Принцип дії гвинтових двигунів

 

За принципом дії гвинтові вибійні двигуни належать до об’ємних роторних гідравлічних машин, багатозаходові робочі органи яких являють собою планетарно-роторний механізм із внутрішнім косозубим зачепленням. Це означає, що швидкість обертання без урахування протікань промивальної рідини не залежить від зовнішнього завантаження гвинтового двигуна, а момент визначається перепадом тиску.

Найхарактернішим представником гвинтових вибійних для буріння свердловин є гідравлічний двигун з однозахідним ротором. Робочим органом гвинтових двигунів є гвинтова пара, яка включає ротор і статор (рисунок 1.19).

 

1 – ротор; 2 – статор

Рисунок 1.19 – Робочі органи однозахідного гвинтового двигуна

 

Зовнішній корпус статора двигуна являє собою металеву трубу, яка всередині покрита гумовою обкладинкою. Для обкладинки використовують спеціальну гуму, яка має високий опір абразивному зносу і дії вуглеводнів. У процесі формування або литва під тиском для однозахідного ротора виготовляють двозахідну гвинтову поверхню статора.

Ротор двигуна виготовляють у вигляді однозахідного гвинта з високолегованої сталі. Зовнішня поверхня гвинта покрита кремом для зменшення абразивного зносу. У вибійних двигунах верхній торець ротора вільний, а нижній – зв’язаний зі шпинделем гідробура.

Основними елементами робочих органів об’ємних роторних машин є:

1 Статор – корпус з порожнинами, які кінцями прилягають до камер високого і низького тисків.

2 Ведучий ротор – гвинт, через який крутний момент передається виконавчому механізму.

3 Замикачі гвинтової поверхні, які призначені для герметизації робочих органів і запобігання перетікання рідини із камери високого тиску в камеру низького тиску.

Гвинтові поверхні статора і ротора поділяють робочий об’єм двигуна на ряд порожнин. Порожнини, які зв’язані з областями високого і низького тисків називаються камерами, а замкнуті порожнини - шлюзами (рисунок 1.19).

В поперечному перерізі є камери, які розділені між собою контактною лінією. Кожна камера у міру обертання періодично сполучається з порожнинами високого і низького тиску і в кожний заданий момент часу стає шлюзом. Теоретично на довжині одного кроку відбувається розмежування порожнин, розташованих вище і нижче робочих органів.

Нарізки поверхонь гвинтів ротора і статора, взаємно перетинаючись, відсікають область високого тиску рідини від області низького тиску і перешкоджають вільній циркуляції рідини. Під дією зростаючого тиску рідини на ведучому гвинті утворюється крутний момент, який передається виконавчому механізму. Внаслідок того, що робочі порожнини двигуна замкнуті, то чим більший перепад тиску на двигуні, тим більший створюється крутний момент. За принципом дії гвинтовий двигун можна порівняти з поршневою машиною, оснащеною поршнем, який переміщується вздовж осі ротора по гвинтовій лінії. Роль поршня виконують відсікаючи поверхні гвинтового ротора.

В кожному поперечному перерізі кінематика робочих органів характеризується двома початковими колами, одне з яких, що належить ротору, обкочується всередині другого, яке належить статору, без ковзання з постійною кутовою швидкістю (рисунок 1.20). Тому у гвинтових машинах ротор здійснює планетарний рух. Зміщення осі ротора відносно осі статора називається ексцентриситетом двигуна («е»).

Рисунок 1.20 – Кінематика робочих органів гвинтових двигунів з різним числом заходів роторів

 

Однозахідний ротор не симетричний відносно центра свого початкового кола. Тому переріз ротора являє собою круг з центром " ", а переріз статора – овал, симетричний відносно точки " " з півколами на кінцях (рисунок 1.20). Гвинтові машини з однозахідним ротором прості за конструкцією і тому широко застосовують у різних галузях промисловості.

Можливість застосування гвинтового двигуна для створення вибійного гідравлічного обумовлена такими основними факторами:

а) відсутність клапанних, або золотникових розподілювачів потоку рідини.

б) тертя в парі ротор-статор характеризується в основному коченням, оскільки в точках контакту робочих органів мають місце миттєві ковзання при мінімальних відносних пробігах деталей, які труться.

в) безперервна зміна положення лінії контакту робочих органів при обертанні ротора дозволяє потоку промивальної рідини видаляти абразивні частинки, які попадають у камери і шлюзи.

Для створення в робочих органах об’ємних гвинтових двигунів шлюзів, теоретично відмежованих від областей високого і низького тисків, необхідно і достатньо виконання таких умов:

1 Кількість зубів, або заходів статора (зовнішнього елемента) , повинно бути на одиницю більше від кількості зубів ротора (внутрішнього елемента) .

2 Відношення кроків статора до кроку ротора повинно бути пропорціональне відношенню кількості зубів на статорі і роторі :

.

3 Довжина робочих органів двигуна повинна бути не меншою ніж крок гвинтової поверхні статора .

4 Профілі зубів статора і ротора повинні бути взаємно обгинаючими і знаходитися у безперервному контакті між собою у довільній фазі зачеплення.

Відношення кількості зубів ротора до кількості зубів статора називається кінематичним відношенням механізму " і "

.

Гвинтову машину можна сконструювати теоретично з будь-яким кінематичним відношенням.

Аналітичні дослідження, проведені в ВНДІБТ показали, що вихідні параметри гвинтових двигунів при різних кінематичних відношеннях робочих органів суттєво відрізняються. На рисунку 1.21 показана характеристична залежність робочих параметрів (моменту і частоти обертання) від кінематичного відношення гвинтового двигуна при постійній витраті рідини (25 л/с) і перепаді тиску на крок (1 МПа). З рисунка 1.21 видно, що двигуни з малозахідними гвинтовими механізмами мають великі швидкості обертання при мінімальних крутних моментах. Зі збільшенням західності ротора зростає крутний момент і знижується швидкість обертання. Це обумовлено тим, що гвинтовий механізм з багатозахідним ротором одночасно виконує роль двигуна і редуктора, передаточне число якого пропорційне західності ротора.

 

Рисунок 1.21 – Графіки залежності частоти обертання і моменту на валу від кінематичного відношення гвинтового двигуна.