RU2119035C1

RU2119035C1 - Rotary-spiral hydraulic motor

Info

Publication number: RU2119035C1
Application number: RU97100244A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Алексеевич Ряшенцев; Владислав Васильевич Корюков; Владимир Романович Сорокин; Юрий Евгеньевич Кириевский
Original assignee: Вячеслав Алексеевич Ряшенцев; Владислав Васильевич Корюков; Владимир Романович Сорокин; Юрий Евгеньевич Кириевский
Priority date: 1997-01-06
Filing date: 1997-01-06
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: bore-hole drilling machinery and equipment. SUBSTANCE: hydraulic motor has hollow body which accommodates stator with flexible shell, rotor, and drive shaft which is connected with rotor. Flexible shell is located between stator and rotor. Flexible shell is secured with stator and fastened on rotor with possible rotation of rotor relative to flexible shell. Created between internal surface of stator and external surface of shell are flow-passing spiral passages for delivery of working fluid. Spiral passages are made with pitch which coincides with pitch of spiral surface of stator. Aforesaid embodiment of hydraulic motor allows for substantial increase of its service life. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного движения, в частности к устройствам для бурения газовых и нефтяных скважин. The invention relates to hydraulic drives for rotational motion, in particular to devices for drilling gas and oil wells.

Известен непосредственный привод резца (резцодержателя) для станка глубокого сверления, содержащий статор и ротор. Ротор в данном приводе выполнен составным и имеет эластичный корпус с наружной винтовой поверхностью и металлический конический каркас, на котором установлен с возможностью осевого перемещения эластичный корпус. Эластичный корпус и металлический каркас связаны между собой посредством шлицевого соединения и имеют механизм осевого перемещения эластичного корпуса на каркасе для изменения диаметра этого корпуса /1/. Known for the direct drive of the cutter (tool holder) for a deep drilling machine containing a stator and a rotor. The rotor in this drive is made integral and has an elastic case with an external helical surface and a metal conical frame on which an elastic case is mounted with the possibility of axial movement. The elastic body and the metal frame are interconnected by means of a spline connection and have an axial movement mechanism of the elastic body on the frame to change the diameter of this body / 1 /.

Наличие шлицевого соединения эластичного корпуса с металлическим каркасом и механизмом осевого перемещения эластичного корпуса на каркасе усложняет конструкцию привода, снижает его надежность, а кроме того требует подъема буровой колонны из скважины и отстыковки привода. Основным недостатком известного изобретения является износ винтовой рабочей пары рабочим телом - промывочной жидкостью, а вследствие этого - малый ресурс двигателя. Наибольший ресурс лучших российских и зарубежных двигателей не превышает 350 часов. The presence of a spline connection of the elastic body with the metal frame and the axial movement of the elastic body on the frame complicates the design of the drive, reduces its reliability, and also requires lifting the drill string from the well and undocking the drive. The main disadvantage of the known invention is the wear of a helical working pair with a working fluid - flushing fluid, and as a result - low engine life. The greatest resource of the best Russian and foreign engines does not exceed 350 hours.

Известен также винтовой забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенные в корпусе статор и ротор с многозаходными винтовыми зубьями, гибкую оболочку и выходной вал, соединенный с ротором /2/. Also known is a downhole screw motor comprising a hollow body, a stator and a rotor with multi-helical teeth, a flexible sheath and an output shaft connected to the rotor / 2 /.

