Винтовой забойный двигатель

Полезная модель относится к области буровой техники, а именно к винтовым забойным двигателям (ВЗД), и может быть использована для бурения нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение надежности и ресурса. Винтовой забойный двигатель, содержит опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненный из неподвижных относительно друг друга металлических слоев, прикрепленную к внутреннему слою упруго-эластичную обкладку, причем слой, формирующий внутренние винтовые зубья статора имеет меньшую температуру плавления и больший коэффициент теплопроводности, чем наружный, 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 взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Статор выполнен трехслойным, при этом внутренний слой выполнен гальванически из латуни, а толщина упруго-эластичной обкладки составляет 0,1-0,8 радиальной высоты зубьев. 2 илл.

Полезная модель относится к области буровой техники, а именно к винтовым забойным двигателям (ВЗД), и может быть использована для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель (патент РФ 2287655 - прототип), который является наиболее близким по технической сущности и принят в качестве прототипа. ВЗД содержит, опорный узел, статор, с внутренними винтовыми зубьями, выполненный двухслойным из неподвижных относительно друг друга металлических слоев, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. 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 взаимно огибаемыми. Ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Внутренний слой статора выполнен с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора. При этом температура плавления наружного слоя выше, а коэффициент теплопроводности ниже, чем внутреннего.

Недостатком известного статора является недостаточная прочность крепления упруго-эластичной обкладки к зубьям внутреннего слоя статора. Это объясняется тем, что внутренний слой статора ВЗД выполнен из сплава на основе цинка, алюминия и меди, на поверхности которого образуются оксидные пленки, что приводит к недостаточной прочности крепления упруго-эластичного материала, например, резины.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности и ресурса винтового забойного двигателя за счет увеличения прочности сцепления упруго-эластичной обкладки с внутренней поверхностью статора ВЗД и выполнения упруго-эластичной обкладки с оптимальной толщиной.

Технический результат достигается тем, что в винтовом забойный двигатель, содержащий опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненный из неподвижных относительно друг друга металлических слоев, прикрепленную к внутреннему слою упруго-эластичную обкладку, причем слой, формирующий внутренние винтовые зубья статора имеет меньшую температуру плавления и больший коэффициент теплопроводности, чем наружный, 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 взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, согласно полезной модели статор выполнен трехслойным, при этом внутренний слой выполнен гальванически из латуни, а толщина упруго-эластичной обкладки составляет 0,1-0,8 радиальной высоты зубьев.

В предлагаемой полезной модели выполнение статора винтового забойного двигателя, в отличие от прототипа, трехслойным с внутренним слоем из латуни позволяет увеличить прочность сцепления упруго-эластичной обкладки с металлической внутренней поверхностью статора ВЗД. Упруго-эластичная обкладка при работе винтового забойного двигателя воспринимает циклические нагрузки, контактные и сдвиговые напряжения, реактивный момент и радиальные силы, поэтому к прочности крепления упруго-эластичной обкладки к внутренней поверхности статора предъявляются повышенные требования. Латунирование повышает прочность сцепления эластомеров с металлом, как на отрыв, так и на сдвиг, что приводит к повышению надежности и ресурса винтового забойного двигателя.

Выполнение упруго-эластичной обкладки с толщиной, составляющей 0,1-0,8 радиальной высоты зубьев позволяет повысить ресурс ВЗД и упростить технологию изготовления статора.

Выполнение упруго-эластичной обкладки с толщиной, составляющей менее 0,1 радиальной высоты зубьев технологически очень сложно. А упруго-эластичная обкладка толщиной, превосходящей 0,8 радиальной высоты зубьев приводит к снижению крутящего момента из-за уменьшения изгибной жесткости зубьев, повышению величины деформации, саморазогреву упруго-эластичного материала и снижению долговечности статора.

Реализация отличительных признаков предлагаемого винтового забойного двигателя в совокупности с известными признаками создает возможность исключить недостатки, присущие прототипу и обеспечить достижение заявляемого технического результата: повышение прочности крепления упруго-эластичной обкладки, сохранение статора в работоспособном состоянии на длительный период, что обеспечивает повышение надежности и ресурса винтового забойного двигателя.

