RU71698U1 - Героторный механизм винтового забойного двигателя - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к героторным механизмам винтового забойного двигателя Героторный механизм винтового забойного двигателя содержит статор и ротор. Статор выполнен с внутренними винтовыми зубьями из упругоэластичного материала.. Ротор выполнен с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Шаги винтовых линий на зубьях ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Площадь сечения внутренних винтовых упругоэластичных зубьев статора очерчены эквидистантой укороченной циклоиды и находятся в зависимости от величины радиальной Fr и перекашивающей Fпер сил. Величины радиальной Fr и перекашивающей Fпер сил определяются при динамическом расчете или полученных при испытании героторного механизма. Модифицированный профиль ротора выполнен по эквидистанте укороченной циклоиды, проходящей через 3 коррегирующие точки, образующие профиль ротора.

Description

Полезная модель относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей, а также к винтовым гидромоторам общего назначения.

Известен многозаходный винтовой героторный механизм винтового забойного двигателя по патенту 2165531 «Героторный механизм винтового забойного двигателя» (опубл. 2001.04.20), содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны числам их зубьев. Профили зубьев статора и ротора в торцевом сечении выполнены как огибающие общего исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды. При этом в торцевом сечении толщина С_t зуба статора по среднему диаметру D_cp зубьев и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением C_t/S_t=0,45-0,65, а толщина C_N зуба статора по среднему диаметру D_cp зубьев в сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба статора и радиальная высота h зуба статора, связаны соотношением C_N/h≥1,75.

Недостатком известного героторного механизма является то, что полученная форма зуба не оптимальная с точки зрения восприятия изгибных нагрузок. В результате этого нарушается расчетная кинематика героторного механизма, увеличивается износ зубьев статора, уменьшается ресурс героторного механизма.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является героторный механизм, по патенту 2166603 «Героторный механизм винтовой забойной гидромашины» (опубл. 2001.05.10), содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными, из упругоэластичного материала, например, из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны числам их зубьев. Профиль зубьев статора в торцевом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой с

радиусом R_C1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцевом сечении выполнен как огибающая другого исходного контура циклоидальной рейки с радиусом эквидистанты R_C2, выполненным больше чем R_C1 или связанным соотношением R_c2=R_c1+(0,1...0,5)Е, где Е - радиус производящей окружности, равный величине эксцентриситета

Другим вариантом известного изобретения является также выполнение героторного механизма таким образом, что профиль зубьев статора в торцевом сечении выполнен как огибающая исходного контура циклоидальной рейки, очерченной эквидистантой с радиусом R_c1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцевом сечении очерчен сопряженными дугами окружностей, причем, выступ зуба ротора очерчен дугой радиуса R_B, большего, чем радиус эквидистанты статора R_c1, или связан с ним соотношением R_c2+R_c1(0,1 0,5)E, а профиль впадины зуба ротора очерчен дугой радиуса R_v, зависящего от числа зубьев ротора, его наружного диаметра и эксцентриситета [

Однако выполнение зубьев героторного механизма по указанным выше вариантам не соответствует оптимальным с точки зрения восприятия изгибных нагрузок.

Для получения высокой изгибной жесткости зубьев статора в героторном механизме винтового забойного двигателя, или в винтовом насосе с внутренними винтовыми зубьями, выполненными, из упругоэластичного материала, например, из резины, объем зуба упругоэластичной обкладки статора необходимо рассчитать в зависимости от величины радиальной Fr и перекашивающей Fпер сил, определяемых при силовом расчете или полученных при испытании героторного механизма.

Поставленная задача может быть решена только при условии, если для наперед заданных контурного диаметра D_k и формы зуба, оптимальной с точки зрения восприятия изгибных нагрузок будет назначена необходимая эквидистанта укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц статора.

При проектировании героторного механизма с параметрами, оптимальными для восприятия изгибных нагрузок, необходимо определять:

контурный диаметр D_k,

число зубьев z₁,

эксцентриситет зацепления - е,

соотношения между радиусом катящегося круга - r и радиусом эквидистанты - r_ц

в зависимости от величины главного - перекашивающего момента, найденного при предварительном расчете гидравлических радиальной F_r и перекашивающей F_пер сил.

Площадь F_kz сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце зубчатого венца торцового сечения статора определяется выражением:

, здесь

F_kz - площадь сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце r_f1...r_a1 зубчатого венца,

π=3,14159265358979,

h₁=2е - высота зуба статора,

е - эксцентриситет зацепления,

D_cp=D_k-h₁ - средний диаметр зубчатого венца статора,

D_к - контурный диаметр,

πh₁D_cp=F_k - площадь контурного кольца статора r_f1...r_a1;

F_пер - перекашивающая сила,

F_r - радиальная сила,

r - радиус катящейся окружности при образовании эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

Z₁ - число зубьев статора;

r_ц - радиус эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

f(r, r_ц) - подынтегральная функция аргументов r, r_ц площади статора;

Ψ - угол поворота круга радиуса r при качении.