Известный двигатель также требует подъема буровой колонны из скважины для подкачки масла через обратный клапан в гибкую оболочку, выполненную в виде гибкого кольцевого замкнутого коллектора до тех пор, пока момент на проворачивание вала двигателя не достигнет требуемой величины. Этим компенсируется износ вершин статора и таким образом поддерживаются рабочие характеристики двигателя. По мере износа винтовой рабочей пары двигателя требуется подъем буровой колонны из скважины, глубина которой обычно 5 - 8 км. Основным недостатком известного двигателя является износ винтовой рабочей пары вследствие взаимодействия металлического вала - ротора с эластичным резиновым статором, при этом происходит износ преимущественно эластичного статора. Из-за этого при достижении определенного износа происходят утечки промывочной жидкости из одной полости в другую. Это приводит к тому, что с ростом износа ухудшаются рабочие характеристики двигателя, уменьшается момент на валу, сокращается ресурс его работы. Это существенно ухудшает технико-экономические показатели бурения, а также часто приводит к заклиниванию долота в скважине и его безвозвратной потере. The known engine also requires lifting the drill string from the well to pump oil through a check valve into a flexible shell made in the form of a flexible annular closed manifold until the moment for turning the motor shaft reaches the desired value. This compensates for the wear of the stator tops and thus maintains the engine performance. As the screw working pair of the engine wears out, it is necessary to lift the drill string from the well, the depth of which is usually 5-8 km. The main disadvantage of the known engine is the wear of a helical working pair due to the interaction of a metal shaft - a rotor with an elastic rubber stator, while the wear of a predominantly elastic stator occurs. Because of this, when a certain wear is reached, leakage of flushing fluid from one cavity to another occurs. This leads to the fact that with increasing wear, engine performance deteriorates, the torque on the shaft decreases, and its service life is reduced. This significantly worsens the technical and economic performance of drilling, and also often leads to jamming of the bit in the well and its irretrievable loss.

Наиболее близким к заявляемому является винтовой забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него с образованием полостей низкого и высокого давления многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор с эластичной оболочкой и установленный внутри статора ротор, а также приводной вал шпиндельной секции, соединенный с ротором /3/. Closest to the claimed is a downhole screw motor containing a hollow body, placed inside it with the formation of cavities of low and high pressure multi-start gerotor mechanism, including a coaxially located stator with an elastic sheath and a rotor installed inside the stator, as well as a spindle section drive shaft connected to the rotor / 3 /.

Основным недостатком известного двигателя является износ героторного механизма вследствие взаимодействия металлического вала-ротора с эластичным статором, между которыми существует натяг до 1 мм по вершинам спиральных поверхностей зубьев. Натяг необходим для обеспечения герметичности между полостями низкого и высокого давления и предотвращения утечек жидкости из одной полости в другую. По мере износа происходит разгерметизация полостей и наблюдаются утечки из одной полости в другую, происходит выработка ресурса героторного механизма, что требует подъема буровой колонны и замены винтового двигателя. Износ героторного механизма (винтовой рабочей пары) повышается также вследствие того, что промывочная жидкость - это вода из открытого водоема, а в ней обычно содержится от 3 до 5% абразивных частиц. Таким образом, в известном двигателе также невозможно исключить контакт рабочего тела - промывочной жидкости с винтовой поверхностью ротора, что снижает ресурс двигателя - это является основным его недостатком. The main disadvantage of the known engine is the wear of the gerotor mechanism due to the interaction of the metal shaft-rotor with an elastic stator, between which there is an interference of up to 1 mm along the vertices of the spiral surfaces of the teeth. An interference fit is required to ensure tightness between the low and high pressure cavities and to prevent fluid leakage from one cavity to another. As wear and tear occurs, cavities are depressurized and leaks from one cavity to another are observed, the resource of the gerotor mechanism is depleted, which requires lifting the drill string and replacing the screw motor. The wear of the gerotor mechanism (screw working pair) also increases due to the fact that the flushing fluid is water from an open reservoir, and it usually contains from 3 to 5% of abrasive particles. Thus, in the known engine it is also impossible to exclude the contact of the working fluid - flushing fluid with the screw surface of the rotor, which reduces the engine resource - this is its main disadvantage.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении ресурса и надежности двигателя за счет уменьшения износа винтовой рабочей пары путем направления потока текучей среды в проточные винтовые каналы, образованные статором и гибкой оболочкой, и применения масляной системы смазки рабочей поверхности ротора. The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the resource and reliability of the engine by reducing the wear of the screw working pair by directing the flow of fluid into the flowing screw channels formed by the stator and flexible shell, and using an oil system to lubricate the rotor working surface.