На фиг.1 представлен общий вид винтового забойного двигателя.

На фиг.2. изображено поперечное сечение статора винтового забойного двигателя.

Винтовой забойный двигатель содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, упруго-эластичную обкладку 3, прикрепленную к внутренним винтовым зубьям 2 статора 1, ротор 4 с наружными винтовыми зубьями 5, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Ось О₂ ротора 4 смещена относительно оси O₁ статора 1 на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты зубьев. Профили наружных зубьев 5 ротора 4 и внутренних зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми. Ходы винтовых зубьев ротора 4 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев.

Статор 1 выполнен трехслойным. Наружный слой 6 выполнен из стали или титана. Средний слой 7, формирующий внутреннюю винтовую поверхность статора 1, состоит из сплава на основе цинка, алюминия или меди и выполняется заливкой расплава в наружный слой 6 статора 1. Внутренний слой 8 из латуни нанесен гальваническим методом. На внутренний слой 8 из латуни наносят клей, после чего к внутреннему слою 8 крепится обкладка 3 из упруго-эластичного материала, например, резины, толщина которой составляет 0,1-0,8 радиальной высоты зубьев. Выполнение внутреннего слоя 8 из латуни, по сравнению с прототипом, повышает прочность крепления упруго-эластичной обкладки к внутренней винтовой поверхности статора 1 винтового забойного двигателя.

Нанесение слоя упруго-эластичного материала, например резины, толщиной менее 0,1 радиальной высоты зубьев сложно технологически. Упруго-эластичная обкладка 3 толщиной более 0,8 радиальной высоты зубьев приводит к снижению крутящего момента из-за уменьшения изгибной жесткости зубьев, повышению величины деформации, саморазогреву резиновой обкладки и, как следствие, к снижению ресурса и надежности статора.

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом.

Промывочная жидкость, подается с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в верхнюю часть винтового забойного двигателя. В результате винтового направления зубьев статора и ротора под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор приводится во вращение, при этом его ось вращается вокруг оси статора против часовой стрелки, а сам ротор поворачивается относительно своей оси по часовой стрелке. Опорный узел воспринимает нагрузки от реакции забоя и гидравлической выталкивающей силы, действующей на ротор.

При наличии в рабочей паре необходимого натяга контактное давление составляет 4-6 МПа, скорость скольжения 0,5-4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 60 МПа. В процессе работы двигателя в упруго-эластичной обкладке в зонах контакта с вращающимся ротором происходит выделение значительного количества тепла, что может привести к отслоению и разрушению резиновой обкладки. Выполнение среднего слоя статора из сплава с высоким коэффициентом теплопроводности позволяет усилить теплоотвод и защитить от термического разрушения упруго-эластичную обкладку. Внутренний слой латуни при этом повышает прочность крепления упруго-эластичной обкладки к внутренней винтовой поверхности статора. При этом толщина, составляющая 0,1-0,8 радиальной высоты зубьев упруго-эластичной обкладки не допускает снижения изгибной жесткости зубьев, и как следствие снижения крутящего момента.

Таким образом, предлагаемая полезная модель за счет повышения прочности крепления упруго-эластичной обкладки к зубьям внутреннего слоя статора винтового забойного двигателя, повышения жесткости конструкции позволяет обеспечить высокие энергетические характеристики, надежность и ресурс двигателя.

Винтовой забойный двигатель, содержащий опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненный из неподвижных относительно друг друга металлических слоев, прикрепленную к внутреннему слою упругоэластичную обкладку, причем слой, формирующий внутренние винтовые зубья статора, имеет меньшую температуру плавления и больший коэффициент теплопроводности, чем наружный, 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 взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, отличающийся тем, что статор выполнен трехслойным, при этом внутренний слой выполнен гальванически из латуни, а толщина упругоэластичной обкладки составляет 0,1-0,8 радиальной высоты зубьев.