RU2587513C1 - Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth - Google Patents

Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth Download PDF

Info

Publication number
RU2587513C1
RU2587513C1 RU2015119885/06A RU2015119885A RU2587513C1 RU 2587513 C1 RU2587513 C1 RU 2587513C1 RU 2015119885/06 A RU2015119885/06 A RU 2015119885/06A RU 2015119885 A RU2015119885 A RU 2015119885A RU 2587513 C1 RU2587513 C1 RU 2587513C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
teeth
stator
tooth
hydraulic machine
lining
Prior art date
Application number
RU2015119885/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Валерьевич Шардаков
Original Assignee
Михаил Валерьевич Шардаков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Валерьевич Шардаков filed Critical Михаил Валерьевич Шардаков
Priority to RU2015119885/06A priority Critical patent/RU2587513C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2587513C1 publication Critical patent/RU2587513C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/10—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F01C1/107—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/02—Fluid rotary type drives

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Rotary Pumps (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: invention relates to screw gerotor hydraulic machines. Screw hydraulic machine comprises stator, which is a tubular housing 10 with fixed in it cover 6 made from elastic material with internal screw teeth 5. Inside stator there is an eccentrically arranged rotor 2 with external spiral teeth 1, number of which is one less than number of teeth 5 of cover 6. Passages screw teeth 5 and 1 of cover 6 and rotor 2 are proportional to their numbers of teeth. Vertices of teeth 5 of cover 6 of stator have offset towards maximum fluid pressure acting during operation of hydraulic machine. Mid axes 7 of profiles of teeth 5 are inclined in same direction.
EFFECT: invention is aimed at increasing operating torque and efficiency of hydraulic machine used in working mode, and working pressure and efficiency in operation as a pump, to increase reliability of starting hydraulic machine after stopping in well and longer service life of hydraulic machine.
4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к винтовым героторным гидромашинам, применяемым в качестве винтовых двигателей, вращение ротора с долотом в которых осуществляется насосной подачей текучей среды, для бурения нефтяных и газовых скважин, а также в качестве винтовых насосов для добычи нефти, мультифазных насосов для перекачки газожидкостных смесей и может быть использовано для винтовых двигателей или насосов общего назначения. The invention relates to screw gerotor hydraulic machines used as screw engines, the rotation of the rotor with a chisel in which is pumped by a fluid, for drilling oil and gas wells, and also as screw pumps for oil production, multiphase pumps for pumping gas-liquid mixtures and can be used for screw motors or general purpose pumps.

Известен патент №2202694 «Героторный механизм винтовой гидромашины» опубликованный 20.04.2003 г., авторы Андоскин В.Н., Астафьев С.П., Глинкин А.С, Пушкарев М.А.Known patent No. 2202694 "Gerotor mechanism of a screw hydraulic machine" published on 04/20/2003, the authors Andoskin V.N., Astafiev S.P., Glinkin A.S., Pushkarev M.A.

В героторном механизме винтовой гидромашины по данному патенту циклоидальные профили одной половины зуба ротора и одной половины зуба статора в торцевом сечении очерчены эквидистантой укороченной циклоиды, а корригированные профили другой половины зуба ротора и другой половины зуба статора в торцевом сечении получены как огибающие исходного контура инструментальной рейки, образованного сопряжением дуг окружностей, при обкатке исходных контуров без скольжения по соответствующим инструментальным диаметрам. Радиус одной из окружностей, образующих исходный контур, равен радиусу эквидистанты, радиус другой определен математическим выражением. Повышаются энергетические характеристики, надежность, долговечность винтовой гидромашины.In the gerotor mechanism of a screw hydraulic machine according to this patent, the cycloidal profiles of one half of the rotor tooth and one half of the stator tooth in the end section are outlined by the equidistant of the shortened cycloid, and the corrected profiles of the other half of the rotor tooth and the other half of the stator tooth in the end section are obtained as envelopes of the initial contour of the tool rail formed by the conjugation of circular arcs when running in the original contours without sliding along the corresponding tool diameters. The radius of one of the circles forming the original contour is equal to the radius of the equidistant, the radius of the other is determined by a mathematical expression. Increased energy characteristics, reliability, durability of a screw hydraulic machine.

Недостатком упомянутой конструкции является искажение оптимального профиля зубьев обкладки статора, появляющееся при их изгибе в рабочем режиме гидромашины. Искажение оптимального профиля зубьев при их работе не позволяет достигнуть более высоких рабочих характеристик гидромашины: рабочего момента и КПД при работе в режиме двигателя и рабочего давления и КПД при работе в насосном режиме.The disadvantage of this design is the distortion of the optimal profile of the teeth of the stator lining, which appears when they are bent in the operating mode of the hydraulic machine. Distortion of the optimal tooth profile during their operation does not allow to achieve higher performance characteristics of the hydraulic machine: operating torque and efficiency when operating in engine mode and operating pressure and efficiency when operating in pump mode.

