винтовой двигатель
Классы МПК: | F01C5/04 с упруго деформируемым элементом на внешнем элементе, например на корпусе F01C1/107 с винтовыми (геликоидальными) зубьями |
Автор(ы): | Тихонов О.В. |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью "БИТТЕХНИКА" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-10-06 публикация патента:
20.01.2000 |
Винтовой двигатель может быть использован при бурении нефтяных и газовых скважин. Профиль зуба ротора и статора выполнен дугой окружности, описывающей головку зуба, и двумя дугами окружностей, описывающих ножку зуба, центры этих окружностей расположены на оси симметрии ножки и головки соответственно, точки центров окружностей головки и ножки и точка сопряжения расположены на одной прямой, а углы между касательными в наивысшей и наинизшей точках профиля и прямыми, проведенными из центра ротора или статора, и угол, образованный касательной в точке пересечения дуг окружностей, описывающих головку и ножку зуба, и прямой, проходящей через центры этих дуг, равны 90o, отношения радиусов окружностей, описывающих головку и ножку зуба, находятся в пределах 0,08 - 2,5 соответственно. Упрощается проектирование зубьев рабочей пары ротор-статор, улучшаются эксплуатационные характеристики двигателя. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Винтовой двигатель, включающий рабочую пару статор-ротор, ротор размещен внутри статора с эксцентриситетом по отношению к оси статора, статор имеет внутреннюю зубчатую поверхность, ротор имеет внешнюю зубчатую поверхность, зубья находятся в положении зацепления, количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев, отличающийся тем, что профиль зуба выполнен тремя дугами окружностей, двумя - ножка зуба и одной - головка зуба, центры окружностей, описывающих ножку и головку зуба, расположены на оси симметрии ножки и головки соответственно, дуги окружностей в месте их сопряжения имеют общую точку и без самопересечения в ней, точки центров окружностей головки и ножки и точка сопряжения расположены на одной прямой, а углы![винтовой двигатель, патент № 2144618](/images/patents/327/2144011/945.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к буровой технике, к технике бурения нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин. Оно может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве гидравлических забойных винтовых двигателей и винтовых насосов. Известен винтовой забойный двигатель, содержащий ротор и статор с разницей в числах зубьев, равной единице, а также шпиндель, включающий вал, устройство для соединения ротора с валом шпинделя [1]. Известен винтовой забойный двигатель, содержащий ротор, статор с разницей в числах зубьев рабочей зоны, равной единице, торсион, размещенный в полости ротора и жестко соединенный с ротором и валом шпинделя [2]. Недостатком известных двигателей является то, что профиль зуба пары ротор-статор выполнен по циклоидальным кривым, не обеспечивающим стабильность работы двигателя. В результате на ротор действует перекашивающий момент, создаваемый гидравлическими силами, который в полосе зацепления нарушает стабилизацию движения ротора в статоре, увеличиваются объемные утечки и механические потери в рабочей паре, что в свою очередь снижает долговечность и нагрузочную способность двигателя. Известен винтовой двигатель [3] и винтовой двигатель [4], состоящие из охватывающего винтового вала с семью зубьями и охватываемого винтового вала с шестью зубьями, входящими в зацепление с зубьями вала первого, профиль рабочей поверхности зубьев одного вала образован соединенными последовательно дугами с радиусами с центром в точке пересечения делительной окружности с прямой, соединяющей центр вала одного и центр вала другого, дугами с радиусами с центром на линии продолжения прямой; прямой линии, пересекающейся под углом "![винтовой двигатель, патент № 2144618](/images/patents/327/2144011/945.gif)