Сущность технического решения заключается в том, что в роторно-винтовом гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор, эластичную оболочку и установленный внутри статор ротор, а также приводной вал, соединенный с ротором, согласно изобретению, гибкая оболочка размещена между статором и ротором, скреплена со статором и закреплена на роторе с возможностью вращения ротора относительно нее, при этом между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью оболочки образованы проточные винтовые каналы, профиль каждого из которых выполнен замкнутым в поперечном сечении, соосным винтовой поверхности статора, а шаг каждого из каналов совпадает с шагом винтовой поверхности статора. Ротор выполнен с замкнутой полостью, заполненной смазывающей жидкостью, а по краям ротора выполнены ряды отверстий, сообщающих вышеуказанную полость с наружной поверхностью ротора. The essence of the technical solution lies in the fact that in a rotary-screw hydraulic motor containing a hollow body, a multi-start gerotor mechanism inside it, including a coaxially located stator, an elastic shell and a rotor installed inside the stator, as well as a drive shaft connected to the rotor, according to the invention , a flexible shell is placed between the stator and the rotor, fastened to the stator and mounted on the rotor with the possibility of rotation of the rotor relative to it, while between the inner surface of the stator and the outer surface of the shell formed by winding flow channels, the profile of each of which is formed in a closed cross section, coaxial with the helical surface of the stator, and the pitch of each channel coincides with the pitch of the screw surface of the stator. The rotor is made with a closed cavity filled with lubricating fluid, and rows of holes are made along the edges of the rotor, communicating the above cavity with the outer surface of the rotor.

Размещение между статором и ротором гибкой оболочки, скрепленной со статором и закрепленной на роторе с возможностью вращения ротора относительно нее, с образованием между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью оболочки проточных винтовых каналов, выполнение профиля каждого из каналов замкнутым в поперечном сечении, соосным винтовой поверхности статора, а шага каждого из каналов - совпадающим с шагом винтовой поверхности статора позволяет направить поток рабочего тела - промывочной жидкости в проточные винтовые каналы, т.е. мимо рабочей поверхности ротора, сохраняя его планетарное движение относительно статора, которое посредством выходного вала преобразуется во вращательное движение бурильного инструмента. Абразивные частицы в промывочной жидкости, содержание которых обычно составляет 3 - 5%, без заметного воздействия вдавливаются в гибкую оболочку и эластичный статор и вымываются далее на выход двигателя, не оказывая существенного износа эластичных сопряженных поверхностей. Placement between the stator and the rotor of a flexible shell fastened to the stator and mounted on the rotor with the possibility of rotation of the rotor relative to it, with the formation of flowing screw channels between the inner surface of the stator and the outer surface of the shell, the profile of each channel is coaxial with the stator helical surface , and the step of each channel - coinciding with the step of the helical surface of the stator allows you to direct the flow of the working fluid - washing fluid into the flowing screw channels ly, i.e. past the working surface of the rotor, while maintaining its planetary motion relative to the stator, which, through the output shaft, is converted into rotational movement of the drilling tool. Abrasive particles in the flushing fluid, the content of which is usually 3-5%, are pressed into the flexible shell and the elastic stator without noticeable effect and washed further at the motor outlet without significant wear of the elastic mating surfaces.

Защита винтовой поверхности ротора от промывочной жидкости позволяет применить масляную систему смазки ротора. Для этого ротор выполнен с замкнутой полостью, заполненной смазывающей жидкостью, а по краям ротора выполнены ряды отверстий, сообщающих вышеуказанную полость с наружной поверхностью ротора. Protection of the rotor helical surface from flushing fluid allows the use of an oil rotor lubrication system. For this, the rotor is made with a closed cavity filled with a lubricating fluid, and rows of holes are made along the edges of the rotor, communicating the above cavity with the outer surface of the rotor.