Ближайшим техническим решением принятым за прототип предлагаемого изобретения является устройство для использования в скважине по патенту US 8888474 В2 (HOHL CARSTEN), 18.11.2014, F01C 1/10, первоначальный патентообладатель Бейкер Хьюз Инкорпорейтед. Гидромашина, выполненная по этому патенту, включает ротор, установленный в статоре. Контур зубьев ротора выполнен асимметричным, при этом одна сторона зубьев ротора выполнена с возможностью обеспечения поверхности нагружения, а другая сторона выполнена с возможностью обеспечить уплотнительную поверхность. При этих условиях зубья статора также выполнены с асимметричным профилем. Контур зубьев ротора соответствует контуру зубьев статора, а профили сторон зубьев ротора и статора представляют собой трохоиды.The closest technical solution adopted for the prototype of the present invention is a device for use in a well according to the patent US 8888474 B2 (HOHL CARSTEN), 11/18/2014, F01C 1/10, the original patent holder Baker Hughes Incorporated. The hydraulic machine made according to this patent includes a rotor mounted in the stator. The contour of the rotor teeth is asymmetric, while one side of the rotor teeth is configured to provide a loading surface, and the other side is configured to provide a sealing surface. Under these conditions, the stator teeth are also made with an asymmetric profile. The contour of the teeth of the rotor corresponds to the contour of the teeth of the stator, and the profiles of the sides of the teeth of the rotor and stator are trochoid.

Недостатки данного технического решения проявляются в рабочем режиме этой гидромашины при изгибе эластичных зубьев обкладки статора, вызывающем искажение оптимального для зацепления профиля зубьев. При изгибе зубьев обкладки статора, контактная поверхность зубьев ротора и статора разрывается, происходит интенсивная утечка части потока текучей среды между полостью высокого давления и полостью низкого давления, резко снижающая КПД гидромашины.The disadvantages of this technical solution are manifested in the operating mode of this hydraulic machine when bending the elastic teeth of the stator lining, causing distortion of the optimal tooth profile for engagement. When the teeth of the stator plate are bent, the contact surface of the teeth of the rotor and stator breaks, an intensive leakage of part of the fluid flow between the high-pressure cavity and the low-pressure cavity occurs, which sharply reduces the efficiency of the hydraulic machine.

Недостатки присутствуют и при остановке этой гидромашины в скважине. В текучей среде, проходящей через винтовую гидромашину, присутствуют частицы песка или, например, частицы материалов для борьбы с поглощением бурового раствора. При остановке гидромашины перепад гидростатического давления между полостями незначителен и на порядок меньше, чем в рабочем режиме. Линии уплотнения полостей остаются закрытыми. Возникает проблема закупоривания полостей гидромашины песком или материалами для борьбы с поглощением бурового раствора. Концентрация частиц в текучей среде во время остановки двигателя или насоса станет такой высокой, что становится невозможно без разрушения эластомера зубьев статора вновь запустить двигатель или насос после простаивания в скважине. При отсутствии зазоров в уплотнениях полостей при остановке двигателя или насоса в скважине винтовая гидромашина действует как фильтр для осаждающихся частиц.Disadvantages are also present when the hydraulic machine stops in the well. In the fluid passing through the screw hydraulic machine, there are particles of sand or, for example, particles of materials to combat the absorption of the drilling fluid. When the hydraulic machine stops, the difference in hydrostatic pressure between the cavities is insignificant and an order of magnitude less than in the operating mode. Cavity seal lines remain closed. There is a problem of clogging the cavities of a hydraulic machine with sand or materials to combat the absorption of drilling fluid. The concentration of particles in the fluid during the shutdown of the engine or pump becomes so high that it becomes impossible without the destruction of the elastomer of the stator teeth to restart the engine or pump after idle in the well. In the absence of gaps in the cavity seals when the engine or pump is stopped in the well, the screw hydraulic machine acts as a filter for the deposited particles.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД гидромашины, применяемой в рабочем режиме двигателя или насоса, увеличение долговечности гидромашины. Задачей также является увеличение надежности запуска гидромашины после ее остановки в скважине.The objective of the invention is to increase the efficiency of the hydraulic machine used in the operating mode of the engine or pump, to increase the durability of the hydraulic machine. The objective is also to increase the reliability of starting the hydraulic machine after it is stopped in the well.

Указанная задача решается тем, что в винтовой гидромашине, содержащей статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной в нем обкладкой из упругоэластичного материала с внутренними винтовыми зубьями, и эксцентрично расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, при этом в средней части обкладки статора вершина профиля любого зуба обкладки имеет смещение относительно прямой, пересекающей перпендикулярно ось обкладки и проходящей через середину основания этого зуба, срединная ось профиля зуба обкладки имеет острый угол наклона к этой прямой, при этом смещение и угол наклона выполнены навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.This problem is solved by the fact that in a screw hydraulic machine containing a stator, which is a tubular body with a lining of elastic material with internal helical teeth fixed to it, and a rotor eccentrically located inside the stator with external helical teeth, the number of which is one less than the number of teeth of the lining, the moves of the helical teeth of the lining and the rotor are proportional to their number of teeth, while in the middle part of the stator lining the top of the profile of any lining tooth has an offset relative to a straight line, intersecting perpendicularly the axis of the lining and passing through the middle of the base of this tooth, the median axis of the profile of the tooth lining has an acute angle of inclination to this straight line, while the offset and angle of inclination are made to meet the highest fluid pressure acting during the operation of a screw hydraulic machine.

При этом указанная задача решается и при выполнении обкладки статора из резины.At the same time, this problem is also solved when the stator lining is made of rubber.

Задача решается и тогда, когда угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен постоянным, при этом срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, прямолинейна.The problem is also solved when the angle of inclination of the middle axis of the tooth profile of the stator lining is constant, while the middle axis in the area closest to the top of the tooth is straight.