Недостатками известных винтовых двигателей являются: сложное формирование профиля зубьев, образование рабочего профиля зубьев дугами в сочетании с прямыми линиями и кривыми, в местах сопряжения которых множество самопересекающихся участков профиля, что значительно усложняет изготовление инструмента и требует дополнительных затрат на сглаживание этих участков. Такой профиль зубьев увеличивает износ рабочей пары в месте зацепления зубьев. Известен двигатель [5], содержащий два вытеснительных элемента, смонтированных с возможностью вращения относительно друг друга, например зубчатое колесо. Количество зубьев кольцевого колеса на единицу превышает количество зубьев N-зубчатого колеса. Профиль зубьев по меньшей мере одного элемента на некоторых участках определяется трохоидой T=f (RC,E,RT) как функция радиуса базовой окружности RC, величины эксцентриситета E и радиуса образующей окружности RT. Из этих параметров по меньшей мере один должен периодически изменяться в окружном направлении с периодом, определяемым шагом зубьев. Недостатками устройства являются образование профиля зубьев из дугообразных и прямолинейных участков, определяемых трохоидой, рассчитанной по нескольким параметрам, что значительно усложняет профилеобразование зубьев, а места пересечения этих разновидных участков имеют перегибы, отрицательно влияющие на эксплутационные характеристики двигателя: увеличивают коэффициент трения в зоне зацепления зубьев и в местах перегибов, усложняют технологию изготовления инструмента формирующего профиль зубьев, уменьшают объем двигателя, ухудшают энергетические характеристики его. Известен двигатель [6], содержащий кольцевое зубчатое колесо с внутренними зубьями и зубчатое колесо с внешними зубьями, эксцентрично смонтированное внутри кольцевого зубчатого колеса. Внутренние и внешние зубья находятся в зацеплении. Количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев. Профиль внешних зубьев образован системой окружностей, центры которых лежат на трохоиде, которая образуется при обкатывании профильной окружности без проскальзывания по базовой окружности точкой, расположенной на линии, проходящей по радиусу профильной окружности. Форма зуба может быть образована концевыми точками системы отрезков прямой, расположенной под прямыми углами к трохоиде. Длина этих отрезков равна величине радиусов, образующих окружности. Трохоида охватывает замкнутую внутреннюю поверхность, отделяя ее от наружной поверхностей и нескольких промежуточных поверхностей. Отрезки прямой расположены только на внутренней поверхности. Недостатками устройства являются: сложность профилеобразования и получение самопересекающихся участков профиля, ухудшающих технологию эксплуатации двигателя, усложняющих технологию изготовления инструмента, а также требование последующей доводки поверхности до требуемых параметров. В качестве прототипа выбрано техническое решение [7] как наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности и положительному эффекту. Героторный винтовой двигатель, содержащий статор и ротор. Ротор размещен внутри статора с эксцентриситетом относительно продольной оси статора. Ротор и статор имеют зубья, которые находятся в зацеплении. Количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев. Профиль зубьев образован из долей дуг, объединенных общей касательной к этим дугам, а центры долей дуг расположены на окружности спирали статора или ротора, которая является центром, продольной осью статора или ротора (осью вращения). Недостатками устройства являются: сложность формирования профиля зубьев из-за выполнения головки и ножки зубьев сопряжением нескольких долей дуг с различными радиусами кривизны и образования в местах сопряжения самопересекающихся участков, которые в условиях эксплуатации рабочей пары статор-ротор увеличивают трение в местах зацепления зубьев и, следовательно, увеличивают износ двигателя. Место соединения дуг головки и ножки выполнено в виде прямой, которая является касательной для обеих объединяющихся дуг. Этот набор элементов, образующих профиль зубьев как ротора, так и статора, не является простым вариантом и не способствует оптимизации в профилеобразовании