It is known that when the engine is working, a skew moment arises, affecting the rotor, which presses part of the rotor at the engine inlet to the rubber lining of the stator, increasing the tightness of the teeth of the rotor to the lining. At the same time, a part of the rotor at the engine outlet is squeezed out, reducing the interference up to a clearance. As a result, the rotor axis is skewed relative to the design position, a skew moment and unbalanced forces arise, leading to vibrations, shocks, etc., in other words, the "troubled" operation of the engine. At the same time, the volumetric efficiency is significantly reduced.

Центробежная сила, возникающая при планетарном движении, прижимает ротор к резиновой обкладке статора, увеличивая натяг в героторном механизме и создавая дополнительное сопротивление вращению. В результате снижается гидромеханический коэффициент полезного действия двигателя.The centrifugal force arising from planetary motion presses the rotor against the rubber lining of the stator, increasing the tightness in the gerotor mechanism and creating additional resistance to rotation. As a result, the hydromechanical efficiency of the engine is reduced.

Общий эффективный кпд современных двигателей не превышает 40%, что влечет за собой повышенное давление рабочей жидкости, проходящей через двигатель, и повышенный расход электроэнергии на работу насосов.The total effective efficiency of modern engines does not exceed 40%, which entails an increased pressure of the working fluid passing through the engine and an increased energy consumption for the operation of the pumps.

Известен многозаходный винтовой героторный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета «е», которая равна половине радиальной высоты зубьев [а.с. СССР №237596, F03C 05/02, 1969 г.; М.Т.Гусман, Д.Ф.Балденко и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин, М., «Недра», 1981 г., стр.17-19].Known multi-helical screw gerotor engine containing a stator with internal helical teeth and a rotor with external helical teeth, the number of which is one less than the stator. The rotor axis is offset relative to the stator axis by the eccentricity value "e", which is equal to half the radial height of the teeth [a.s. USSR No. 237596, F03C 05/02, 1969; MT Gusman, DF Baldenko, etc. Downhole screw motors for drilling wells, M., "Nedra", 1981, pp. 17-19].

Основным недостатком такой конструкции является перекос оси ротора от расчетного положения под действием перекашивающего момента. Он влечет за собой потерю давления рабочей жидкости, проходящей через героторный механизм, а также перераспределение натяга зубьев ротора с резиновой обкладкой статора. Работа двигателя при этом сопровождается толчками, колебаниями и другими нежелательными явлениями. В результате ротор работает не на полной длине (30-50%), имеет низкий объемный кпд (η_об), износ ротора и статора будет неравномерен, т.е. более интенсивный во входной части двигателя.The main disadvantage of this design is the skewness of the rotor axis from the calculated position under the action of the distortion moment. It entails a loss of pressure of the working fluid passing through the gerotor mechanism, as well as a redistribution of the interference of the teeth of the rotor with a rubber lining of the stator. The operation of the engine is accompanied by tremors, vibrations and other undesirable phenomena. As a result, the rotor does not work at its full length (30-50%), has a low volumetric efficiency (η _rev ), the wear of the rotor and stator will be uneven, i.e. more intense in the engine inlet.

Запуск двигателя затруднен, т.к. он происходит при значительном перепаде давления (более 2 МПа).Starting the engine is difficult because it occurs at a significant pressure drop (more than 2 MPa).

Негативное воздействие на работу героторного механизма оказывает также центробежная сила, действующая на ротор при его планетарном движении, которая является причиной низкого гидромеханического к.п.д. (η_г.м). Эффективный кпд двигателя (η_об×η_г.м) составляет не более 40%.The centrifugal force acting on the rotor during its planetary motion, which causes a low hydromechanical efficiency, also negatively affects the operation of the gerotor mechanism. (η _gm ). Effective engine efficiency (η _r × η _gm ) is not more than 40%.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция винтового забойного двигателя для бурения скважин, включающая корпус, статор с эластичной обкладкой и ротор, который снабжен на концах цилиндрическими катками, взаимодействующими с цилиндрическими поверхностями корпуса [а.с. СССР №440498, F04С 5/00,1974 г.].Closest to the claimed is the design of a downhole screw motor for drilling wells, including a housing, a stator with an elastic lining and a rotor, which is equipped at the ends with cylindrical rollers interacting with the cylindrical surfaces of the housing [a.s. USSR No. 440498, F04C 5 / 00.1974].

