Принцип действия гидробуров

Наиболее характерным представителем винтовых машин для бурения скважин является гидравлический двигатель с одноза-ходным ротором, положенный в основу конструкции гидробура«Дайна Дрилл». Рабочим органом винтовых двигателей является пара, включающая ротор и статор (рис. 2). Наружный корпус статора двигателя представляет собой металлическую трубу, покрытую изнутри резиновой обкладкой. Для этой цели исполь­зуется специальная резина, вырабатываемая на основе синте­тического каучука, обладающая высоким сопротивлением абра­зивному износу и действию углеводородов. В процессе формиро­вания или литья под давлением для однозаходного ротора изго­тавливается двухзаходная винтовая поверхность статора.

Ротор двигателя выполняется в виде однозаходного винта из высоколегированной стали. Наружная поверхность винта

II – IIIII – IIIIV – IVV - V

Рис. 2. Рабочие органы однозаходного винтового двигателя:

1 — ротор; 2 — статор

покрыта хромом для снижения абразивного износа. В забойных двигателях верхний торец ротора свободен, а нижний — связан со шпинделем гидробура.

По принципу действия винтовые двигатели относятся к объем­ным роторным машинам. Основными элементами рабочих орга­нов таких машин являются:

статор-корпус с полостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давлений;

ведущий ротор-винт, вращающий момент которого пере­дается исполнительному механизму;

замыкатели винтовой поверхности, предназначенные для герметизации рабочих органов и предотвращения перетекания жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давле­ния.

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с областями вы­сокого и низкого давления, называются камерами (рис. 2), а замкнутые полости — шлюзами. В поперечном сечении имеются камеры, разделенные между собой контактной линией. Каждая камера по мере вращения периодически связывается с полостями высокого и низкого давления и в каждый заданный момент вре­мени становится шлюзом. Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находящихся выше и ниже рабочих органов.

Нарезки поверхностей винтов ротора и статора, взаимно пе­ресекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют свободной циркуля­ции жидкости. Под действием возрастающего давления жидкости на ведущем винте образуется вращающий момент, передаваемый на исполнительный механизм. Ввиду замкнутости рабочих поло­стей двигателя чем больше перепад давления на двигателе, тем

Рис. 3. Кинематика рабочих органов винтовых двигателей с различным

числом заходов роторов

больший создается вращающий момент. По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневой машиной, снаб­женной поршнем, перемещающимся вдоль оси ротора по винтовой линии. Роль поршня выполняют отсекающие поверхности винто­вого ротора.

В каждом поперечном сечении кинематика рабочих органов характеризуется двумя начальными окружностями (рис. 3), одна из которых, принадлежащая ротору, обкатывается внутри другой, отнесенной к статору, без скольжения с постоянной угло­вой скоростью. Поэтому в винтовых машинах ротор совершает планетарное движение. Смещение оси ротора относительно оси статора носит название эксцентриситета двигателя и обозна­чается буквой е.

Однозаходный ротор не симметричен относительно центра своей начальной окружности. Поэтому сечение ротора предста­вляет собой круг с центром а, а сечение статора — овал, сим­метричный относительно точки 0₂ с полуокружностями на кон­цах (рис. 3). Винтовые машины с однозаходным ротором простыпо конструкции и поэтому широко применяются в различных отраслях промышленности.

Возможность применения винтового двигателя для создания забойного гидравлического вращателя объясняется рядом факто­ров. Наиболее существенные из них:

1) отсутствие клапанных или золотниковых распределителей потока жидкости;

2) трение в паре «ротор—статор» характеризуется в основном качением, так как в точках контакта рабочих органов имеютместо мгновенные скольжения при минимальных относительных пробегах трущихся деталей;

3) непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку промывочной жидкости удалять абразивные частицы, подаваемые в камеры и шлюзы.

Условия создания шлюзов в паре ротор—статор объемных винтовых двигателей следующие:

1) число зубьев или заходов статора z₁ должно быть на еди­ницу больше числа зубьев ротора z₂;

2) отношение шага статора Т к шагу ротора t должно быть пропорционально отношению числа зубьев, т. е.

T / t = z₁ / z₂

Рис. 4. Зависимость рабочих параметров винтовых двигателей от кинематического отношения

Эти условия являются необходимыми и достаточными для созда­ния винтового двигателя. Отношение чисел зубьев ротора и статора называется кинематическим отношением механизма

i = z₁ / z₂

Винтовую машину можно сконструировать теоретически с лю­бым кинематическим отношением.

Аналитические исследования, проведенные во ВНИИБТ, пока­зали, что выходные параметры винтовых двигателей при различ­ных кинематических отношениях рабочих органов существенно раз­личаются. На рис. 4 показаны графики зависимости М_T= f(i) и n = f(i) полученные для двигателя с диаметром корпуса 172мм при постоянном расходе жидкости 25 л/с и перепаде да­вления на шаг 10 кгс/см². Графики показывают, что двигатели с малозаходными винтовыми механизмами развивают большие скорости вращения при минимальном вращающем моменте. По мере увеличения заходности ротора наблюдается рост вращающего момента и снижение частоты вращения. Это объясняется тем что винтовой механизм с многозаходным ротором выполняет роль двигателя и одновременно понижающего редуктора, передаточное число которого пропорционально заходности ротора.