То есть, F_kz можно представить через параметры эквидистанты укороченной гипоциклоиды как

где D_k - контурный диаметр рабочего органа героторного механизма.

Величина Fkz может быть изменена по результатам испытания или в зависимости от условий эксплуатации героторного механизма.

На предварительном этапе проектирования героторного механизма, по известным методикам, например, БАЛДЕНКО Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели: справочное пособ. - М.: Недра, 1999. - 375 с, ГУСМАН М.Т. и др., Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. - М.: Недра, 1981, с.86-94, определены D_k, е, z₁, z₂, радиальная F_r и перекашивающая F_пер силы.

Профиль статора и площадь сечения внутренних винтовых упругоэластичных зубьев статора, очерченных эквидистантой укороченной гипоциклоиды, рассчитывается по результатам динамического расчета.

Например:

На предварительном этапе проектирования героторного механизма, по известным методикам определены Dk, e, z1, z2, радиальная F_r и перекашивающая F_пер силы, тогда:

Профиль статора определяется:

r_f1=D_k/2 - контурный радиус, радиус впадин зубчатого венца статора.

е - эксцентриситет.

h₁ - высота зуба статора.

r_а1=г_f1-2е; радиус выступов зубьев статора.

r_sr1=r_f1-е; средний радиус зубчатого венца.

r - радиус катящегося круга; находится из интегрального уравнения.

f=r/e; коэффициент внецентроидности.

r_b1=rz₁; радиус базовый окружности при качении по ней круга радиуса r для образования профиля статора.

r_ц=r_а1-r_b1+e+r; радиус эквидистанты. Находится из интегрального уравнения

Производные по аргументу ψ

Area1=R1###U132S'###U132Cos(γ);

Дифференциал дуги профиля статора

Площадь, ограниченная торцовым контуром профиля статора

Площадь Fk кольца r_f1...r_а1

Площадь F_kz зубьев статора в кольце

F_kz=π(r_f1)²-F₁;

Площадь F_kv впадин статора в кольце

Угол γ_пер от главного (перекашивающего) момента из расчета гидравлических радиальной F_r и перекашивающей F_пер сил (Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых «Винтовые забойные двигатели» Москва, Недра, 1999, стр.156)

Коэффициент К_p, (Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых «Винтовые забойные двигатели» Москва, Недра, 1999, стр.156), учитывающий прочностные свойства зубчатого венца статора назначается конструктором зацепления из условия

Cos²(γ_пер)≤К_p≤Sec²(γ_пер), (γ_пер=32,5°, при k=1, 0,8≤К_p≤1,3)

К_p может быть изменен по результатам работы героторного механизма.

Начальное значение на предварительном этапе расчета зацепления К_p=Sec²(γ_пер);

Интегрального уравнение для определения профиля статора. Поиск радиуса r катящегося круга и радиуса r_ц эквидистанты.

Профиль статора, полученный с учетом влияния изгибных нагрузок, действующих со стороны ротора, обеспечивает получение оптимальной формы зуба ротора, необходимой для передачи контактных нагрузок. При использовании расчета профиля зуба с учетом влияния изгибных нагрузок устраняется недостаток расчетов, когда при

экстремальных профилях линейная величина толщины зуба статора на окружности D_cp перестает характеризовать прочностные свойства зуба.

Профиль статора, полученный с учетом влияния изгибных нагрузок исключает применение рейки. Полученная форма зуба, оптимальная для восприятия контактных напряжений и изгибающих эластомерные зубья статора нагрузок становится независимой от смещения рейки.

Циклоидально-реечное зацепление для получения рабочих органов заменено проектированием эквидистанты укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, проходящей через 3 точки в кольце зубчатого венца статора. Для контурного кольца статора первая точка лежит на R_f1, промежуточная вторая - есть функция известной площади эквидистанты укороченной гипоциклоиды, определенной через силовой расчет, третья точка принадлежит диаметру выступов зубьев статора. Так же, как в реечном зацеплении существуют экстремальные смещения е###U132C_Δ контура рейки, так и при проектировании статора по полезной модели должны быть определены экстремальные линии эквидистанты укороченной гипоциклоиды в контурном кольце (см. фиг.4) зацепления.

Поскольку наработка на отказ героторного механизма определяется главным образом фрикционным износом пары ротор-статор, то для обеспечения минимизации скорости изнашивания рабочих органов модифицированный (коррегированный) профиль ротора может быть выполнен по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, проходящей через 3 коррегирующие профиль точки.

Полезная модель поясняется рисунками, где

На фиг.1 показан героторный механизм винтового забойного двигателя в продольном разрезе; ротор частично оборван для показа направления винтовых зубьев статора.

На фиг.2 приведено поперечное сечение героторного механизма винтового забойного двигателя по линии А-А;

На фиг.3 в увеличенном масштабе вычерчен профиль зуба статора в контурном кольце героторного механизма.