Радиальные нагрузки, возникающие в процессе работы двигателя, воспринимаются парой «каток-цилиндрическая поверхность корпуса». Однако каток в выходной части двигателя может отходить от цилиндрической поверхности корпуса под действием перекашивающего момента, поэтому данная конструкция не позволяет устранять перекос геометрической оси ротора под воздействием перекашивающего момента и центробежных сил, возникающих в процессе работы, поэтому двигатель имеет низкий кпд и ресурс, а корпус включает корпус статора и ряд переводников.Radial loads arising during the operation of the engine are perceived by a pair of "roller-cylindrical surface of the housing." However, the roller in the output part of the engine can move away from the cylindrical surface of the housing under the action of a distortion moment, therefore, this design does not allow to eliminate the distortion of the geometric axis of the rotor under the influence of the distortion moment and centrifugal forces that arise during operation, therefore the engine has a low efficiency and resource, and the housing includes a stator housing and a number of sub.

Кроме того, катки, жестко связанные с ротором, участвуют только в «переносном» вращении вокруг оси статора, а одновременное вращение ротора в другую сторону («абсолютное» вращение) осуществляется с проскальзыванием катков, что тормозит ротор.In addition, the rollers, rigidly connected with the rotor, participate only in the “portable” rotation around the axis of the stator, and the simultaneous rotation of the rotor in the other direction (“absolute” rotation) is carried out with the rollers slipping, which inhibits the rotor.

Техническая задача заключается в повышении ресурса и кпд двигателя путем упорядочения движения и исключения перекоса ротора в процессе работы.The technical problem is to increase the resource and efficiency of the engine by streamlining the movement and eliminating the skew of the rotor during operation.

Сущность изобретения заключается в том, что винтовой забойный двигатель, включающий корпус, рабочий вал, героторный механизм, содержащий статор и ротор, число зубьев которого на единицу меньше числа зубьев статора, согласно 1-му пункту формулы изобретения, дополнительно включает радиальные опорные узлы входной и выходной частей двигателя, а также узел передачи вращения и осевой нагрузки с ротора на рабочий вал, ротор героторного механизма установлен на подшипниках радиальных опорных узлов входной и выходной частей двигателя, причем указанные узлы выполнены с возможностью вращения ротора относительно статора с эксцентриситетом, равным эксцентриситету героторного механизма, а корпус состоит из ряда переводников.The essence of the invention lies in the fact that a downhole screw motor including a housing, a working shaft, a gerotor mechanism comprising a stator and a rotor, the number of teeth of which is one less than the number of stator teeth, according to the first claim, further includes radial support nodes of the input and the output parts of the engine, as well as the transmission unit of rotation and axial load from the rotor to the working shaft, the rotor of the gerotor mechanism is mounted on bearings of the radial bearings of the input and output parts of the engine, and the decree These nodes are made with the possibility of rotation of the rotor relative to the stator with an eccentricity equal to the eccentricity of the gerotor mechanism, and the housing consists of a number of sub.

При этом радиальный опорный узел входной части двигателя включает жестко соединенный со статором входной переводник с каналами для прохода рабочей жидкости, в котором на подшипниках закреплена ось водила входной части двигателя, эксцентриковая часть указанного водила на подшипниках закреплена в роторе соосно ему, а радиальный опорный узел выходной части двигателя включает водило выходной части двигателя, причем ось водила выходной части двигателя закреплена на подшипниках во втулке соосно статору, а эксцентриковая часть размещена в подшипнике цапфы, имеющей резьбовое соединение с ротором, при этом цапфа связана с рабочим валом через узел передачи вращения и осевой нагрузки с ротора на рабочий вал, выполненный в виде подвижной шариковой муфты, вал которой размещен внутри водила выходной части двигателя.In this case, the radial support assembly of the engine inlet includes an inlet adapter rigidly connected to the stator with channels for the passage of the working fluid, in which the axis of the carrier of the engine inlet is fixed to the bearings, the eccentric part of the carrier is fixed to the bearings in a rotor coaxially with it, and the output radial support assembly of the engine part includes the carrier of the engine output part, the axis of the carrier of the engine output part mounted on bearings in the sleeve coaxially to the stator, and the eccentric part is located in The bearings trunnion having a threaded connection to the rotor, wherein the pin is connected with the working shaft via the rotation transmission part and the axial load from the rotor to the working shaft, designed as a movable ball coupling shaft which is situated inside the carrier output of the engine.

Заявляемая конструкция согласно п.1 формулы изобретения позволяет организовать упорядоченное движение ротора в подшипниках радиальных опорных узлов входной и выходной частей двигателя без толчков и колебаний и с сохранением равномерного натяга в героторном механизме.The inventive design according to claim 1 of the invention allows to organize the ordered movement of the rotor in the bearings of the radial bearings of the input and output parts of the engine without shocks and vibrations and while maintaining a uniform tightness in the gerotor mechanism.

