SU1430491A1

SU1430491A1 - Забойный винтовой двигатель /его варианты/

Info

Publication number: SU1430491A1
Application number: SU833568857A
Authority: SU
Inventors: Дмитрий Федорович Балденко; Леонид Анатольевич Кондратенко; Валерий Игорьевич Семенец
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники
Priority date: 1983-03-25
Filing date: 1983-03-25
Publication date: 1988-10-15

Abstract

1. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию , содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающий- с тем, что, с целью повышени нагрузочной способности двигател за счет расширени зоны его устойчивой работы, внутренн полость насадка вьшолнена из последовательно расположенных в осевом направлении прием- . ной и отдающей камер, поверхности которых сопр жены по линии излома, при этом площадь сечени приемной камеры на выходе меньше площади ее сечени на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка. 2. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содер - дащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом каналье которого установлен насадок, шпиндельную секцию. содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийс тем, что, с целью повьшени нагрузочной способности двигател за счет расширени зоны его устойчивой работы , насадок выполнен из двух элементов , один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного внутри нее стержн , и образую- 1щх последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элементов сопр жены по линии излома, при этом площадь сечени приемной камеры на выходе меньше площади ее сечени на входе, а поверхность указанного .элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, выпуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен рассто нию от оси насадка до линии излома. 3. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию , содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийс тем, что, с целью повышени нагрузочной способности двигател за счет расширени зоны его устойчивой работы, насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного вйутри нее стержн , образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и от.дающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на обоих § (Л 1 00 2 СО

Description

элементах насадка сопр жены по линии излома, при этом площадь сечени приемной камеры на выходе меньше площади ее сечени на входе, а поверхности указанных элементов, формирующие ее,

образованы вращением кривых, кажда из которых выпукла относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен рассто нию от оси насадка до любой из линий излома.

10

15

20

1

Изобретение относитс к забойным объемным гидродвигател м и может быть использовано дл бурени нефт ных и газовых скважи ,

.Известны забойные винтовые двигатели , спроектированные на базе винтовых героторных механизмов, В этих винтовых двигател х весь расход промывочной жидкости проходит через абочие органы, образованные статоом и вращаюпр мс внутри него ротоом (1) ,

Однако в р де случаев подобное конструктивное исполнение двигател вл етс недостатком, поскольку воз- никает несоответствие между технологически необходимым расходом жидкости дл породоразрушагощего инструмена и пропускной способностью рабочих органов. В. этом случае по вл ютс повьшенпые гидравлические сопротивени в рабочих органах, а двигатель работает на увеличенных частотах вра щени .

Известен также винтовой забойный двигатель, вклгочаюц ий двигательную секцию, содержа1цую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом ка- нале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами (2).

В этой гидромащине в процессе бурени по мере загрузки долота возрастает срабатываемый на рабочих органах перепад давлени и Р, одновременно действующий и на насадок. , При этом пропорционально лГ&Р увеличиваетс количество жидкости, перетекающее через насадок, и соответственно уменьшаетс количество жидкости, протекающее черЬз рабочие органы. Это в свою очередь приводит к см гчению энергетической характеристики двигател , т.е. к более интенсивному снижению частоты вращени выходного 45 вала по мере нарастани перепада дав25

30

35

40

0

5

0

5

0

5

0

лени и к снижению его нагрузочной способности.

Целью изобретени вл етс повышение нагрузочной способности двигател за счет расширени зоны его устойчивой работы.

Указанна цель достигаетс тем, что в забойном винтовом двигателе, включающем двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, внутренн полость насадка выполнена из последовательно распол оженных в осевом направлении приемной и отдающей камер, поверхности которых сопр жены по линии излома, при этом площадь сечени приемной камеры на выходе меньше площади ее сечени на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка.

Возможно и другое конструктивное исполнение, с помощью которого достигаетс указанна -цель.

По данному варианту насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного внутри нее стержн , и образуюш их после- довательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры , омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элементов сопр жены по линии излома, при этом площадь сечени приемной камеры на выходе меньше плогцади ее сечени на входе, а поверхность указанного элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, вьтуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен рассто нию от оси насадка до линии излома.

