КЛАССИФИКАЦИЯ ВИНТОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Многолетний отечественный и зарубежный опыт создания ВЗД и анализ патентной и технической литературы позволяют предложить их классификацию по следующим признакам.
1. По кратности действия рабочих органовразличают двигатели с однозаходным ротором (z2 = 1) и многозаходные двигатели 
> 1), в которых ротор и статор имеют многозаходные винтовые поверхности.
Рис. 1.5. Влияние кинематического отношения на характеристики ВЗД
Кратность действия определяет число циклов в рабочих камерах гидромашины за один оборот вала. Цикл одновинтовой гидромашины соответствует процессу вытеснения объема замкнутой камеры (шлюза) и совершается на периоде между контактом смежных зубьев ротора с фиксированной впадиной статора.
Кратность действия, зависящая от кинематического отношения РО, равна числу заходов внутреннего элемента z2 и определяет рабочий объем ВГМ. Кратность действия является основным параметром ВЗД, что наглядно иллюстрируется теоретическими кривыми (рис. 1.5), полученными во ВНИИБТ в 1972 г. [87] и в дальнейшем повсеместно используемыми при обосновании выбора РО ВЗД.
Отечественные ВЗД имеют многозаходные РО. Зарубежные компании производят двигатели как с однозаходным ротором, так и с многозаходными РО (гл. 2).
2. По кинематике рабочих органов.Согласно классификации ВГМ, предложенной Д.Ф. Балденко и М.Г. Бидманом [21], для осуществления рабочего процесса необходимо и достаточно, чтобы кинематика ротора и статора соответствовала одному из четырех вариантов взаимодействия, приведенных на рис. 1.6 и табл. 1.1.
|
|
|
Рис. 1.6. Варианты взаимодействия ротора и статора ВГМ
Таблица 1.1
| Вариант компоновки (см. рис. 1.6) | Наружный элемент А рабочих органов | Внутренний элемент Б рабочих органов |
| I II III IV | Неподвижен, ось совпадает с осью двигателя Вращается вокруг своей оси, совпадающей с осью двигателя Вращается вокруг оси элемента Б Совершает планетарное движение вокруг оси элемента Б | Совершает планетарное движение вокруг оси элемента А Вращается вокруг оси элемента А Вращается вокруг своей оси, совпадающей с осью двигателя Неподвижен, ось совпадает с осью двигателя |
Компоновка двигателя во многом определяется конструктивными средствами, обеспечивающими возможность выполнения планетарного движения одного из элементов РО.
Наиболее распространен вариант I компоновки, характеризующийся неподвижным наружным элементом и планетарно-вращающимся внутренним. Этот вариант имеет следующие преимущества:
разделение полостей высокого и низкого давления осуществляется внутри РО, т.е. не требуется каких-либо дополнительных сальниковых устройств;
|
|
|
имеется возможность непосредственно соединять статор с колонной бурильных труб (реактивный момент на статоре закручивает резьбовые соединения бурильных труб).
Двигатели с РО по варианту II, очевидно, целесообразно применять в компоновках низа бурильной колонны (КНБК), предназначенных для поддержания вертикальности скважины или при необходимости расширения ствола, поскольку на наружной поверхности вращающегося статора весьма просто разместить опорно-центрирующие или режущие элементы. Однако этот вариант имеет существенный недостаток - необходимость уплотнения между неподвижным корпусом и вращающимся статором.
На практике вариант II компоновки был использован французской фирмой "Schlumberger" в двигателе "Gerotor" [164], а также в экспериментальном отечественном двигателе для стабилизации КНБК без вращения колонны бурильных труб.
В начале 70-х годов ВНИИБТ предложил конструкцию ВЗД с подвижным статором, кинематически аналогичную варианту III [92]. От известных двигателей он отличается тем, что соединение подвижного статора и колонны бурильных труб выполнено в виде гибкой трубы. Компоновка забойного двигателя позволяет использовать в качестве гибкой трубы элемент бурильной колонны.
|
|
|
Практическое применение варианта IV компоновки пока неизвестно, хотя теоретически использование его может способствовать повышению эффективности разрушения горных пород и увеличению скорости бурения.
3. По конструктивной компоновкеразличают шпиндельные и бесшпиндельные двигатели. Большая часть двигателей выпускается в шпиндельном исполнении, с вынесением осевой и радиальных опор в отдельный автономный узел, расположенный под РО.
Принципиально возможны конструкции двигателей в бесшпиндельном исполнении. Наиболее актуальна такая компоновка для двигателей с ограниченным осевым габаритом.
4. По конструкции силовой секции(секции РО) различают монолитные и секционные двигатели.
В большинстве случаев РО двигателей выполняются в монолитном исполнении длиной в 2-3 шага статора.
Секционные двигатели характеризуются последовательным расположением стандартных РО. Роторы секционных двигателей обычно соединяются между собой посредством гибких валов или шарниров, статоры - резьбовыми переводниками. Основная цель секционирования - повышение крутящего момента двигателя или снижение контактных напряжений в РО.
|
|
|
В ряде случаев при создании многошаговых конструкций РО используются модульные варианты. Например, двигатель типа ДММ имеет составной статор, выполненный из нескольких втулок, собранных в корпусе, и составной ротор, набранный из модулей, закрепленных на общем вале.
По конструкции секционных двигателей различают безориентированные и ориентированные модификации.
При ориентированной сборке секции соединяются таким образом, что они образуют единую винтовую нарезку и в идеале подобны монолитным РО.