Осуществление вращения ротора относительно статора в радиальных опорных узлах с эксцентриситетом, равным эксцентриситету героторного механизма, позволяет при работе двигателя сохранять расчетное положение оси ротора, при этом перекашивающий момент и центробежные силы воспринимаются подшипниками указанных узлов, тем самым увеличивая ресурс двигателя.The implementation of the rotation of the rotor relative to the stator in radial support nodes with an eccentricity equal to the eccentricity of the gerotor mechanism allows the engine to maintain the calculated position of the rotor axis, while the skew moment and centrifugal forces are perceived by the bearings of these nodes, thereby increasing the engine resource.

Заявляемая конструкция позволяет выполнять героторный механизм укороченным при сохранении момента вращения, что упрощает технологию его изготовления и получение точных геометрических параметров, влияющих на увеличение ресурса.The inventive design allows the gerotor mechanism to be shortened while maintaining the torque, which simplifies the technology of its manufacture and obtaining accurate geometric parameters that affect the increase in resource.

Заявляемая конструкция позволяет повысить эффективный кпд двигателя до 60-70%, повысить мощность и момент вращения на 20-30% по сравнению с аналогами при одинаковом расходе рабочей жидкости.The inventive design allows you to increase the effective efficiency of the engine up to 60-70%, increase power and torque by 20-30% compared with analogues with the same flow rate of the working fluid.

Изобретение иллюстрируется следующим образом.The invention is illustrated as follows.

На фиг.1 изображен общий вид заявляемой конструкции двигателя.Figure 1 shows a General view of the inventive engine design.

На фиг.2 представлен радиальный опорный узел входной части двигателя в продольном сечении, а на фиг.3 - в поперечном сечении.Figure 2 presents the radial support node of the input part of the engine in longitudinal section, and figure 3 in cross section.

На фиг.4 изображен радиальный опорный узел выходной части двигателя, а на фиг.5 - рабочий вал с подшипниками.Figure 4 shows the radial support node of the output part of the engine, and figure 5 - the working shaft with bearings.

На фиг.6 представлен радиальный опорный узел выходной части двигателя в увеличенном виде.Figure 6 presents the radial support node of the output part of the engine in an enlarged view.

Винтовой забойный двигатель состоит из героторного механизма 1, включающего статор 2 и ротор 3, радиального опорного узла входной части 4 двигателя, радиального опорного узла 5 выходной части двигателя и узла рабочего вала 6.The downhole screw motor consists of a gerotor mechanism 1, including a stator 2 and a rotor 3, a radial support assembly of the engine input part 4, a radial support assembly 5 of the engine output part and the working shaft assembly 6.

Радиальный опорный узел 4 включает входной переводник 7, соединенный конической резьбой с бурильной трубой (не показана) и со статором 2. В центральном отверстии переводника 7 соосно статору 2 на подшипниках 8 закреплена ось водила 9 входной части двигателя. Эксцентриковая часть 10 водила 9 смонтирована на подшипниках 11 в роторе 3.The radial support unit 4 includes an inlet sub 7 connected by a tapered thread to a drill pipe (not shown) and with a stator 2. In the central hole of the sub 7 coaxially to the stator 2, the carrier axle 9 of the engine inlet is fixed to bearings 8. The eccentric part 10 of the carrier 9 is mounted on bearings 11 in the rotor 3.

Распорные втулки 12, 13 и 14, 15 задают расстояния между подшипниками 8 и 11, соответственно.Spacer sleeves 12, 13 and 14, 15 define the distance between the bearings 8 and 11, respectively.

Ось водила 9 с подшипниками 8 загерметизирована уплотнением 16, которое зафиксировано гайкой 17.The axis of the carrier 9 with bearings 8 is sealed by a seal 16, which is fixed by a nut 17.

Эксцентриковая часть 10 водила 9 с подшипниками 11 загерметизирована уплотнением 18 и зафиксирована гайкой 19.The eccentric part 10 of carrier 9 with bearings 11 is sealed with a seal 18 and fixed with a nut 19.

Входной переводник 7 имеет каналы 20 для прохода рабочей жидкости.The inlet sub 7 has channels 20 for the passage of the working fluid.

Радиальный опорный узел 5 выходной части двигателя включает водило 21 выходной части двигателя, закрепленное в подшипниках 22 во втулке 23, установленной соосно статору 2.The radial support assembly 5 of the engine output includes a carrier 21 of the engine output, mounted in bearings 22 in a sleeve 23 mounted coaxially to the stator 2.