зубьев, усложняя как технологию изготовления инструмента, так и условия эксплуатации пары статора и ротора. Профилеобразование по этому принципу ограничивает способность проектирования в широком диапазоне влиять на эксплуатационные свойства двигателя. Технической задачей изобретения является упрощение оптимизации профиля зубьев рабочей пары двигателя путем образования профиля зуба дугой окружности головки и дугой окружности ножки зуба без пересечения в участке их сопряжения и улучшение энергетических характеристик двигателя. Техническая задача выполняется тем, что в известном героторном винтовом двигателе, включающем рабочую пару статор-ротор, ротор размещен внутри статора с эксцентриситетом по отношению к оси статора, статор имеет внутреннюю зубчатую поверхность, ротор имеет внешнюю зубчатую поверхность, зубья находятся в зацеплении, количество внешних зубьев на единицу превышает количество внутренних зубьев, полный профиль зуба выполнен тремя дугами окружностей, описывающих головку и ножку зуба, одной дугой окружности - головку зуба и двумя дугами окружностей - ножку зуба, центры окружностей, описывающих ножку и головку зуба, расположены на оси симметрии ножки и головки соответственно, дуги окружностей в месте их сопряжения имеют общую точку без самопересечения в ней, точки центров дуг окружностей головки и ножки зуба и точка сопряжения расположены на одной прямой, а углы наклона касательных в наивысшей и наинизшей точках профиля прямые, отношение радиусов окружностей, описывающих головку и ножку, равно 0,08-2,5 соответственно. На фиг. 1 изображена рабочая пара двигателя в поперечном разрезе; на фиг. 2 показана схема профилеобразования зуба ротора; на фиг.3 показаны варианты профилеобразования зуба ротора. Двигатель имеет рабочую пару: статор 1 и ротор 2 с одинаковыми углами наклона винтовой поверхности зубьев. Зубья ротора и статора состоят из головки 3 и ножки 4 - выпуклой и вогнутой частей соответственно (фиг. 1). Профиль зуба образован дугой окружности 5, описывающей головку 3 зуба, и дугами окружностей 6 и 7, описывающих ножку зуба 4 по обе стороны головки 3. Полный профиль зуба образован тремя дугами окружностей - одной дугой, описывающей головку 3, и двумя, описывающими ножку зуба 4 (фиг.2). Полупрофиль зуба образован двумя дугами окружностей, описывающих головку и ножку зуба с одной стороны. Центры дуг окружностей O1, O2, O3, O4, O5, описывающих головку зуба, и центры дуг окружностей, описывающих ножку зуба O6, O7, O8, O9, O10 возможных вариантов профилеобразования, расположены на оси симметрии Z головки 3 и ножки 4 (фиг.3) соответственно. Дуги окружностей 5 и 6, 7 (фиг.2) в месте их сопряжения имеют общую точку 8 без самопересечения дуг в ней. Возможные варианты предложенной схемы профилеобразования представлены на фиг.3, демонстрирующие, что реализуется схема плавного перехода дуг окружностей в точке сопряжения и за счет того, что центры этих окружностей и точка сопряжения расположены на одной прямой 9, а углы "
![винтовой двигатель, патент № 2144618](/images/patents/327/2144011/945.gif)
![винтовой двигатель, патент № 2144618](/images/patents/327/2144011/945.gif)
![винтовой двигатель, патент № 2144618](/images/patents/327/2144001/183.gif)
![винтовой двигатель, патент № 2144618](/images/patents/327/2144001/183.gif)
- упрощается проектирование профиля зубьев в связи с минимальным количеством элементов, образующих профиль и простой их взаимосвязи;
- проектирование профиля принципиально отличается от ранее существующих и прототипа отсутствием в точке сопряжения элементов проектирования участков излома, самопересечений, что значительно упрощает технологию изготовления инструмента, не требует дополнительных операций по сглаживанию профиля после обработки поверхности режущим инструментом (червячной фрезой);
- образование профиля зуба только тремя дугами окружностей надежно оптимизирует объем двигателя и приводит к увеличению объема по сравнению с полученным объемом по профилю, спроектированному в прототипе и других известных двигателях;
