Статор винтового забойного двигателя
Полезная модель относится к винтовым забойным двигателям, используемым для бурения нефтяных и газовых скважин, винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение жесткости винтового зуба статора и улучшение теплоотвода от эластомерной обкладки к внешней поверхности статора, и, как следствие, повышение момента, мощности, к.п.д. и ресурса двигателя.
В статоре винтового забойного двигателя, содержащем полый цилиндрический корпус, оболочку с профильной частью, выполненной в виде винтовых зубьев, установленную внутри полого цилиндрического корпуса с образованием полости, и эластомерную обкладку, прикрепленную к внутренней поверхности оболочки, согласно полезной модели, полость между полым цилиндрическим корпусом и оболочкой заполнена дисперсно-армированным композиционным материалом или сыпучим металлическим материалом.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить жесткость зуба статора, улучшить теплоотвод от эластомерной обкладки к внешней поверхности статора, что предотвращает пластическую деформацию оболочки и разрушение эластомерной обкладки статора и, в конечном итоге, приводит к повышению энергетических характеристик, надежности и ресурса винтовых забойных двигателей.
Полезная модель относится к винтовым забойным двигателям, используемым для бурения нефтяных и газовых скважин, винтовым насосам для добычи нефти и перекачивания жидкостей.
Винтовые двигатели и насосы являются объемными роторными гидравлическими машинами, рабочими органами которых являются статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями. Число зубьев статора на единицу больше числа зубьев ротора, благодаря чему образуются рабочие камеры гидромашины. Двигатель приводится в движение за счет разности давления жидкости в рабочих камерах, которые отделены друг от друга в течение всего рабочего цикла.
Известен статор винтового забойного двигателя (Патент US 5171138), содержащий полый цилиндрический корпус, оболочку, имеющую профильную часть, выполненную в виде винтовых зубьев, и эластомерную обкладку, прикрепленную к внутренней поверхности оболочки. Оболочка расположена внутри полого цилиндрического корпуса с образованием полости, причем полость между корпусом и оболочкой не заполнена или заполнена резиной. Известный статор является наиболее близким техническим решением к предлагаемому, и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является деформация оболочки при повышении давления в рабочих камерах за пределы допустимого, например, при заклинивании породоразрушающего инструмента. Деформация оболочки также возможна на этапе изготовления статора при заливке резиновой обкладки. Наиболее сильно этому подвержена оболочка, изготовленная методом штамповки, так как ее материал достаточно пластичен. Остов статора с незаполненными полостями между цилиндрическим корпусом и
оболочкой не обеспечивает необходимую жесткость винтового зуба статора. Искажение циклоидального профиля зубьев статора вследствие деформации стальной тонкостенной оболочки вызывает объемные потери в рабочей секции, а, следовательно, и понижение момента, мощности, к.п.д., и может привести к полной неработоспособности двигателя.
Другим недостатком известного статора является плохой теплоотвод от резиновой обкладки, которая при больших значениях деформации склонна к саморазогреву из-за внутреннего трения. Саморазогрев резиновой обкладки ведет к ее термическому разрушению (Фуфачев О.И. К вопросу повышения эксплуатационных характеристик винтового забойного двигателя / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2007. - №2).
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение жесткости винтового зуба статора и улучшение теплоотвода от эластомерной обкладки к внешней поверхности статора, и, как следствие, повышение момента, мощности, к.п.д. и ресурса двигателя.
Технический результат достигается тем, что в статоре винтового забойного двигателя, содержащем полый цилиндрический корпус, оболочку с профильной частью, выполненной в виде винтовых зубьев, установленную внутри полого цилиндрического корпуса с образованием полости, эластомерную обкладку, прикрепленную к внутренней поверхности оболочки, согласно полезной модели, полость между полым цилиндрическим корпусом и оболочкой заполнена дисперсно-армированным композиционным материалом или сыпучим металлическим материалом.
В прототипе полость между полым цилиндрическим корпусом и оболочкой остается не заполненной или заполняется эластомером. В предлагаемой полезной модели, в первом варианте, заполнение полости дисперсно-армированным композиционным материалом с высокой долей армирующего материала (например, металлической крошки или дроби с характерным размером частицы 0,8÷2,2 мм в эпоксидной смоле), в отличие от прототипа, повышает жесткость винтового зуба статора и создает условия
для достаточного теплоотвода от эластомерной обкладки к внешней поверхности статора. Увеличение жесткости винтового зуба повышает межвитковый перепад давления и, как следствие, момент на выходном валу двигателя. Как показали расчеты с применением компьютерных программ на основе метода конечных элементов, применение теплопроводного наполнителя увеличивает тепловой поток на границе «резиновая обкладка -металлический остов» в 2-3 раза. Применение частиц с меньшим характерным размером дает максимальное повышение теплопроводности за счет увеличения объемной доли армирующего материала от занимаемого объема полости, так как теплопроводность металла в среднем 45 Вт/мК, а теплопроводность эпоксидной смолы 0,17÷0,19 Вт/мК. Улучшение теплоотвода от эластомерной обкладки повышает ее усталостную выносливость и приводит к повышению ресурса двигателя.