Преимущество ориентированного соединения секций - снижение межвиткового перепада давления и перекашивающего момента.
5. По характеру распределения потока жидкостиразличают двигатели обычные и с разделенным потоком. Разделенный поток используется в схемах ВЗД, когда по технологическим соображениям необходимо часть жидкости пропустить через полый ротор, минуя камеры РО, и в схемах с параллельным соединением секций РО.
6. По конструкции ротора рабочих органовразличают двигатели с цельным и полым ротором.
Двигатели с наружным диаметром 88 мм и более, как правило, выполняются с полым ротором. Такое исполнение позволяет разместить в расточке ротора гибкий вал, а также снизить инерционные силы в машине.
Двигатели с наружным диаметром менее 88 мм выполняются с цельным ротором. Однако с развитием прогрессивных технологий (гидроштамповка, горячая прокатка) в будущем не исключено использование полых роторов во всех типоразмерах двигателей.
7. По конструкции узла соединения ротора и вала шпинделяВЗД выполняются в двух вариантах: шарнирном или торсионном (с гибким валом).
Первые отечественные двигатели (Д2-172М, ДЗ-172) оснащались двухшарнирными соединениями. В настоящее время почти во всех двигателях используются гибкие валы.
В некоторых случаях в двигателях с большим перекосом осей (более 1,5°) силовой и шпиндельной секций для повышения надежности используется комбинированная шарнирно-торсионная компоновка.
8. По конструкции шпинделяразличают ВЗД с открытым и маслозаполненным шпинделем.
В открытых шпинделях (они используются во всех серийных отечественных двигателях) узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором.
В маслонаполненных шпинделях узлы трения находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 0,1-0,2 МПа, превышающим давление окружающей среды.
9. По типу осевой опоры в шпинделеразличают забойные двигатели с опорами качения и скольжения.
Опоры качения выполняются в виде многоступенчатых радиально-упорных или упорных шарикоподшипников.
Опоры скольжения представлены многорядными упорными подшипниками. В отечественных конструкциях используется пара "обрезиненный подпятник - металлический диск".
Наибольшее распространение получили ВЗД с осевыми опорами качения.
10. По конструкции уплотнения вала шпинделяразличают шпиндели с торцевыми и многорядными лабиринтными уплотнениями.
Уплотнения вала устанавливаются для обеспечения эффективной работы гидромониторных работ.
11. По назначениюразличают двигатели: универсального применения (общего назначения); для наклонно направленного бурения;
для горизонтального бурения;
для ремонта скважин (буровых работ внутри обсадных колонн и насосно-компрессорных труб);
специального применения (например, двигатели для горизонтального бурения с вращением КНБК).
12. По наружному диаметрувыделяют ВЗД: обычного исполнения (диаметром 127 мм и более); малогабаритные (диаметром от 54 до 127 мм); миниатюрные (диаметром менее 54 мм).
13. По термостойкостиразличают двигатели:
в обычном исполнении для температуры до 100 °С;
термостойкие, предназначенные для бурения при забойной температуре 120+150 °С.
Термостойкость ВЗД определяется физико-химическими свойствами эластичной обкладки статора и клея, обеспечивающего крепление обкладки с металлом.
Для повышения термостойкости ВЗД используются специальные эластомеры, а также особые конструкции статоров, например со шлицевым креплением обкладки [15].
В отечественной практике термостойкие двигатели серийно не выпускаются. За рубежом ряд компаний предлагают ВЗД, предназначенные для работы в условиях забойной температуры до 150 "С.
14. По частоте вращения выходного валаразличают двигатели:
обычные (n = 80 
150 об/мин); быстроходные (n > 150 об/мин); тихоходные (n < 80 об/мин).
К обычным двигателям относятся двигатели типа Д в габарите 127-240 мм, к быстроходным - двигатели в габарите 54-88 мм. Тихоходные двигатели встречаются редко, к ним относится одна из модификаций двигателя ДК-108 [27].
15. По типу механизма искривленияразличают ВЗД с: кривым переводником с одним перекосом осей;
кривым переводником с двумя перекосами осей (двигатель DTU фирмы "Baker Hughes" [171];
регулируемым на поверхности кривым переводником (на устье скважины или в цеху) [47, 168, 174-177];
регулируемым на забое кривым переводником (система "Telepilot" Французского института нефти) [164];
шарнирным переводником.
Наибольшее распространение получили двигатели с переводником, расположенным между силовой и шпиндельными секциями.
16. По роду рабочего агентаизвестны двигатели, использующие жидкость (вода, глинистый раствор), воздух или газ, газожидкостную смесь.
17. По типу зацепления профилей рабочих органовразличают двигатели с гипо- и эпициклоидальным зацеплением [94]. Наибольшее распространение получили двигатели с гипоциклоидальным зацеплением РО.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И РАЗМЕРЫ ВЗД
По состоянию на 1 января 1998 г. в России в серийном и опытном производстве находилось около 40 типоразмеров ВЗД, которые выпускались пятью машиностроительными заводами. Основные технические показатели, технологические требования и комплектность поставки ВЗД регламентируются техническими условиями "Двигатели винтовые забойные" ТУ 366425-00147074-001-98 и СТП ВНИИБТ 1018-99.
За рубежом 22 компаниями выпускается также большое количество двигателей различного технического назначения (табл. 2.1). Известно, что при таком многообразии моделей рабочие органы двигателей за рубежом выпускаются тремя специализированными фирмами ("Moyno", "Roper Pumps" и PCM).
Таблица 2.1
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1603; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!