- появляется новая возможность увеличения объема уже существующих двигателей за счет обработки червячной фрезы способом, используемым в предлагаемом техническом решении. Для этого готовится специальная червячная фреза, позволяющая реализовать заданный профиль, предложенный изобретением. В связи с этим появляется перспектива "продления жизни" двигателям героторного типа, списанных ранее или требующих увеличения объема и улучшения энергетических характеристик;
- зубья профиля предложенной схемы образования могут быть получены и для рабочих пар винтовых насосов;
- в зоне трения рабочей пары по прототипу и в известных устройствах профили зубьев образованы с самопересечениями и изломами в точке или точках сопряжения элементов, описывающих головку и ножку зуба. Следовательно, трение сопровождается выбросом газов (H2, CO и CO2) в значительных количествах [8], что приводит к изменению физико-химических превращений в смазочных материалах и ухудшает работу пары, за счет ухудшения прочностных характеристик трущихся поверхностей;
- предлагаемый двигатель с рабочей парой ротор-статор имеет профиль зубьев, обеспечивающий, как показали испытания, работу поверхностей трения в режиме, обуславливающем уменьшение касательных напряжений и обеспечивающем длительную износостойкость контактирующей пары;
- уменьшение эффективной площади поверхности трения за счет предложенного профиля зубьев ротора и статора снижает потери энергии на скольжение поверхностей, уменьшает коэффициент трения и способствует уменьшению проникновения водорода в поверхностные слои рабочей пары двигателя и не ведет к увеличению хрупкости поверхности и повышению износа трущихся элементов, как это наблюдается в двигателях типа прототипа и например а. с. N 926209, МКИ E 21 B 4/02, где задачу по препятствию самоторможения в механизме решают более сложным путем расчета параметра Cт - отношение шага винтовой поверхности рабочего органа (ротора и статора) к его среднему диаметру и угла подъема винтовой линии;
- предложенные профили зубьев обеспечивают плотный контакт трущихся поверхностей в зоне зацепления и обеспечивают снижение утечки жидкости в рабочих органах двигателя;
- данный вид зацепления вследствие большего периметра зацепляющихся профилей позволяет снизить натяг в рабочей паре ротор-статор на 0,1-0,15 без потерь КПД из-за перетекания жидкости из камеры в камеру. Это дает увеличение КПД вследствие уменьшения момента трения в паре ротор-статор более чем в 4 раза. Например, при уменьшении натяга в паре на двигателе 95Д5685 на 0,1 дает уменьшение момента жидкостного трения в паре с 0,669 кг/м до 0,15 кг/м. Источники информации, принятые во внимание
1. А.С. N237596, МКИ F 04 С 5/02, 1969 г. (аналог). 2. Пат. США N 2028407, НКИ 418-48, 1936 г. (аналог). 3. Пат. Японии N 4-42554, МКИ F 04 C 18/16. 26.08.89 г. (аналог). 4. Пат. Японии N 4-51674, МКИ F 04 С 18/16, 20.06.86 г. (аналог)
5. Пат. PCT (WO) N 94/23208, МКИ F 04 C 2/00, 25.03.94 г. (аналог). 6. Пат. PCT (WO) N 94/23207, МКИ F 04 C 2/10, 13.10.94 г. (аналог). 7. Пат. США N 3168049, МКИ F 04 C 2/107, 02.02.65 г. (прототип). 8. Долговечность трущихся деталей машин. Сб.ст., вып.2, под ред. Д.Н. Гаркунова, М.: Машиностроение, 1987 г., с. 136-137, 152- 153.(аналог)
9. А.С. N 926209, МКИ, E 21 B 4/02 от 29.03.79 г. (аналог).
Класс F01C5/04 с упруго деформируемым элементом на внешнем элементе, например на корпусе
героторный гидравлический двигатель или насос - патент 2304688 (20.08.2007) | ![]() |
винтовой забойный двигатель - патент 2287655 (20.11.2006) | |
героторный гидравлический двигатель - патент 2232860 (20.07.2004) | |
забойный двигатель - патент 2224077 (20.02.2004) | |
героторный механизм винтового забойного двигателя - патент 2165531 (20.04.2001) | |
газовый мотор кашеварова гмк - патент 2093709 (20.10.1997) | |
многошаговый винтовой двигатель - патент 2075589 (20.03.1997) | |
обойма одновинтового насоса и способ ее изготовления - патент 2073094 (10.02.1997) |
Класс F01C1/107 с винтовыми (геликоидальными) зубьями