Эксцентриковая часть 24 водила 21 входит в подшипник 25, расположенный во внутренней выточке цапфы 26, которая ввернута на резьбе в нижний конец ротора 3. Подшипник 25 установлен соосно ротору 3.The eccentric part 24 of the carrier 21 enters the bearing 25 located in the inner recess of the journal 26, which is screwed onto the thread at the lower end of the rotor 3. The bearing 25 is mounted coaxially with the rotor 3.

Через внутреннюю полость водила 21 проходит вал 27 подвижной шариковой муфты 28. Шарики 29 размещены в выточках вала 27 и пазах цапфы 26 и рабочего вала 30. Подвижная муфта 28 обеспечивает передачу момента вращения от ротора 3 к рабочему валу 30. Втулка 23 на конусной резьбе соединена с рабочим валом 30.A shaft 27 of the movable ball clutch 28 passes through the internal cavity of the carrier 21. Balls 29 are located in the recesses of the shaft 27 and the grooves of the trunnion 26 and the working shaft 30. The movable clutch 28 provides transmission of torque from the rotor 3 to the working shaft 30. A sleeve 23 on a tapered thread is connected with working shaft 30.

Распорные втулки 31 и 32 задают расстояние между подшипниками 22.Spacer sleeves 31 and 32 define the distance between the bearings 22.

Эксцентриковая часть 24 водила 21 загерметизирована уплотнением 33, зафиксированным гайкой 34.The eccentric portion 24 of the carrier 21 is sealed with a seal 33 fixed by a nut 34.

Ось водила 21 загерметизирована уплотнением 35, зафиксированным гайкой 36.The carrier axis 21 is sealed with a seal 35 fixed by a nut 36.

Шайба 37 фиксирует подшипник 22 от продольного смещения.Washer 37 secures bearing 22 against longitudinal displacement.

В цапфе 26 выполнена выточка, в которую вставлен шарик 38, передающий осевое усилие от ротора 3 валу 27, который в свою очередь передает осевое усилие рабочему валу 30 через шарик 38, установленный в выточку рабочего вала 30.In the pin 26, a recess is made in which a ball 38 is inserted, transmitting the axial force from the rotor 3 to the shaft 27, which in turn transfers the axial force to the working shaft 30 through the ball 38 installed in the undercut of the working shaft 30.

Рабочий вал 30 имеет овальные отверстия 39 для прохождения рабочей жидкости во внутреннюю полость рабочего вала 30.The working shaft 30 has oval holes 39 for the passage of the working fluid into the internal cavity of the working shaft 30.

Переводник 40 верхним резьбовым концом соединен со статором 2, а нижним - с нижним переводником 41, в котором расположен подшипник скольжения 42.The sub 40 is connected with the upper threaded end to the stator 2, and the lower one - with the lower sub 41, in which the sliding bearing 42 is located.

Наружный диаметр рабочего вала 30 около овальных отверстий 39 загерметизирован уплотнением 43 и зафиксирован гайкой 44.The outer diameter of the working shaft 30 near the oval holes 39 is sealed with a seal 43 and fixed with a nut 44.

Второй подшипник скольжения 45 расположен в переводнике 46. Подшипники 42 и 45 соосны статору 2. Рабочий вал 30 в подшипнике 45 центрируется втулкой 47.The second plain bearing 45 is located in the sub 46. The bearings 42 and 45 are aligned with the stator 2. The working shaft 30 in the bearing 45 is centered by the sleeve 47.

Осевая сила от рабочего вала 30 передается через шайбу 48 упорному подшипнику 49 и далее через шайбу 50 воспринимается торцом переводника 46.The axial force from the working shaft 30 is transmitted through the washer 48 to the thrust bearing 49 and then through the washer 50 is perceived by the end face of the sub 46.

Рабочий вал 30 конической резьбой 51 соединен со шпинделем (не показан).The working shaft 30 with a tapered thread 51 is connected to a spindle (not shown).

Подшипники 8, 11, 22, 25 и их полости заполнены пластической смазкой типа ШРУС-4М ТУ 38.401-58-128-95, действие которой сохраняется длительный срок, достаточный для выработки ресурса работы двигателя.Bearings 8, 11, 22, 25 and their cavities are filled with a plastic lubricant of the type SHRUS-4M TU 38.401-58-128-95, the effect of which is maintained for a long time, sufficient to develop a service life of the engine.