Указанная задача решается также и тогда, когда угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен переменным, при этом срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, представляет дугу, вогнутую навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.This problem is also solved when the angle of inclination of the median axis of the tooth profile of the stator lining is made variable, while the median axis in the area closest to the top of the tooth represents an arc concave towards the highest fluid pressure acting during the operation of a screw hydraulic machine.

Отличительными признаками предлагаемой винтовой гидромашины является следующее.Distinctive features of the proposed screw hydraulic machines is the following.

Во-первых, в винтовой гидромашине, содержащей статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной в нем обкладкой из упругоэластичного материала с внутренними винтовыми зубьями, и эксцентрично расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, при этом в средней части обкладки статора вершина профиля любого зуба обкладки имеет смещение относительно прямой, пересекающей перпендикулярно ось обкладки и проходящей через середину основания этого зуба, срединная ось профиля зуба обкладки имеет острый угол наклона к этой прямой, при этом смещение и угол наклона выполнены навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.Firstly, in a screw hydraulic machine containing a stator, which is a tubular body with a lining of elastic material with internal helical teeth fixed to it, and a rotor with external helical teeth eccentrically located inside the stator, the number of which is one less than the number of lining teeth, the screw moves the teeth of the lining and the rotor are proportional to their number of teeth, while in the middle part of the stator lining the top of the profile of any lining tooth has an offset relative to a straight line intersecting perpendicular about the axis of the lining and passing through the middle of the base of this tooth, the median axis of the profile of the tooth of the lining has an acute angle of inclination to this straight line, while the offset and angle of inclination are made to meet the highest fluid pressure acting during the operation of the screw hydraulic machine.

При таком выполнении зубьев обкладки статора, в связи с выпрямлением срединных осей профилей зубьев при достижении рабочего давления текучей средой, происходит образование близких к оптимальным для зацепления профилей зубьев. Наклонные срединные оси предварительно искаженных наклоном профилей зубьев обкладки статора выпрямляются при работе гидромашины. Боковые стороны профиля каждого зуба обкладки при рабочем давлении текучей среды становятся близки к симметричности. Это возникает при уравновешивании сил давления текучей среды и противодействующих им упругих сил, возникающих в материале зубьев обкладки статора, при их изгибе в установившемся рабочем режиме гидромашины. Близкие к оптимальным профили зацепления зубьев обкладки статора и ротора при работе гидромашины обеспечивают увеличенный рабочий момент и КПД двигателя, рабочее давление и КПД винтового насоса. Увеличивается долговечность гидромашины. Оптимальная величина смещения вершины профиля зуба обкладки статора и угол наклона его срединной оси при нескольких влияющих факторах (твердость резины по ШОР, толщина, высота и количество зубьев обкладки статора, перепад давления между камерами гидромашины для различных условий бурения или добычи) для каждого габарита двигателя или насоса выбирается в зоне, близкой к максимальному КПД гидромашины, при использовании испытательного стенда для снятия фактических стендовых характеристик гидромашины.With this embodiment, the teeth of the stator lining, in connection with the straightening of the median axes of the tooth profiles when the working pressure is reached by the fluid, formation of teeth profiles close to optimal for engagement occurs. The inclined median axes of the stator plates previously distorted by the inclination of the tooth profiles are straightened during operation of the hydraulic machine. The lateral sides of the profile of each tooth of the lining at the working pressure of the fluid become close to symmetry. This occurs when balancing the pressure forces of the fluid and the opposing elastic forces that arise in the material of the teeth of the stator lining, when they are bent in the steady-state operating mode of the hydraulic machine. Close to optimal tooth engagement profiles of the stator and rotor plates during operation of the hydraulic machine, they provide increased operating torque and motor efficiency, working pressure and efficiency of the screw pump. Increased durability of the hydraulic machine. The optimal displacement of the top of the stator plate tooth profile and the angle of inclination of its median axis for several influencing factors (SHOR rubber hardness, thickness, height and number of stator plate teeth, pressure drop between the chambers of the hydraulic machine for different drilling or production conditions) for each engine size or the pump is selected in an area close to the maximum efficiency of the hydraulic machine when using a test bench to take the actual bench characteristics of the hydraulic machine.

Во-вторых, при выполнении обкладки статора из резины такой технический результат также достигается.Secondly, when performing the stator lining of rubber, such a technical result is also achieved.

В-третьих, при выполнении угла наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора постоянным, когда при этом срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, прямолинейна, также происходит выпрямление срединной оси профиля каждого зуба при достижении рабочего давления текучей средой. Боковые стороны профиля каждого зуба обкладки при рабочем давлении текучей среды становятся близки к симметричности. Близкие к оптимальным профили зацепления зубьев статора и ротора при работе двигателя обеспечивают увеличенный рабочий момент и КПД двигателя, а при работе в насосном режиме увеличивают рабочее давление и КПД насоса.Thirdly, when the angle of inclination of the median axis of the tooth profile of the stator lining is constant, while the median axis in the area closest to the top of the tooth is rectilinear, the median axis of the profile of each tooth is also straightened when the working pressure is reached by the fluid. The lateral sides of the profile of each tooth of the lining at the working pressure of the fluid become close to symmetry. Close to optimal engagement profiles of the teeth of the stator and rotor during engine operation provide increased operating torque and motor efficiency, and when operating in pump mode, increase the operating pressure and efficiency of the pump.

