Винтовой двигатель – забойный агрегат с гидравлическим, приводимым в действие потоком бур. р-ра, закачиваемым в колонну с поверхности насосами.
Объемный двигатель действует от гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей.
Вытеснитель – рабочий орган, непосредственно совершающий работу под действием на него давления жидкости.
Объемные двигатели характеризуются следующими признаками:
1. наличием рабочих камер, которые периодически сообщают с входом или выходом машины, при этом жидкость наполняет каждую камеру или выталкивает из неё;
2. изменение давления в рабочей камере от начального до конечного постепенно вследствие изменения объема камеры или скачкообразного, вследствие сообщения камеры с выходом;
3. несущественной зависимостью усилий на рабочих органах двигателя от скорости движения жидкости в камерах.
Гидравлические двигатели (турбины) – функционируют при изменении момента количества движения жидкости в рабочих органах машины.
Такие двигатели характеризуются особенностями:
1. Рабочие органы двигателя выполнены в виде лопаточного аппарата, состоящего из ротора и статора, обтекаемого жидкостью;
2. В каналах двигателя циркулирует поток жидкости;
3. Взаимодействие между лопаточным аппаратом и жидкостью носит гидродинамический характер.
Отличительная особенность этих двигателей:
1. малая металлоемкость;
2. простота конструкции;
3. наличие развитых поверхностей трения и щелевых уплотнений.
Элементы рабочих органов:
1. статор – корпус двигателя с полостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давления;
2. ротор – вилт (ведущий), через который вращающий момент передается исполнительному механизму;
3. замыкатели – винты (ведомый), которые уплотняют двигатель, препятствует перетеканию жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давления.
Особенности принципа действия:
1. отсутствие быстро изнашивающих распределительных устройств (распределение жидкости по шлюзам рабочих органов осуществляется автоматически за счет соотношения числа зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора).
2. кинематика рабочих органов, в движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях, что снижает износ рабочей пары.
3. непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек качения ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси имеют возможность выноситься потоком из рабочих органов.
Шифр
ДР-190 (6/7)
Типы выпускаемых двигателей в габаритах 42-240 мм:
-"Д" - двигатели прямые;
-"ДР" - двигатели с регулируемым узлом искривления;
-"ДГР" - двигатели с укороченным шпинделем;
-"ДВ" - двигатели с повышенной частотой вращения.
190 – наружный диаметр
6/7 – заходность винтовой пары
ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. 1. Гидравлические: а) турбобуры; б) гидравлические двигатели объемного действия. 2. Электробуры. Турбобур - многоступенчатая турбина. Гидравлическая энергия потока жидкости приводит во вращение вал, соединенный с валом шпинделя и долотом. Турбобуры различаются по диаметру, числу секций, расположению и конструкции опор и устройству турбинных аппаратов. По устройству турбины: 1. низкометражные, высоконапорные, имеющие максимальную мощность, большую частоту вращения и значительный вращающий момент. 2. среднеметражные, имеют максимальный вращательный момент, среднюю частоту вращения при высоком расходе жидкости. 3. высокометражные, имеют максимальное отношение вращающего момента к частоте вращения. Многорядные осевые подшипники – 20…100 ч. Резинометаллические опоры – 50…150 ч. Турбобуры применяются диаметром от 127 до 240 мм, с числом ступеней от 52 до 369, длиной от 8,8 до 26 м, каждая секция 6…10 м. Шифр: А – турбина имеет изменяющуюся характеристику; Ш – шпиндельный турбобур. Частота вращения регулируется от 30 до 250 об/мин.
Для правильной работы винтового двигателя необходимо выполнение условий:
1. число зубьев статора z1 было на единицу больше числа зубьев ротора z2.
2. отношение шагов винтовых поверхностей статора Т и ротора t было пропорционально отношению числа зубьев T/t = z1/z2.
3. длина рабочих органов L должна быть не менее шага винтовой поверхности статора: L>=T.
4. профили зубьев статора и ротора должны быть взаимоогибаемы и находиться в непрерывном контакте между собой в любом любой фазе зацепления.
Отличительный параметр винтовых двигателей:
Кинетическое отношение механизма i выражена дробью: в числитель – число зубьев ротора, знаменатель – число зубьев статора.
1:2, 2:3, 3:4 : i=z2/z1.
Влияние кинематического отношения.
Двигатели с i=1:2, развивают частоты вращения и минимальные вращающие моменты. Их применение оправдано, при создании высокооборотного движения. По мере увеличения заходности ротора возрастает вращающий момент и уменьшается частота вращения.
Многозаходные рабочие органы характеризуются большей протяженностью контактных линий, по сравнению с органами i=1:2, что снижает механический и общий КПД многозаходного двигателя.
Многозаходные двигатели обладают большей нагрузочной способность и более жесткой характеристикой, эти параметры определяют стабильность объемного КПД. Многозаходные двигатели обладают относительно меньшей металлоемкостью и имеют значительно меньшую величину эксцентриситета.
Конструкция. Д2-172м.
