ротор винтовой забойной гидромашины

Формула изобретения

Ротор винтовой забойной гидромашины для работы в агрессивно-абразивной среде, содержащий наружные винтовые зубья, имеющие выпуклые вершины и вогнутые впадины, включающий антикоррозионное износостойкое покрытие, отличающийся тем, что толщина покрытия на вершине зуба и толщина покрытия во впадине зуба связаны соотношением

h_a/h_f = (2 - 8),

где h_a - толщина покрытия на вершине зуба;

h_f - толщина покрытия во впадине зуба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к роторам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости.

Известен ротор винтового забойного двигателя для бурения скважин (см. патент СССР N 1829491, опубл. БИ N 28 за 1993 год, 30.07.93), содержащий наружные винтовые зубья, имеющие выпуклые вершины и вогнутые впадины. Указанный ротор выполнен из коррозионностойкой стали.

Недостатком этого ротора является то, что при работе в скважине на жидкостях, содержащих абразив, в условиях действия высоких удельных нагрузок от гидравлических сил и крутящего момента, выполнение ротора из коррозионностойкой стали является недостаточным для получения высокой наработки, он имеет низкую износостойкость. Как показала практика эксплуатации указанных роторов, износостойкость его составляет 50 - 70 часов.

Указанный недостаток частично устранен в роторе винтовой забойной гидромашины (см патент США N 4650549, опубл. 17.03.87 г.). Этот ротор содержит наружные винтовые зубья, имеющие выпуклые вершины и вогнутые впадины, и коррозионностойкое износостойкое покрытие. Коррозионностойкое износостойкое покрытие выполнено в виде гальванического хромового покрытия, имеющего равную толщину как по выпуклым вершинам, так и по вогнутым впадинам винтовых зубьев ротора.

Известный ротор с равномерным гальваническим хромовым покрытием имеет следующие недостатки.

Как показала практика, в роторе винтовой забойной гидромашины износ по выпуклым вершинам зубьев всегда больше, чем по вогнутым впадинам. А поскольку на винтовых зубьях данного ротора покрытие имеет одинаковую толщину как по выпуклым вершинам, так и по вогнутым впадинам зубьев, запаса на износ по вершинам зубьев нет. Таким образом, изделие выбраковывается, хотя покрытие по впадинам зубьев еще не изношено, дорогостоящий материал коррозионностойкого износостойкого покрытия используется непродуктивно.

Кроме того, нанесение равномерного коррозионностойкого износостойкого покрытия на поверхность ротора требует наличия дорогостоящей оснастки, что увеличивает стоимость ротора.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции ротора винтовой забойной гидромашины, в котором устранены вышеуказанные недостатки и который имеет повышенную долговечность при меньшей стоимости изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном роторе винтовой забойной гидромашины, содержащем наружные винтовые зубья, имеющие выпуклые вершины и вогнутые впадины, включающем антикоррозионное износостойкое покрытие, согласно изобретению, толщина покрытия на вершине зуба и толщина покрытия во впадине зуба связаны соотношением

h_a/h_f=(2-8),

где h_a - толщина покрытия на вершине зуба;

h_f - толщина покрытия во впадине зуба.

Как показала практика, износ наружной поверхности ротора винтовой забойной гидромашины происходит неравномерно, поэтому толщина покрытия ротора выбрана неодинаковой по профилю зуба для того, чтобы иметь запас по износу для наиболее изнашиваемой части профиля зуба и обеспечить утолщение покрытия на наиболее подверженных износу участках выступов зубьев ротора. Для того, чтобы специальная конфигурация коррозионностойкого износостойкого покрытия ротора не привела к недопустимой погрешности в зацеплении ротора со статором винтовой забойной гидромашины, этот элемент ротора взаимоувязан по геометрии с менее устойчивой к абразивно-агрессивным воздействиям основой ротора.

На фиг. 1 показан общий вид ротора винтовой забойной гидромашины;

на фиг. 2 приведено поперечное сечение ротора винтовой забойной гидромашины по линии А-А;

на фиг. 3 показан зуб ротора в увеличенном масштабе.

Ротор винтовой забойной гидромашины (фиг. 1, 2) содержит наружные винтовые зубья 1, имеющие выпуклые вершины 2 и вогнутые впадины 3, и антикоррозионное износостойкое покрытие 4. Износостойкое покрытие 4 нанесено на основу 5. Нижней частью ротор посредством конусного соединения 6 через гибкое соединение крепится к валу опорного узла (последние на чертеже не показаны).

Ротор винтовой забойной гидромашины работает следующим образом. Ротор размещается в статоре 7, имеющем внутренние винтовые зубья 8 из упруго-эластичного материала, например из резины. Число Z_р наружных винтовых зубьев 1 ротора на единицу меньше числа Z_ст внутренних винтовых зубьев 8 статора 7. Ось ротора O₁O₁ смещена относительно оси статора O₂O₂ на величину эксцентриситета Е. Промывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб (на чертеже не показаны), поступает в полость 9 между наружными зубьями 1 ротора и внутренними зубьями 8 статора 7. В результате винтового направления зубьев 1 и 8 соответственно ротора винтовой забойной гидромашины и статора 7 под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор приводится во вращение, при этом его ось O₁O₁ вращается вокруг оси O₂O₂ статора 7 против часовой стрелки по окружности радиуса E, а сам ротор поворачивается относительно своей оси O₁O₁ по часовой стрелке с уменьшенной в Z_р раз угловой скоростью. Окружная сила, соответствующая развиваемому крутящему моменту, воспринимается эластомерными зубьями 8 статора 7.

Ротор винтовой забойной гидромашины находится в жестких условиях абразивного износа, так как в рабочей жидкости часто присутствуют песчаные и глинистые фракции. Кроме того, в большинстве случаев применения подобных гидромашин в нефтегазодобывающей отрасли к жестким условиям абразивного износа добавляется неблагоприятное воздействие агрессивной сероводородной среды.

Исходя из многолетнего опыта применения конструкции ротора винтовой забойной гидромашины теоретически и экспериментально найдены пределы "разнотолщинности" коррозионностойкого износостойкого покрытия ротора, отраженные в зависимости

h_a/h_f=(2-8).

При увеличении отношения толщины покрытия на вершине 2 зуба 1 к толщине покрытия во впадине 3 зуба 1 более 8, получается более значимое увеличение покрытия на вершине зуба, чем во впадине, вследствие чего покрытие во впадине зуба ротора износится раньше. Кроме того, возрастает риск ухудшения покрытия на вершине зуба, исходя из особенностей процесса его нанесения, что приводит к дополнительным затратам на финишную обработку ротора.

Если отношение толщины покрытия на вершине 2 зуба 1 к толщине покрытия во впадине 3 зуба 1 менее 2, то получается обратный результат, то есть покрытие во впадине 3 зуба 1 ротора останется работоспособным, в то время как на вершинах 2 зуба 1 ротора оно уже износится, и ротор отбраковывается.

Как показали результаты испытаний роторов, выполненных по настоящему изобретению, стойкость их значительно возросла по сравнению с ранее применяемыми роторами. Наличие эффекта выравнивания износостойкости и коррозионностойкости по всей поверхности зубьев ротора, вытекающее из данного изобретения, благоприятно сказывается на эксплуатационных характеристиках ротора, так как продляет срок его службы и сокращает затраты на восстановление покрытия.