В-четвертых, за счет того, что угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен переменным, при этом срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, представляет дугу, вогнутую навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины, также происходит выпрямление срединной оси профиля каждого зуба при подаче и достижении рабочего давления текучей средой. Боковые стороны профиля каждого зуба обкладки при рабочем давлении текучей среды становятся наиболее близки к симметричности. Близкие к оптимальным профили зацепления зубьев статора и ротора при работе двигателя обеспечивают увеличенный рабочий момент и КПД двигателя, а при работе в насосном режиме увеличивают рабочее давление и КПД насоса.Fourthly, due to the fact that the angle of inclination of the middle axis of the tooth profile of the stator lining is made variable, the middle axis in the area closest to the top of the tooth represents an arc concave towards the highest fluid pressure acting during operation of the hydraulic screw machine, also occurs straightening the median axis of the profile of each tooth when applying and reaching the working pressure of the fluid. The lateral sides of the profile of each tooth of the lining at the working pressure of the fluid become closest to symmetry. Close to optimal engagement profiles of the teeth of the stator and rotor during engine operation provide increased operating torque and motor efficiency, and when operating in pump mode, increase the operating pressure and efficiency of the pump.

Заявляемая гидромашина поясняется чертежами.The inventive hydraulic machine is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показано продольное сечение статора и ротора. Статор представляет собой трубчатый корпус с закрепленной в нем обкладкой из упругоэластичного материала с внутренними винтовыми зубьями. Внутри статора эксцентрично расположен ротор с наружными винтовыми зубьями. Ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев.In FIG. 1 shows a longitudinal section of the stator and rotor. The stator is a tubular body with a lining of elastic material fixed to it with internal helical teeth. A rotor with external helical teeth is eccentrically located inside the stator. The moves of the helical teeth of the lining and the rotor are proportional to their number of teeth.

На фиг. 2 показано поперечное сечение статора и ротора по плоскости А-А на фиг. 1. Гидромашина с высотой зубьев Н имеет число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки статора.In FIG. 2 shows a cross section of the stator and rotor along the plane AA in FIG. 1. A hydraulic machine with a tooth height H has a number of rotor teeth one less than the number of teeth of the stator lining.

На фиг. 3 показано нормальное сечение зуба обкладки и зуба ротора в положении, когда левая сторона зуба ротора находится рядом с правой стороной зуба обкладки статора. При этом угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен постоянным, а срединная ось профиля этого зуба прямолинейна.In FIG. Figure 3 shows the normal section of the lining tooth and the rotor tooth when the left side of the rotor tooth is adjacent to the right side of the stator lining tooth. In this case, the angle of inclination of the median axis of the tooth profile of the stator lining is made constant, and the median axis of the profile of this tooth is rectilinear.

На фиг. 4 показано нормальное сечение зуба обкладки и зуба ротора в положении, когда зубья ротора и статора находятся напротив друг друга. При этом угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен постоянным, а срединная ось профиля зуба на участке, ближнем к вершине зуба, прямолинейна.In FIG. 4 shows a normal section of the lining tooth and the rotor tooth in a position where the rotor and stator teeth are opposite each other. In this case, the angle of inclination of the median axis of the tooth profile of the stator lining is constant, and the median axis of the tooth profile in the area closest to the top of the tooth is straightforward.

На фиг. 5 показано нормальное сечение зуба обкладки статора и зуба ротора в положении, когда правая сторона зуба ротора находится рядом с левой стороной зуба обкладки статора. При этом угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен переменным, а срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, представляет дугу, вогнутую навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.In FIG. 5 shows a normal section of the stator plate tooth and the rotor tooth in a position where the right side of the rotor tooth is adjacent to the left side of the stator plate tooth. In this case, the angle of inclination of the median axis of the tooth profile of the stator lining is made variable, and the median axis in the area closest to the top of the tooth represents an arc concave towards the highest fluid pressure acting during the operation of a screw hydraulic machine.

На фиг. 6 показано поперечное сечение статора и ротора при рабочем давлении гидромашины.In FIG. 6 shows a cross section of the stator and rotor at the operating pressure of the hydraulic machine.

На фиг. 7 показано нормальное сечение зуба обкладки статора и зуба ротора при рабочем давлении гидромашины в положении, когда левая сторона зуба ротора находится рядом с правой стороной зуба обкладки статора.In FIG. 7 shows a normal section of a stator lining tooth and a rotor tooth at a hydraulic machine operating pressure in a position where the left side of the rotor tooth is adjacent to the right side of the stator lining tooth.

На фиг. 8 показано нормальное сечение зуба обкладки статора и зуба ротора при рабочем давлении гидромашины в положении, когда зубья ротора и статора находятся напротив друг друга.In FIG. Figure 8 shows the normal section of the stator lining tooth and the rotor tooth at the operating pressure of the hydraulic machine in the position when the teeth of the rotor and stator are opposite each other.

На фиг. 9 показано нормальное сечение зуба обкладки статора и зуба ротора при рабочем давлении гидромашины в положении, когда правая сторона зуба ротора находится рядом с левой стороной зуба обкладки статора.In FIG. 9 shows a normal section of a stator plate tooth and a rotor tooth at a working pressure of the hydraulic machine in a position where the right side of the rotor tooth is adjacent to the left side of the stator plate tooth.