Двигатель состоит из трех основных узлов: двигательной секции, секции шпинделя и клапана, которые соединяются между собой с помощью замковых резьб.
Секции двигательные включают: 1) статор; 2) ротор; 3) двух шарнирные соединения; 4) корпусные переводники.
Статор имеет десять внутренних винтовых зубьев левого направления, выполненных на обкладке из эластомера, при вулканизированной к расточке корпуса.
Ротор имеет девять винтовых зубьев левого направления, выполнен из каррозинностойкой стали или из конструкционной стали с хромированием зубьев. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зуба.
Отклонение образующих зубьев статора и ротора от прямолинейности не должна превышать 0,3 мм. Обкладка статора надежно прикреплена к его корпусу, а рабочая поверхность резины не должна иметь дефектов.
Для повышения прочности крепления обкладки в остове статора предусмотрены специальные карманы (выборки), а внутрь гладкой цилиндрической поверхности обкладки по концам статора запрессованы металлические кольца.
Корпус изготовлен из качественной конструктивной стали с высокой ударной вязкостью, а резьбовые соединения статора выполнены коническими с упором по торцам. В результате обеспечивается предохранение от самопроизвольного развенчивания и герметичность резьб.
Верхний конец полого ротора закрыт, пробкой и свободен, а к нижнему присоединено двухшарнирное соединение, преобразующие планетарное движение ротора в соосное вращение вала шпинделя.
Двухшарнирное соединение.
Вращающий момент передается через боковые поверхности эвольветных зубьев полумуфт и венца. Осевая нагрузка от ротора на вал шпинделя передается через центральный шар, расположенный в сферических расточках полумуфт.
Внутренняя полость шарнира заполнена консистентной смазкой и уплотнена массивными резиновыми кольцами, деформированными в осевом направлении затяжкой гаек для обеспечения радиального натяга по шейкам полумуфт .
Шпиндель.
Передает осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, воспринимает гидравлическую нагрузку, действующую на ротор двигателя, и уплотняет выходной вал, способствует созданию необходимого перепада давления на долоте.
Подшипники шпинделя воспринимают радиальные нагрузки, возникающие от действия долота и шарнирного соединения.
Опоры качения.
Многорядная упорная шаровая опора.
Осевая нагрузка передает от корпуса на вал шпинделя через резиновые подушки компенсаторов и шары.
Подшипник работает в среде промывочной жидкости, содержащей абразивные частицы, многорядное исполнение позволяет воспринимать забойную нагрузку.
Опоры качения имеют тороидальные дорожки качения.
Распределение осевой нагрузки по ступеням осевых опор достигается точностью изготовления и предварительной приработкой.
При эксплуатации двигателей с долотами, оснащенными гидромониторными насадками, для шпинделей предусмотрены сальники торцового типа.
Переливной клапан.
Предназначен для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при СПО на скважине. Клапан уменьшает гидродинамическое воздействие на пласт при спуске и подъеме колонны, устраняет холостое вращение двигателя, при этих операциях и потери промывочной жидкости.
В качестве запорного элемента использована резиновая манжета, взаимодействующая с седлом, коническая рабочая поверхность которого имеет с/с отверстий, сообщающих внутреннюю полость с затрубным пространством.
При СПО свободная кольцевая часть манжеты под действием сил упругости удалена от конической поверхности седла, и при этом обеспечивается свободный переток жидкости через клапан. При подачи жидкости под воздействием напора манжета перекрывает отверстие седла и вся промывочная жидкость направляется через центральный канал седла в двигатель.
Существующие конструкции: Д1-195, Д2-127, Д-127, Д-85, Д1-54.
Характеристика винтового двигателя.
Главная характеристика – зависимость момента от определяющего параметра мощности и КПД от момента сопротивления.
Режим холостого хода.
Отсутствие момента сопротивления на выходном валу. В этом режиме происходит запуск двигателя (давление 1-2МПа). Частота вращения максимальная.
По мере нагружения вала момент возрастает за счет увеличения перепада давления. Оси пропорциональны. Увеличение нагрузки способствует понижению частот за счет роста утечек, через контакты поверхности. Рост момента и мощности вызывает рост КПД двигателя.
Режим при максимальном КПД оптимальный (паспортные данные соответствуют режиму). Режим максимальной мощности – эффективный. Режимы между ними не совпадают. Зона устойчивой работы – между режимами. Баланс энергии зависит от правильно выбранного натяга рабочих органов. При натяге 0,2…0,6 мм, КПД – 40…50%. Объемный – 30…90%, общий гидромеханический КПД – 50…55%. Увеличение нагрузки на долото приводит к росту давления жидкости через дв-лем и момента. При достижении придельной величины момента двигатель остановится. Давление тормозного режима определяет герметичностью пары ротор – статор. После нарушения герметичности жидкость свободно протекает через двигатель. Величина тормозного момента определяет перегрузочную способность двигателя. В рабочей области скорость вращения прямо пропорциональна расходу жидкости, а вращающий момент не зависит от этого параметра:
n1 = n2 Q1/Q2