На фиг.4 варианты профилей внутренних винтовых зубьев статора в торцевом сечении

На фигурах 5 и 6, по данным таблиц 4 и 5, показаны рисунки рабочих органов винтового забойного двигателя с экстремальными значениями параметров r и r_ц эквидистанты укороченной гмпоциклоиды для z₁=6; e=1; D_k=18.1 и z₁=8; e=1; D_k=22.5 мм.

При проведении исследований были выявлено, что изгибная жесткость зубьев увеличивается, если профиль этих зубьев очерчен эквидистантой укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, обеспечивающими получение площади F_kz сечения.

В предлагаемом героторном механизме винтового забойного двигателя образования рабочих органов посредством циклоидально-реечного зацепление заменено на проектирование эквидистанты укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц Так же, как в реечном зацеплении существуют экстремальные смещения еC_Δ контура рейки, так и при проектировании статора по полезной модели должны быть определены экстремальные линии очерченные эквидистантой укороченной гипоциклоиды в контурном кольце (см. фиг.4) зацепления.

Героторный механизм винтового забойного двигателя или винтового насоса (фиг.1 и 2) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, очерченными эквидистантой укороченной гипоциклоиды и выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых Z₂ на единицу меньше числа Z₁ внутренних винтовых зубьев 2 статора 1. Ось O₂O₂ ротора 3 смещена относительно оси O₁O₁ статора 1 на величину эксцентриситета е, равную половине радиальной высоты h₁ зубьев 2 и 4. Контура наружных винтовых зубьев 4 ротора 3 и внутренних винтовых зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении показаны по в соответствии с данными, приведенными в таблицах 1, 2 и 3. Каждый профиль - эквидистанта укороченной гипоциклоиды с разным сочетанием параметров r и r_ц при е, Z₁, D_k=Const. Жирной линией выделен профиль, полученный из динамического расчета как один из профилей между экстремальными значениями, приведенными в таблицах 1, 2 и 3. В таблицах 1 и 2 приведены результаты аналитического расчета вариантов для z₁=6; e=1; D_k=18.1 мм и z₁=8; e=1; D_k=22.5 мм. В соответствии с вышеизложенным, модифицированный профиль ротора может быть выполнен по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, проходящей через 3 коррегирующие точки, образующие профиль ротора.

В верхней части рабочий орган винтового забойного двигателя - статор 1 снабжен резьбой 5 для присоединения к колонне бурильных труб (не показаны), в нижней части статор 1 снабжен резьбой 6 для соединения с корпусом опорного узла (последний не показан), а ротор 3 резьбой 7 соединен с валом опорного узла (не показан).

Героторный механизм винтового забойного двигателя работает следующим образом. Промывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в верхнюю часть героторного механизма, и в результате винтового направления зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3 под действием неуравновешенных

гидравлических сил ротор 3 приводится во вращение, при этом его ось O₂O₂ вращается вокруг оси O₁O₁ статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса е, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси О₂О₂ по часовой стрелке с уменьшенной в Z₂ раз угловой скоростью.

Окружная сила, соответствующая развиваемому крутящему моменту, воспринимается эластомерными зубьями 2 статора 1 в меру их изгибной жесткости в торцевом сечении, определяемой интегральным отношением предлагаемого технического решения.

При использовании героторного механизма в винтовых насосах ротор 3 приводится во вращение и, обкатываясь по зубьям 2 статора 1, преобразует механическую энергию вращения в гидравлическую энергию потока жидкости.

Кинематика движения ротора 3 винтового насоса и преимущества, получаемые при использовании предложенного героторного механизма, аналогичны описанным выше для винтового двигателя.

Благодаря наличию этих признаков в предлагаемом героторном механизме винтового забойного двигателя за счет повышения изгибной жесткости зубьев повышается КПД и эффективная мощность, минимизирована скорость изнашивания рабочих органов, а случаи не запуска двигателя после его полного торможения отсутствуют.

Claims (1)

1. Героторный механизм винтового забойного двигателя, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, с шагами винтовых линий на зубьях ротора и статора, пропорциональными их числам зубьев, отличающийся тем, что площадь F_kz сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце зубчатого венца торцевого сечения статора определяется выражением

   

   а профиль этих зубьев очерчен эквидистантой укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и r_ц, обеспечивающими получение площади F_kz сечения, и определяется из выражения

   

   где F_kz - площадь сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце r_f1...r_a1 зубчатого венца;

   π=3,14159265358979;

   h₁=2е - высота зуба статора;

   е - эксцентриситет зацепления;

   D_cp=D_к-h₁ - средний диаметр зубчатого венца статора;

   D_к - контурный диаметр;

   πh₁D_cp=F_k - площадь контурного кольца статора r_f1...r_a1;

   F_пер - перекашивающая сила;

   F_r - радиальная сила;

   r - радиус катящейся окружности при образовании эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

   Z₁ - число зубьев статора;

   r_ц - радиус эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

   f(r, r_ц) - подынтегральная функция аргументов r, r_ц площади статора;

   Ψ - угол поворота круга радиуса r при качении.