Винтовая гидромашина (фиг. 1) содержит статор, представляющий собой трубчатый корпус 10 с закрепленной в нем обкладкой 6 из упругоэластичного материала, с внутренними винтовыми зубьями 5, и эксцентрично, с эксцентриситетом Е, расположенный внутри статора ротор 2 с наружными винтовыми зубьями 1 (фиг. 2), число которых на единицу меньше числа зубьев 5 обкладки 6. Ходы Тр., Тст. винтовых зубьев 1, 5 обкладки 6 и ротора 2 пропорциональны их числам зубьев 1,5. В средней части обкладки 6 статора вершина 15 профиля (фиг. 3, 4, 5) любого зуба 5 обкладки 6 имеет смещение S относительно прямой 12, пересекающей перпендикулярно ось O-O обкладки 6 и проходящей через середину 11 основания зуба 5, при этом срединная ось 7 профиля зуба 5 имеет острый угол α наклона к этой прямой 12, смещение S и угол α наклона выполнены навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.The screw hydraulic machine (Fig. 1) contains a stator, which is a tubular body 10 with a sheath 6 of elastic material fixed to it, with internal helical teeth 5, and an eccentric, with eccentricity E, rotor 2 with external helical teeth 1 located inside the stator (Fig. . 2), the number of which is one less than the number of teeth 5 of the lining 6. Moves Tr., Tst. helical teeth 1, 5 of the plate 6 and the rotor 2 are proportional to their number of teeth 1.5. In the middle part of the stator lining 6, the top 15 of the profile (Fig. 3, 4, 5) of any tooth 5 of the lining 6 has an offset S relative to a straight line 12 intersecting perpendicularly to the axis OO of the lining 6 and passing through the middle 11 of the tooth base 5, while the median axis 7 tooth profile 5 has an acute angle α of inclination to this straight line 12, the displacement S and angle α of inclination are made to meet the maximum fluid pressure acting during operation of the screw hydraulic machine.

Угол α наклона срединной оси 7 профиля зуба 5 обкладки 6 статора выполнен постоянным (фиг. 3), при этом срединная ось 7 на участке, ближнем (фиг. 4) к вершине зуба, прямолинейна.The angle α of inclination of the median axis 7 of the tooth profile 5 of the stator lining 6 is made constant (Fig. 3), while the median axis 7 in the area closest (Fig. 4) to the top of the tooth is straight.

Угол α наклона срединной оси 7 профиля зуба 5 обкладки 6 статора выполнен переменным (фиг. 5), при этом срединная ось 7 на участке, ближнем к вершине зуба, представляет дугу, вогнутую навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.The angle α of inclination of the median axis 7 of the tooth profile 5 of the stator lining 6 is made variable (Fig. 5), while the median axis 7 in the region closest to the top of the tooth represents an arc concave toward the highest fluid pressure acting during operation of the hydraulic screw machine.

Описание работы приведено для винтовой гидромашины с левым направлением зубьев.A description of the work is given for a screw hydraulic machine with a left tooth direction.

При работе гидромашины в качестве винтового двигателя работа происходит следующим образом: поток текучей среды под давлением по колонне бурильных труб (не показаны) подается в винтовые полости 3 (фиг. 6), образованные винтовыми зубьями 5 обкладки 6 статора и винтовыми зубьями 1 ротора 2. При воздействии рабочего давления текучей среды (фиг. 7, 8, 9) на левые боковые стороны зубьев 1 ротора 2 и поверхность зубьев 5 обкладки 6 статора (при направлении взгляда со стороны входа текучей среды) образуется перепад давления между левыми и правыми сторонами зубьев 1 ротора 2 и между левыми и правыми сторонами зубьев 5 обкладки 6. Под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 2 приводится во вращение, при этом его ось O1-O1 (фиг. 2) вращается вокруг оси О-О обкладки 6 против часовой стрелки по окружности радиусом, равным эксцентриситету Е, а сам ротор 2 поворачивается относительно своей оси О1-O1 по часовой стрелке с уменьшенной в число зубьев 1 ротора 2 раз угловой скоростью.When the hydraulic machine operates as a screw engine, the operation is as follows: a fluid stream under pressure along a drill pipe string (not shown) is supplied to the screw cavities 3 (Fig. 6) formed by the helical teeth 5 of the stator lining 6 and the helical teeth 1 of the rotor 2. When the working pressure of the fluid (Fig. 7, 8, 9) is applied to the left lateral sides of the teeth 1 of the rotor 2 and the surface of the teeth 5 of the stator plate 6 (when looking from the side of the fluid inlet), a pressure differential forms between the left and right sides 1 ubev rotor 2 and between the left and right sides of the teeth 5 plates 6. Under the influence of unbalanced hydraulic forces of the rotor 2 is rotated, with its axis O 1 -O 1 (FIG. 2) revolves around the axis O-O electrode 6 counterclockwise arrows around a circle with a radius equal to the eccentricity E, and the rotor 2 itself rotates about its axis O 1 -O 1 clockwise with a reduced angular velocity by the number of teeth 1 of the rotor 2 times.