Выполнение отверстий по краям ротора позволяет также обеспечить циркуляцию смазки, т.к. винтовые поверхности ротора выполняют одновременно функцию эжекторного насоса по прокачке части смазки вдоль винтовых линий. Making holes along the edges of the rotor also allows for the circulation of lubricant, as the rotor helical surfaces simultaneously perform the function of an ejector pump for pumping part of the lubricant along helical lines.

На фиг. 1 представлен продольный разрез роторно-винтового гидравлического двигателя, а именно: одна из секций многосекционного двигателя, имеющего одинаковые секции; на фиг. 2 показан разрез A - A на фиг. 1. In FIG. 1 is a longitudinal section through a rotary screw hydraulic motor, namely: one of the sections of a multi-section engine having the same sections; in FIG. 2 shows a section A - A in FIG. one.

Роторно-винтовой гидравлический двигатель содержит полый корпус 1, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор 2, эластичную оболочку 3 и установленный внутри статора ротор 4, приводной вал 5, соединенный с ротором 4 по конусной поверхности 6. Эластичная оболочка 3 размещена между статором 2 и ротором 4, скреплена со статором 2 методом совместной вулканизации и переплетения армирующего наполнителя по винтовым пояскам 7 и закреплена на роторе 4 при помощи цилиндрических поясков 8 и 9 с возможностью вращения ротора 4 относительно эластичной оболочки 3 по поверхности 10 ротора 4. Ротор 4 скреплен с переводником 11 и один из поясков, например, 8 расположен на нем. При этом между внутренней поверхностью 12 статора 2 и наружной поверхностью 13 оболочки 3 образованы проточные винтовые каналы 14, профиль каждого из которых 15 выполнен замкнутым в поперечном сечении, т.е. герметичным вдоль канала, соосным винтовой поверхности статора 2, а шаг каждого из каналов 14 совпадает с шагом винтовой поверхности статора 2. Входная часть 16 между эластичной оболочкой 3 и статором 2 выполнена скошенной к потоку 17 рабочего тела - промывочной жидкости для обеспечения беспрепятственного прохода ее в проточные каналы 14 при запуске двигателя. Внутри ротора 4 установлена втулка 18 с уплотнениями 19, которая фиксируется вдоль ротора пояском 20 приводного вала 5. При этом втулка 18 образует внутри ротора 4 замкнутую полость 21, заполненную маслом 22, а по краям ротора выполнены ряды отверстий 23 и 24, сообщающих полость 21 с наружной поверхностью 10 ротора 4. The rotary screw hydraulic motor comprises a hollow body 1, a multi-start gerotor mechanism located inside it, including a coaxially located stator 2, an elastic shell 3 and a rotor 4 mounted inside the stator, a drive shaft 5 connected to the rotor 4 along a conical surface 6. An elastic shell 3 is placed between the stator 2 and the rotor 4, bonded to the stator 2 by the method of joint vulcanization and weaving of the reinforcing filler on the screw bands 7 and mounted on the rotor 4 with the help of cylindrical belts 8 and 9 with NOSTA rotor 4 relative to the flexible sheath 3 on the surface 10 of the rotor 4. The rotor 4 is attached to the top sub 11 and one of the belts, e.g., 8 located thereon. Moreover, flowing helical channels 14 are formed between the inner surface 12 of the stator 2 and the outer surface 13 of the shell 3, the profile of each of which 15 is made closed in cross section, i.e. tight along the channel, coaxial to the helical surface of the stator 2, and the pitch of each channel 14 coincides with the pitch of the helical surface of the stator 2. The inlet part 16 between the elastic shell 3 and the stator 2 is made beveled to the flow 17 of the working fluid - flushing fluid to ensure its smooth passage into flow channels 14 when starting the engine. Inside the rotor 4, a sleeve 18 with seals 19 is installed, which is fixed along the rotor by a belt 20 of the drive shaft 5. In this case, the sleeve 18 forms a closed cavity 21 filled with oil 22 inside the rotor 4, and rows of holes 23 and 24 are made along the edges of the rotor, communicating cavity 21 with outer surface 10 of rotor 4.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Промывочная жидкость 17 под давлением 140 - 60 атм по колонне буровых труб подается в проточные винтовые каналы 14, профиль которых выполнен замкнутым, т. е. все каналы 14 изолированы один от другого. Возможность подачи промывочной жидкости обеспечивается известным техническим решением - вследствие разницы в количестве выступов (зубьев) в них, т.е. число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Возникающий на роторе 4 крутящий момент вызывает его планетарное движение относительно статора 2, которое при помощи приводного вала 5 преобразуется во вращательное движение долота (не показано). В работе полости проточных винтовых каналов 14 промывочная жидкость поступает соосно винтовой поверхности 12 статора 2 с шагом каждого из каналов 14, совпадающим с шагом винтовой поверхности статора 2. Винтовая поверхность 10 ротора 4 смазывается маслом 22 из замкнутой полости 21, часть которого поступает через ряды отверстий 24, продавливается выступами ротора 4 в направлении к рядам отверстий 23 и возвращается в полость 21. Часть смазки 22 вращается вместе с ротором 4 относительно поверхности оболочки 3, имеющей антифрикционное покрытие по краям оболочки 3. Flushing fluid 17 under a pressure of 140-60 atm through a string of drill pipes is fed into the flowing screw channels 14, the profile of which is closed, that is, all channels 14 are isolated from each other. The ability to supply flushing fluid is provided by a known technical solution - due to the difference in the number of protrusions (teeth) in them, i.e. the number of rotor teeth is one less than the number of stator teeth. The torque arising on the rotor 4 causes its planetary movement relative to the stator 2, which, with the help of the drive shaft 5, is converted into rotational movement of the bit (not shown). In the operation of the cavity of the flowing screw channels 14, the flushing fluid enters coaxially on the screw surface 12 of the stator 2 with a pitch of each channel 14 coinciding with the pitch of the screw surface of the stator 2. The screw surface 10 of the rotor 4 is lubricated with oil 22 from a closed cavity 21, part of which flows through the rows of holes 24, is pressed by the protrusions of the rotor 4 towards the rows of holes 23 and returns to the cavity 21. A part of the lubricant 22 rotates together with the rotor 4 relative to the surface of the casing 3 having an antifriction coating at the edges of Christmas tree 3.