3-1430491

По TperbeNty варианту насадок вы- Регул тор 6 потока (фиг.2) пред- полнен в виде двух элементов, один ставл ет собой съемный корпус 15, из которых вьшолнен в виде втулки, внутри которого установлен насадок а другой - в виде расположенного 16. Между корпусом 15 и ротором 4, в.нутри нее стержн , образующих после- а также между насадком 16 и корпусом довательно расположенные в осевом на- 15 размещены уплотнительные кольца правлении приемную и отдаюпдую камеры, омываемые жидкостью поверхности

10

20

которых на обоих элементах насадка сопр жены по линии излома, при эт.ом пдощадь сечени приемной камеры на выходе меньше площади ее сечени на входе,.а поверхности указанных элементов , формирующие ее, образованы вращением кривых, кажда из которых вьшукла относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен рассто нию от оси насадка до любой из линий излома.

На фиг. 1 изображен забойный винтовой двигатель с одним из вариантов насадка, установленного в. центральном отверстии ротора, продольный разрез; на фиг. 2 - насадок в увеличенном масштабе, продольное сечение; на фиг. 3 и 4 - различные исполнени насадка по второму конструктивному варианту; на фиг. 5 - насадок по третьему конструктивному варианту; на -., фиг. 6 - схема потоков жидкости, проход щих через насадок регул тора потока; на фиг. 7 и 8 - экспериментальные характеристики соответственно винтового двигател , вз того за прототип, и винтового двигател с использованием одного из вариантов насадка по данному изобретению.

17 и 18.

Внутренн полость насадка 16 выполнена из двух последовательно расположенных в осевом направлении камер: приемной А и отдающей Б. Поверхность 19 приемной камеры А образована вращением вокруг оси 0-0 кривой,

15 выпуклой относительно этой оси. Причем диаметр D входного сечений камеры А больще диаметра d выходного сечени этой камеры, т.е. площадь сечени приемной камеры А на входе в нее больше площади сечени на выходе из этой камеры.Поверхность 20 отдающей камеры Б вьшолн етс произвольной формы. Однако целесообразно придать форму

25 этой камере такую, котора дает наибольшее сопротивление ПОТОКУ, протекающему через насадок 16. При этом поверхность 20 камеры Б образована так же, как и поверхность 19 камеры А, вращением вокруг оси 0-0 кривой, но отмечалось, произвольной формы.

Б продольном сечении насадка обе .указан ные кривые, oбpaзyюш e камеры

э А и Б, пересекаютс в точке, эквивалентной точке излома. Б пространстве эти точки образуют линию 21 пересечени , эквивалентную линии излома.

Насадок, устанавливаемый в корпуЗабойный винтов-ой двигатель (фиг. 1) 40 регул тора 6 потока, может состоит из двигательной 1 и шпиндель- в ьшолн тьс из двух элементов Сфиг.З). ной 2 секций. Двигательна секци Б данном конструктивном исполнении

насадо к 22 состоит из втулки 23 и цилиндрического стержн 24, соединенных

включает статор 3, внутри которого размещен польй ротор 4. Б центральном сквозном канале 5 ротора 4 уста- 45 ме оду собой перемычками 25. Так же.

новлен регул тор 6 потока. Б нижней части ротор 4 соединен с карданным валом 7, который соедин етс с выходным валом 8 шпиндельной секции 2. Радиальные 9 и осева 10 опоры, закрепленные на валу 8, размещены в корпусе 11 шпиндельной секции 2 ме щу ниппелем 12 и соединительным

как и в предьщущей конструкции, в насадке имеютс две последовательно расположенные в осевом, направлении камеры, поверхности которых омывают- сл с жидкостью: камера В и камера Е, ,Цл достижени эффекта поверхность 26 камеры Б, выполн ема на одном из элементов насадка 22 (в данном случае , на втулке 23), образована вра-

переводником 13. Б верхн-ей части двигател дл подсоединени его к колон-щением в округ оси 0-0 кривой, выпуклой не бурильных труб имеетс проводникотносительно образующей цилиндра с 14, к нижней части выходного вала 8радиусом R,где R - минимальное рас- подсоедин етс породообразующий инст-сто ние от оси 0-0 насадка 22 до румент (не показан).линии 27, эквивалентной линии излома.

Регул тор 6 потока (фиг.2) пред- ставл ет собой съемный корпус 15, внутри которого установлен насадок 16. Между корпусом 15 и ротором 4, а также между насадком 16 и корпусом 15 размещены уплотнительные кольца

0

.,

17 и 18.