При работе гидромашины в качестве винтового насоса работа происходит следующим образом: ротор 2 (фиг. 2) принудительно приводится во вращение в направлении против часовой стрелки (при направлении взгляда со стороны выхода текучей среды) относительно статора, например через колонну штанг (не показаны). Винтовые полости 3 (фиг. 6) ,образованные винтовыми зубьями 5 обкладки 6 статора и винтовыми зубьями 1 ротора 2, при вращении ротора 2 перемещаются вдоль статора в сторону дневной поверхности, при этом перемещая перекачиваемую текучую среду вдоль статора. Ось O1-O1 ротора 2 в этом случае вращается по часовой стрелке вокруг оси О-О обкладки 6, с увеличенной в число зубьев 1 ротора 2 раз угловой скоростью относительно угловой скорости вращения ротора. В винтовых полостях 3 при вращении ротора 2 создается рабочее давление текучей среды, при этом также (как и в режиме двигателя) образуется перепад давления между левыми и правыми (фиг. 7, 8, 9) сторонами зубьев 5 обкладки 6 (при направлении взгляда со стороны выхода текучей среды) и перепад давления между левыми и правыми сторонами зубьев 1 ротора 2.When the hydraulic machine operates as a screw pump, the operation is as follows: rotor 2 (Fig. 2) is forced to rotate counterclockwise (when viewed from the fluid outlet side) relative to the stator, for example, through a rod string (not shown). The helical cavity 3 (Fig. 6) formed by the helical teeth 5 of the stator plate 6 and the helical teeth 1 of the rotor 2, when the rotor 2 rotates, moves along the stator towards the surface, while moving the pumped fluid along the stator. The axis O 1 -O 1 of the rotor 2 in this case rotates clockwise around the axis O-O of the plate 6, with the angular velocity increased by the number of teeth 1 of the rotor 2 times relative to the angular velocity of rotation of the rotor. In the screw cavities 3, when the rotor 2 is rotated, the working pressure of the fluid is created, while also (as in the engine mode) a pressure differential is formed between the left and right (Fig. 7, 8, 9) sides of the teeth 5 of the plate 6 (when looking from side of the fluid outlet) and the pressure drop between the left and right sides of the teeth 1 of the rotor 2.

При работе винтовой гидромашины как в качестве двигателя, так и в качестве насоса, при перепаде давления между левыми и правыми сторонами зубьев 1 ротора 2 и между левыми и правыми сторонами зубьев 5 обкладки 6 каждый зуб 5 обкладки 6 статора взаимодействует с зубьями 1 ротора 2 следующим образом.When the screw hydraulic machine operates both as an engine and as a pump, with a pressure differential between the left and right sides of the teeth 1 of the rotor 2 and between the left and right sides of the teeth 5 of the lining 6, each tooth 5 of the lining 6 of the stator interacts with the teeth 1 of the rotor 2 as follows way.

Вершины зубьев 1 ротора 2 (фиг. 6) под действием сложения инерционных сил, связанных с вращением оси O1-O1 ротора 2 вокруг оси О-O обкладки 6, и гидравлических сил, возникающих от рабочего давления текучей среды в полостях 3 гидромашины, самоустанавливаются во впадины 4 зубьев 5 обкладки 6 статора. Впадины 4 зубьев 5 обкладки 6 статора сформированы боковыми сторонами оснований зубьев 5 обкладки 6 статора, имеющими в основании наибольшую толщину и соответственно наибольшую изгибную жесткость. Впадины 4 зубьев 5 обкладки 6 статора постоянно ориентируют зубья 1 ротора 2 в угловом положении в процессе работы гидромашины.The vertices of the teeth 1 of the rotor 2 (Fig. 6) under the action of the addition of inertial forces associated with the rotation of the axis O 1 -O 1 of the rotor 2 around the axis O-O of the plate 6, and the hydraulic forces arising from the working pressure of the fluid in the cavities 3 of the hydraulic machine, self-install into the cavities of 4 teeth 5 of the lining 6 of the stator. The depressions 4 of the teeth 5 of the stator plate 6 are formed by the lateral sides of the bases of the teeth 5 of the stator plate 6, having at the base the greatest thickness and, accordingly, the greatest bending stiffness. The cavity 4 of the teeth 5 of the plate 6 of the stator constantly orient the teeth 1 of the rotor 2 in the angular position during operation of the hydraulic machine.

Далее (фиг. 7) при повороте ротора 2 в положение левой стороны зуба 1 ротора 2 рядом с правой стороной зуба 5 обкладки 6 статора гибкий зуб 5 обкладки 6 статора выпрямляется под рабочим давлением текучей среды в полости 3. Наклонная срединная ось 7 предварительно искаженного наклоном профиля зуба 5 обкладки 6 статора выпрямляется при рабочем давлении гидромашины. Боковые стороны профиля каждого зуба 5 обкладки 6 при рабочем давлении текучей среды становятся близки к симметричности. Смещение S вершины 15 профиля зуба 5 относительно прямой 12, пересекающей перпендикулярно ось O-O обкладки 6 и проходящей через середину 11 основания зуба 5, стремится к нулю. Профиль зуба 5 становится близок к оптимальному, взаимоогибаемому с профилем зуба 1 ротора 2, профилю зацепления. Это возникает при уравновешивании сил давления текучей среды, действующих на левую сторону зуба 5, и противодействующих им упругих сил, возникающих в материале зубьев 5 обкладки 6 статора, при их выпрямлении в установившемся рабочем режиме гидромашины. При этом контакт зубьев 1, 5 стремится к линейному. Трение скольжения между зубьями 5 обкладки 6 статора и зубьями 1 ротора 2 значительно уменьшается. Увеличивается долговечность гидромашины.Further (Fig. 7), when the rotor 2 is rotated to the position of the left side of the tooth 1 of the rotor 2 next to the right side of the tooth 5 of the stator plate 6, the flexible tooth 5 of the stator plate 6 is straightened under the working pressure of the fluid in the cavity 3. The inclined median axis 7 is previously distorted by inclination tooth profile 5 of the stator plate 6 is straightened at the working pressure of the hydraulic machine. The lateral sides of the profile of each tooth 5 of the plate 6 at the working pressure of the fluid become close to symmetry. The offset S of the top 15 of the profile of the tooth 5 relative to the straight line 12, intersecting perpendicular to the axis O-O of the facing 6 and passing through the middle 11 of the base of the tooth 5, tends to zero. The profile of tooth 5 becomes close to the optimal, mutually flexible with the profile of tooth 1 of the rotor 2, the engagement profile. This occurs when balancing the pressure forces of the fluid acting on the left side of the tooth 5, and the elastic forces that counteract them, arising in the material of the teeth 5 of the lining 6 of the stator, when they are straightened in the steady-state operating mode of the hydraulic machine. In this case, the contact of teeth 1, 5 tends to linear. The sliding friction between the teeth 5 of the plate 6 of the stator and the teeth 1 of the rotor 2 is significantly reduced. Increased durability of the hydraulic machine.

