Героторный механизм винтового забойного двигателя

 

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.

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 Сt зуба статора по среднему диаметру Dcp зубьев и окружной шаг St этих зубьев связаны соотношением Ct/St=0,45-0,65, а толщина CN зуба статора по среднему диаметру Dcp зубьев в сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба статора и радиальная высота h зуба статора, связаны соотношением CN/h1,75.

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 RC1 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 RC1 или связанным соотношением Rc2=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 Rc1 укороченной циклоиды, а профиль зубьев ротора в торцевом сечении очерчен сопряженными дугами окружностей, причем, выступ зуба ротора очерчен дугой радиуса RB, большего, чем радиус эквидистанты статора Rc1, или связан с ним соотношением Rc2+Rc1 (0,1 0,5)E, а профиль впадины зуба ротора очерчен дугой радиуса Rv, 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 Dk и формы зуба, оптимальной с точки зрения восприятия изгибных нагрузок будет назначена необходимая эквидистанта укороченной гипоциклоиды с параметрами е, r и rц статора.

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

контурный диаметр Dk,

число зубьев z1,

эксцентриситет зацепления - е,

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

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

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

, здесь

Fkz - площадь сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце r f1...ra1 зубчатого венца,

=3,14159265358979,

h1=2е - высота зуба статора,

е - эксцентриситет зацепления,

Dcp=Dk-h 1 - средний диаметр зубчатого венца статора,

D к - контурный диаметр,

h1Dcp=F k - площадь контурного кольца статора r f1...ra1;

F пер - перекашивающая сила,

Fr - радиальная сила,

r - радиус катящейся окружности при образовании эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

Z 1 - число зубьев статора;

rц - радиус эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

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

- угол поворота круга радиуса r при качении.

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

где Dk - 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 Dk, е, z1 , z2, радиальная Fr и перекашивающая Fпер 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 Fпер силы, тогда:

Профиль статора определяется:

rf1 =Dk/2 - контурный радиус, радиус впадин зубчатого венца статора.

е - эксцентриситет.

h 1 - высота зуба статора.

rа1f1-2е; радиус выступов зубьев статора.

rsr1=rf1-е; средний радиус зубчатого венца.

r - радиус катящегося круга; находится из интегрального уравнения.

f=r/e; коэффициент внецентроидности.

rb1=rz1; радиус базовый окружности при качении по ней круга радиуса r для образования профиля статора.

rц=r а1-rb1+e+r; радиус эквидистанты. Находится из интегрального уравнения

Производные по аргументу

Area1=R1###U132S'###U132Cos();

Дифференциал дуги профиля статора

Площадь, ограниченная торцовым контуром профиля статора

Площадь Fk кольца rf1...r а1

Площадь Fkz зубьев статора в кольце

Fkz=(rf1)2-F 1;

Площадь Fkv впадин статора в кольце

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

Коэффициент Кp, (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(пер)КpSec2(пер), (пер=32,5°, при k=1, 0,8Кp1,3)

Кp может быть изменен по результатам работы героторного механизма.

Начальное значение на предварительном этапе расчета зацепления К p=Sec2(пер);

Интегрального уравнение для определения профиля статора. Поиск радиуса r катящегося круга и радиуса rц 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 Dcp 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 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 rц эквидистанты укороченной гмпоциклоиды для z1=6; e=1; Dk=18.1 и z1=8; e=1; Dk=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 rц, обеспечивающими получение площади Fkz 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 rц Так же, как в реечном зацеплении существуют экстремальные смещения еC 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 O1O 1 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, Dk =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 z 1=6; e=1; Dk=18.1 мм и z 1=8; e=1; Dk=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 O 2O2 вращается вокруг оси O 1O1 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.

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 Fkz 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 rц, обеспечивающими получение площади Fkz сечения, и определяется из выражения

где Fkz - площадь сечения внутренних винтовых зубьев статора в контурном кольце r f1...ra1 зубчатого венца;

=3,14159265358979;

h1=2е - высота зуба статора;

е - эксцентриситет зацепления;

Dcp=Dк-h 1 - средний диаметр зубчатого венца статора;

D к - контурный диаметр;

h1Dcp=F k - площадь контурного кольца статора r f1...ra1;

F пер - перекашивающая сила;

Fr - радиальная сила;

r - радиус катящейся окружности при образовании эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

Z 1 - число зубьев статора;

rц - радиус эквидистанты укороченной гипоциклоиды;

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

- угол поворота круга радиуса r при качении.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к героторным эксцентричным винтовым насосам объемного типа, предназначенным для перекачки газожидкостных смесей широкого спектра вязкости

Изобретение относится к предметам народного потребления, а именно ж осветительным и исчислительным приборам,Цель изобретения - создание предмета обихода двойного назначения -осветительного прибора и оригинальных часов, позволяющих иметь информацию о местном времени и состоянии дня и ночи /освещенности Солнцем/ в любой географической точке планеты Земля, несущего познавательно-эстетическое воспитание вкуса потребителя и расширение услуг обслуживания в информационном поле

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно, к техническим средствам

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в лабораторном оборудовании для экспериментального исследования КПД зубчатых передач, например, в учебном процессе студентов ВУЗов

Изобретение относится к области общего машиностроения и может быть использовано в качестве предохранительного устройства или устройства создающего нагрузочный крутящий момент.
Наверх