Предлагаемое изобретение более чем в 20 раз увеличивает ресурс, повышает надежность двигателя, уменьшает вероятность потери долота в скважине. The present invention more than 20 times increases the resource, increases the reliability of the engine, reduces the likelihood of losing a bit in the well.

Источники информации:
1. Патент Германии DE 3019308 C2, E 21 B 4/02.Sources of information:
1. German patent DE 3019308 C2, E 21 B 4/02.

2. Патент России N 1717782 A1, E 21 B 4/02. 2. Patent of Russia N 1717782 A1, E 21 B 4/02.

3. Патент России N 1594258 A1, WE 21 B 4/02. 3. Patent of Russia N 1594258 A1, WE 21 B 4/02.

Claims

1. A rotary screw hydraulic motor comprising a hollow body, a multi-start gerotor mechanism located inside it, including a coaxially arranged stator, an elastic shell and a rotor installed inside the stator, as well as a drive shaft connected to the rotor, characterized in that a flexible shell is placed between the stator and a rotor, attached to the stator and mounted on the rotor with the possibility of rotation of the rotor relative to it, while between the inner surface of the stator and the outer surface of the shell formed screw channels, the profile of each of which is closed in cross section, coaxial with the helical surface of the stator, and the pitch of each channel coincides with the pitch of the helical surface of the stator.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the rotor is made with a closed cavity filled with a lubricating fluid, and rows of holes are made along the edges of the rotor, communicating the specified cavity with the outer surface of the rotor.