5 выпуклой относительно этой оси. Причем диаметр D входного сечений камеры А больще диаметра d выходного сечени этой камеры, т.е. площадь сечени приемной камеры А на входе в нее больше площади сечени на выходе из этой камеры.Поверхность 20 отдающей камеры Б вьшолн етс произвольной формы. Однако целесообразно придать форму

5 этой камере такую, котора дает наибольшее сопротивление ПОТОКУ, протекающему через насадок 16. При этом поверхность 20 камеры Б образована так же, как и поверхность 19 камеры А, вращением вокруг оси 0-0 кривой, но отмечалось, произвольной формы.

как и в предьщущей конструкции, в насадке имеютс две последовательно расположенные в осевом, направлении камеры, поверхности которых омывают- л с жидкостью: камера В и камера Е, ,Цл достижени эффекта поверхность 26 камеры Б, выполн ема на одном из элементов насадка 22 (в данном случае , на втулке 23), образована вра-

щением в округ оси 0-0 кривой, выпуклой относительно образующей цилиндра с радиусом R,где R - минимальное рас- сто ние от оси 0-0 насадка 22 до линии 27, эквивалентной линии излома.

514

которую образуют при пересечении между собой поверхность 26 камеры В и поверхность 28 камеры Е. В данном случае, как и ранее, поверхность 28 камеры Е образована вращением вокруг оси 0-0 кривой произвольной формы.

На фиг. 4 изображен насадок 29, содержаи1ий втулку 30 и стержень 31 и имеющий две соответствующие каме- ры Ж и И, Однако в этой конструкции насадка омываема жидкостью поверхность 32 втулки 30 выполнена цилинд- :рической, а поверхность 33 стержн :31 в камере Ж образована вращением вокруг оси 0-0 кривой, выпуклой относительно образующей цилиндра с радиусом R, где R - минимальное рассто ние от оси 0-0 насадка 29 до линии 34, Эквивалентной линии излома, ко- торую образовывают при пересечении между собой поверхности 33 стержн 31 (в камере Ж) и поверхность 35 стержн 31 (в камере И).

Насадок 36, изображенный на фиг. 5, так же как и конструкции двух предьщущих, имеет два элемента: втулку 37 и стержень 38, В насадке 36 также имеютс две последовательно расположенные в осевом направлении камеры: приемна К и отдающа Л, поверхности которых омываютс , жидкостью . Соответствуюпще поверхности 39 и 40 втулки 37 и стержн 38, рас- положенные в камере К, образовывают- ;с вращением вокруг оси 0-0 соответ- :бтвующих Кривых, кажда из которых выпукла по отношению к образующей цилиндра радиуса R, где R - минимальное рассто ние от оси 0-0 насад- ка 36 до соответствующей линии, эквивалентной линии излома. При этом лиНИИ 41 и 42, эквивалентные лини м излома, образованы пересечением поверхностей 39 и 40 (в камере К) соответственно с поверхност ми 43 и 44 (в KaiMepe Л) . Сами же поверхности 43 и 44 выполн ютс вращением вокруг оси 0-0 кривых произвольной формы.

Все описанные конструктивные варианты насадок привод т к созданию потока сопротивлени , преп тствующего основному потоку, протекающему через выходное сечение приемных каме в .камеры отдаюпще. Суть этого эффекта может быть по снена следую- щим образом.

Насадок (фиг.6) выполнен так, что поток жидкости, попада в приемную

5 о - ,.

0 5

5

камеру Л, движетс как бы двум потоками: основной, направленный вдоль оси 0-0 насадка, проходит из камеры А через выходное ее сечение диаметром d, образованное линией 21, эквивалентной линии излома; друга , периферийна часть потока, омьша поверхность 19, движетс вдоль кривой , образующей эту поверхность. На линии 21 происходит отрыв этого периферийного потока и интенсивное пере- 1ешивание с основньгм центральным потоком . В дальнейшем поименованный в данной конструкции насадка периферийный поток будем именовать потоком сопротивлени .

Таким образом, интенсивное перемешивание основного потока и потока сопротивлени Приводит к снижению энер гии потока, попадающего в камеру Б. Чем вьше перепад давлений на рабочих органах - статоре 3 и роторе А, а соответственно и на насадке, тем сильнее происходит перемешивание потоков жидкости, тем меньшее количество жидкости поступает из камеры А в камеру Б и тем, естественно, большее коли чество жидкйсти поступает в рабочие органы.