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом.Screw downhole motor operates as follows.

Рабочая жидкость (вода или буровой раствор) поступает во входную часть 4 двигателя из бурильной трубы (не показана), проходит через каналы 20 переводника 7 и попадает в героторный механизм 1. Далее рабочая жидкость попадает в кольцевую полость, образуемую втулкой 23 и переводником 40, затем, пройдя овальные отверстия 39, попадает в отверстие вала 30 и далее в отверстие шпинделя (не показано).The working fluid (water or drilling fluid) enters the engine inlet 4 from the drill pipe (not shown), passes through the channels 20 of the sub 7 and enters the gerotor mechanism 1. Next, the working fluid enters the annular cavity formed by the sleeve 23 and the sub 40, then, having passed the oval holes 39, it enters the hole of the shaft 30 and then into the hole of the spindle (not shown).

При включении двигателя ротор 3 начинает планетарное движение совместно с водилами 9 и 21, производя переносное вращение геометрической оси ротора 3 относительно геометрической оси статора 2 против часовой стрелки (при левом направлении зубьев резиновой прокладки статора 2).When the engine is turned on, the rotor 3 starts planetary motion together with the carriers 9 and 21, performing a portable rotation of the geometric axis of the rotor 3 relative to the geometric axis of the stator 2 counterclockwise (with the left direction of the teeth of the rubber strip of the stator 2).

Геометрическая ось ротора 3 вращается относительно оси статора 2 с радиусом, равным эксцентриситету «е» героторного механизма 1, при этом водила 9 и 21 имеют тот же эксцентриситет «е».The geometric axis of the rotor 3 rotates relative to the axis of the stator 2 with a radius equal to the eccentricity "e" of the gerotor mechanism 1, while carrier 9 and 21 have the same eccentricity "e".

Поскольку водила 9 и 21 вращаются в подшипниках 8 и 22, соответственно, перекашивающий момент и центробежные силы, действующие на ротор 3, воспринимаются указанными подшипниками, движение ротора 3 становится упорядоченным.Since the carrier 9 and 21 rotate in bearings 8 and 22, respectively, the distortion moment and centrifugal forces acting on the rotor 3 are perceived by the indicated bearings, the movement of the rotor 3 becomes ordered.

Кроме того, ротор 3 поворачивается на эксцентриковых частях 10 и 24 водил 9 и 21 по часовой стрелке, совершая абсолютное движение. За счет разности в числе зубьев ротора 3 и статора 2 переносное движение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, равным числу зубьев ротора 3. Момент вращения ротора 3 передается рабочему валу 30 с помощью шариков 29 и вала 27 муфты 28.In addition, the rotor 3 rotates on the eccentric parts 10 and 24 drove 9 and 21 clockwise, making an absolute movement. Due to the difference in the number of teeth of the rotor 3 and the stator 2, the portable movement is reduced to absolute with a gear ratio equal to the number of teeth of the rotor 3. The rotation moment of the rotor 3 is transmitted to the working shaft 30 using balls 29 and shaft 27 of the clutch 28.

Конусная резьба 51 вала 30 предназначена для соединения со шпинделем (не показан) и передачи ему момента вращения.The taper thread 51 of the shaft 30 is intended to be connected to a spindle (not shown) and to transmit torque to it.

Claims

1. A downhole screw motor including a housing, a working shaft, a gerotor mechanism comprising a stator and a rotor, the number of teeth of which is one less than the number of stator teeth, characterized in that it further includes radial support nodes of the input and output parts of the engine, as well as a rotation transmission unit and axial load from the rotor to the working shaft, the rotor of the gerotor mechanism is mounted on bearings of the radial bearings of the input and output parts of the engine, and these nodes are made with the possibility of rotation of the rotor no stator with eccentricity equal to the eccentricity of the gerotor mechanism and the housing includes a stator housing and a number of subs.

2. The downhole screw motor according to claim 1, characterized in that the radial support assembly of the engine inlet includes an input sub with channels for the passage of the working fluid rigidly connected to the stator, in which the axle of the carrier of the engine inlet is fixed to the bearings, the eccentric part of said carrier bearings mounted in the rotor coaxially with it, and the radial support assembly of the engine output includes the carrier of the engine output, and the axis of the carrier of the engine output is mounted on bearings in the sleeve with the stator, and the eccentric part is placed in the axle bearing having a threaded connection with the rotor, while the axle is connected to the working shaft through the transmission unit of rotation and axial load from the rotor to the working shaft, made in the form of a movable ball coupling, the shaft of which is located inside the output carrier engine parts.