Связующее, например, эпоксидная смола дает прочность соединения профилированной оболочки с цилиндрическим корпусом, создает общую монолитность конструкции. Повышается изгибная жесткость всего статора, что является важным показателем при бурении наклонно-направленных скважин.
Армирующий материал, заполняющий всю полость между цилиндрическим корпусом и винтовой оболочкой, обеспечивает недеформируемость стального каркаса статора, жесткость винтового зуба и достаточный теплоотвод от эластомерной обкладки к внешней поверхности статора.
Во втором варианте, в предлагаемой полезной модели, применение в качестве наполнителя сыпучего металлического материала (например, металлической дроби или крошки с характерным размером частицы 0,8÷2,2 мм), в отличие от прототипа, позволяет повысить жесткость винтового зуба статора и улучшить теплоотвод за счет высокой теплопроводности наполнителя и создания слоя, препятствующего деформации оболочки. Увеличение жесткости винтового зуба повышает
межвитковый перепад давления и, как следствие, момент на выходном валу двигателя. Улучшение теплоотвода от резиновой обкладки повышает ее усталостную выносливость.
На прилагаемых фигурах иллюстрируется сущность изобретения.
На фиг.1 показано устройство статора винтового забойного двигателя с наполнителем в продольном разрезе;
На фиг.2 приведено поперечное сечение статора по линии А-А. Статор винтового забойного двигателя содержит полый цилиндрический корпус 1, внутри которого размещена оболочка 2, имеющая профильную часть 3, выполненную в виде винтовых зубьев. К внутренней поверхности профильной части 3 оболочки 2 прикреплена эластомерная обкладка 4 примерно равной толщины, например, из резины. Полость, образованная внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью оболочки 2, заполнена наполнителем 5. Наполнителем 5 в первом варианте является дисперсно-армированный металлическими включениями композиционный материал, в котором в качестве связующего применяется, например, эпоксидная смола, а в качестве включений - металлическая дробь или крошка с характерным размером частиц 0,8-2,2 мм. Во втором варианте наполнителем 5 является металлическая дробь или крошка с тем же характерным размером частиц.
Внутри эластомерной обкладки 4 оболочки 2 установлен ротор 6 с винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а профили зубьев статора и ротора 6 выполнены взаимоогибаемыми. Своим верхним концом статор присоединен к колонне бурильных труб (на фигурах не показаны), а нижним концом - к корпусу опорного узла (на фигурах не показан). Ротор 6 связан с валом опорного узла посредством, например, универсального шарнирного соединения. К нижнему концу вала опорного узла присоединен породоразрушающий инструмент - долото. Статор работает следующим образом.
При подаче рабочей жидкости с поверхности по колонне бурильных труб ротор 6 приводится во вращение, обкатываясь по зубьям статора, и приводит во вращение долото.
При чрезмерном повышении вращающего момента на долоте, а следовательно, и на роторе 6, давление промывочной жидкости в статоре повышается. В конструкции прототипа повышение давления может вызвать пластическую деформацию оболочки 2, так как полость между оболочкой 2 и полым цилиндрическим корпусом 1 заполнена воздухом или упругоэластичным материалом (резиной), что может привести к негерметичности рабочих камер и неработоспособности двигателя. В процессе работы двигателя резиновая обкладка 4 испытывает циклически действующие деформации в зонах контакта с вращающимся ротором, из-за чего происходит ее саморазогрев и может произойти термическое разрушение.
В предлагаемой полезной модели, благодаря жесткому наполнителю 5, такому как дисперсно-армированный композиционный материал или сыпучий металлический материал, при повышении давления жидкости в статоре пластического деформирования оболочки 2 не происходит. А так как наполнитель 5, благодаря металлическим частицам, является теплопроводным материалом, он обеспечивает необходимый теплоотвод от эластомерной обкладки статора, защищая ее от термического разрушения. Это повышает надежность винтового забойного двигателя.
Таким образом, заполнение полости между цилиндрическим корпусом и оболочкой дисперсно-армированным композиционным материалом или сыпучим металлическим материалом позволяет повысить жесткость зуба статора, улучшить теплоотвод от эластомерной обкладки к внешней поверхности статора, что предотвращает пластическую деформацию оболочки и разрушение эластомерной обкладки статора и, в конечном итоге, приводит к повышению энергетических характеристик, надежности и ресурса винтовых забойных двигателей.
Статор винтового забойного двигателя, содержащий полый цилиндрический корпус, оболочку с профильной частью, выполненной в виде винтовых зубьев, установленную внутри полого цилиндрического корпуса с образованием полости, и эластомерную обкладку, прикрепленную к внутренней поверхности оболочки, отличающийся тем, что полость между полым цилиндрическим корпусом и оболочкой заполнена дисперсно-армированным композиционным материалом или сыпучим металлическим материалом.