При положении (фиг. 8) вершин зубьев 1, 5 напротив друг друга гибкий зуб 5 обкладки 6 статора также выпрямляется давлением текучей среды. Вершины зубьев 1, 5 обкладки 6 статора и ротора 2 соприкасаются. Контактная линия зубьев 1, 5 не разрывается. Утечка текучей среды между камерами 3, 9 значительно уменьшается.With the position (Fig. 8) of the vertices of the teeth 1, 5 opposite each other, the flexible tooth 5 of the stator cover 6 is also straightened by the pressure of the fluid. The tops of the teeth 1, 5 of the plate 6 of the stator and rotor 2 are in contact. The contact line of teeth 1, 5 does not break. The leakage of fluid between the chambers 3, 9 is significantly reduced.

При положении (фиг. 9) правой стороны зуба 1 ротора 2 рядом с левой стороной зуба 5 обкладки 6 статора гибкий зуб 5 обкладки 6 статора под действием упругих сил, возникающих в материале зуба 5, прижимается к зубу 1 ротора 2. Силы от давления текучей среды, отжимающие гибкий зуб 5 обкладки 6 статора от зуба 1 ротора 2, и упругие силы, возникающие в материале зуба 5, при его выпрямлении уравновешиваются. Контактная поверхность зубьев 1, 5 не разрывается. Утечка текучей среды уменьшается. При снижении утечек между камерами при работе гидромашины значительно увеличивается рабочий момент и КПД в рабочем режиме двигателя и рабочее давление и КПД в рабочем режиме насоса.In the position (Fig. 9) of the right side of the tooth 1 of the rotor 2 next to the left side of the tooth 5 of the stator lining 6, the flexible tooth 5 of the stator lining 6 is pressed against the tooth 1 of the rotor 2 by the elastic forces arising in the tooth 5 material. The forces from the fluid pressure the medium, squeezing the flexible tooth 5 of the stator plate 6 from the tooth 1 of the rotor 2, and the elastic forces arising in the material of the tooth 5, when it is straightened, are balanced. The contact surface of teeth 1, 5 does not break. Fluid leakage is reduced. When reducing leakage between the chambers during operation of the hydraulic machine, the operating moment and efficiency in the engine operating mode significantly increase and the operating pressure and efficiency in the pump operating mode.

При остановке гидромашины в скважине или холостой работе гидромашины в качестве двигателя, в режиме промывки скважины при снятии нагрузки с долота, перепад давления между полостями 3, 9 незначителен. Изгиб зубьев 5 обкладки 6 статора перепадом давления текучей среды, на противоположных сторонах зубьев, минимален. Зубья 5 обкладки 6 сохраняют несимметричные боковые стороны профиля (фиг. 3, 4, 5). Срединные оси 7 профилей зубьев 5 обкладки 6 статора сохраняют угол α наклона. Вершины 15 зубьев 5 остаются смещенными на величину S. Линии уплотнения полостей 3, 9 остаются разорванными (фиг. 3, 4). Большинство частиц песка, частиц материалов для борьбы с поглощением бурового раствора проходят через зазоры Z (фиг. 3. 4) в уплотнениях полостей гидромашины. При этом увеличивается надежность запуска гидромашины при снижении закупоривания (зашламовывания) полостей 3, 9 между (фиг. 8) зубьями 1 ротора 2 и зубьями 5 обкладки 6 статора, после остановки гидромашины в скважине.When the hydraulic machine stops in the well or when the hydraulic machine is idle as the engine, in the flushing mode of the well when the load is removed from the bit, the pressure drop between the cavities 3, 9 is insignificant. The bending of the teeth 5 of the stator plate 6 by the differential pressure of the fluid on the opposite sides of the teeth is minimal. The teeth 5 of the lining 6 retain the asymmetric sides of the profile (Fig. 3, 4, 5). The median axis 7 of the tooth profiles 5 of the stator plate 6 retain the angle of inclination α. The vertices 15 of the teeth 5 remain offset by the value S. The seal lines of the cavities 3, 9 remain torn (Fig. 3, 4). Most particles of sand, particles of materials to combat the absorption of drilling fluid pass through the gaps Z (Fig. 3. 4) in the seals of the cavities of the hydraulic machine. This increases the reliability of starting the hydraulic machine while reducing clogging (sludging) of the cavities 3, 9 between (Fig. 8) the teeth 1 of the rotor 2 and the teeth 5 of the lining 6 of the stator, after stopping the hydraulic machine in the well.