Аналогичньш эффект достигаетс в конструкции насадка 36 (фиг.5), с той лишь разницей, что данна конструкци предопредел ет создание двух потоков сопротивлени , расположенных по обе стороны от основного, проте- каюШ|его через выходное сечение камеры К, лежап ее между двум лини ми 4 и 42, эквивалентными лини м:, излома ,

Этот же эффект наблюдаетс и в насадках 22 и 29, изображенных на фиг. 3 и 4. В данных конструкци х насадков эффект воздействи потока сопротивлени на основной поток усиливаетс тем, что он, удар сь о цилиндрические поверхности стержн 24 или втулки 30, вторично, но уже с меньшей энергией, участвует в перемешивании с основным потоком.

Забойный винтовой двигатель работает следуюпщм образом.

При включении наземных буровых насосов промьшочна жидкость по колонне бурильных труб подаетс к рабочим органам двигательной секции 1.Непосредственно перед рабочими органами поток раздел етс : основна часть его идет между статором 3 и ротором 4, привод последний в движение; друга (меньша ) часть потока идет через регул тор 6 потока. После прохождени рабочих органов обе части вновь соедин ютс в еднньй поток, который по внутреннему отверстию вала 8 шпинделной 2 попадает на забой.

Крут щий момент, создаваемый в

двигательной секции 1, с ротора через карданный вал 7 передаетс на вал 8 и далее на породоразрушающий инструмент (долото).

Взаимодействием долота с разруша емой породой обуславливаетс величина момента сопротивлени , преодолеваема двигателем, В процессе работы крут шлй момент двигател .

двигател равно как н етс .

и момент сопротивлени , ме

Известно, что в двигател х подобн о- го типа крут щий момент пропорционален перепаду давлений на рабочих ор- 5 ганах (в рабочей зоне характеристики) при посто нном расходе. В двигателе- прототипе по мере загрузки внешним моментом сопротивлени , пропорционально

4,

уменьшаетс количество жид30

ности, проход щее через рабочие органы . Тем самым довольно значительно см гчаетс характеристика двигател , резко снижаетс частота вращени .выходного вала, падает и нагрузочна .характеристика двигател .

В предлагаемом двигателе при наличии двух параллельных потоков, один из которых имеет свой дополнительный поток сопротивлени , энерги последнего возрастает с увеличением перепада давлений, т.е. по мере загрузки двигател внешним моментом зависимость количества жидкости, проход щего через рабочие органы, а также через

Q

5

о

5

0

5

0

5

насадок, от режима загрузки двигате- л носит более сложный характер.

Однако можно показать, что использование в -регул торе потока описанных насадков в большой степени делает энергетическую характеристику двигател более жесткой, что естественно приводит к увеличению его нагрузочной способности; падение частоты вращени незначительное.

На фиг. 7 и 8 представлены энергетические характеристики соответственно винтового двигател -прототипа, и предлагаемого винтового двигател .

Анализ приведенных характеристик показывает, что зона устойчивой работы двигател (А) на фиг. 8 на 18% превышает зону устойчивой работы двигател (Б) на фиг. 7 по величине крут щего момента. Дл -этой же точки падение оборотов на двигателе-прототипе составл ет 57%, а на двигателе с регул тором потока - 50%. Если рассматривать падение оборотов на двигател х при приложении одинаковых по величине внешних моментов сопротивлени , то эта разница станет еще более очевидной и существенной. Это происходит потому, что двигатель снабженный регул тором потока, при повышении давлени на рабочих органах получает каждый раз увеличенное (по сравнению с двигателем-прототипом) количество жидкости, благодар чему возрастает не только жесткость характеристики, но и его нагрузочна способность.

Указанные преимущества двигател приведут к эффективной отработке долот за счет более.стабильной частоты вращени выходного вала двигател а также к некоторому повьш1ению механической скорости бурени за счет большей частоты вращени выходного вала и лучшей нагрузочной характеристики двигател .

(fJuP.i

О

фиг. г

г2

в

фиг.:5

раг

д}иг.5

/7

to;

li

;i:

0,51,07.S М

Относи те/7АН /и ffpt/m ufc/i/

Фие. 7

(риг. 6

0.57.07,5

Omf ffCi/fTfe/rdf S /i/

Фиг В

М

Claims

1. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийс я тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, внутренняя полость насадка выполнена из последовательно расположенных в осевом направлении приемной и отдающей камер, поверхности которых сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка.

2. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содер дащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, насадок выполнен из двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного внутри нее стержня, и образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элемен тов сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность указанного элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, выпуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до линии излома.

3. Забойный винтовой двигатель,' включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и ра диальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного вйутри нее стержня, образующих последовательно распо- ложенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на обоих элементах насадка сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхности указанных элементов, формирующие ее, образованы вращением кривых, каждая из которых выпукла относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до любой из линий излома.