Claims (4)

1. Винтовая гидромашина, содержащая статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной в нем обкладкой из упругоэластичного материала с внутренними винтовыми зубьями, и эксцентрично расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, при этом в средней части обкладки статора вершина профиля любого зуба обкладки имеет смещение относительно прямой, пересекающей перпендикулярно ось обкладки и проходящей через середину основания этого зуба, отличающаяся тем, что срединная ось профиля зуба обкладки имеет острый угол наклона к этой прямой, при этом смещение и угол наклона выполнены навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины.1. A helical hydraulic machine containing a stator, which is a tubular body with a lining of elastic material with internal helical teeth fixed to it, and a rotor with external helical teeth eccentrically located inside the stator, the number of which is one less than the number of lining teeth, the moves of the helical teeth of the lining and rotors are proportional to their number of teeth, while in the middle part of the stator lining the top of the profile of any tooth lining has an offset relative to a straight line intersecting perpendicular to the axis subcontroller and passing through the center of the tooth base, characterized in that the median axis of tooth profile electrode has a sharp angle to the straight line, wherein the offset and angle of inclination formed to meet the greatest pressure fluid acting at the screw hydraulic machine. 2. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что обкладка статора выполнена из резины.2. A screw hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the stator lining is made of rubber. 3. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен постоянным, при этом срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, прямолинейна.3. A helical hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the middle axis of the tooth profile of the stator lining is made constant, while the middle axis in the region closest to the top of the tooth is straight. 4. Винтовая гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона срединной оси профиля зуба обкладки статора выполнен переменным, при этом срединная ось на участке, ближнем к вершине зуба, представляет дугу, вогнутую навстречу наибольшему давлению текучей среды, действующему при работе винтовой гидромашины. 4. A helical hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the middle axis of the tooth profile of the stator lining is made variable, while the middle axis in the area closest to the top of the tooth represents an arc concave towards the highest fluid pressure that is in effect during operation of the screw hydraulic machines.
RU2015119885/06A 2015-05-26 2015-05-26 Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth RU2587513C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015119885/06A RU2587513C1 (en) 2015-05-26 2015-05-26 Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015119885/06A RU2587513C1 (en) 2015-05-26 2015-05-26 Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2587513C1 true RU2587513C1 (en) 2016-06-20

Family

ID=56132208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015119885/06A RU2587513C1 (en) 2015-05-26 2015-05-26 Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2587513C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU217542U1 (en) * 2022-07-22 2023-04-04 Перфобур Инк. Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2389728A (en) * 1943-10-14 1945-11-27 Myron F Hill Elliptical contour for rotor teeth
US5114325A (en) * 1987-07-27 1992-05-19 Atsugi Motor Parts Company, Limited Rotary internal gear pump having teeth with asymmetrical trailing edges
RU2202694C1 (en) * 2002-06-13 2003-04-20 Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис" Screw hydraulic machine helical gear rotation mechanism
RU132474U1 (en) * 2013-04-15 2013-09-20 Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИБТ - Буровой инструмент" MULTI-STEP GEROTOR MECHANISM OF A SCREW HYDRAULIC MACHINE
US8888474B2 (en) * 2011-09-08 2014-11-18 Baker Hughes Incorporated Downhole motors and pumps with asymmetric lobes

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2389728A (en) * 1943-10-14 1945-11-27 Myron F Hill Elliptical contour for rotor teeth
US5114325A (en) * 1987-07-27 1992-05-19 Atsugi Motor Parts Company, Limited Rotary internal gear pump having teeth with asymmetrical trailing edges
RU2202694C1 (en) * 2002-06-13 2003-04-20 Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис" Screw hydraulic machine helical gear rotation mechanism
US8888474B2 (en) * 2011-09-08 2014-11-18 Baker Hughes Incorporated Downhole motors and pumps with asymmetric lobes
RU132474U1 (en) * 2013-04-15 2013-09-20 Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИБТ - Буровой инструмент" MULTI-STEP GEROTOR MECHANISM OF A SCREW HYDRAULIC MACHINE

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU217542U1 (en) * 2022-07-22 2023-04-04 Перфобур Инк. Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine
RU222521U1 (en) * 2023-08-08 2024-01-09 Михаил Валерьевич Шардаков Screw hydraulic machine with an armor-protective layer of aramid fabric - Kevlar on the surface of the stator teeth

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11506056B2 (en) Rotary machine
US11988208B2 (en) Sealing in helical trochoidal rotary machines
US11815094B2 (en) Fixed-eccentricity helical trochoidal rotary machines
RU2184874C2 (en) Two-cylinder vane pump
JP5611221B2 (en) Sliding vane pump
RU2587513C1 (en) Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth
RU2333391C2 (en) Rotor pump
RU2299966C2 (en) Screw downhole motor
WO2015183135A1 (en) Gear machine
RU2447321C2 (en) Diametral volume machine (versions)
US9951619B2 (en) Actuator of a rotary positive displacement machine
WO2007037718A1 (en) Trochoid rotary machine (variants)
RU2303134C1 (en) Internal engagement rotary machine (versions)
RU2721994C1 (en) Ioannesyan's drilling pump
KR20070001358A (en) Rotary compressor
WO2013073982A1 (en) Diametric positive-displacement machine (variants)
RU2347948C1 (en) Single-screw pump
WO2010068145A2 (en) Positive-displacement rotary piston machine
RU2461735C1 (en) Displacement rotary machine
RU82771U1 (en) VOLUMETRIC PISTON ROTARY PISTON MACHINE
JPH09137787A (en) Mechanical pump