Конструктивні особливості гвинтових вибійних двигунів

 

Конструктивно вибійний гвинтовий двигун складається з гвинтової пари, шпинделя, двошарнірного або карданного вала, який з’єднує ротор двигуна з валом шпинделя і переливного клапана, який встановлюється над двигуном (рисунок 1.22).

1 – перехідник; 2 – корпус двигунної секції; 3 – статор; 4 – ротор;

5 – карданний вал; 6 – корпус шпинделя; 7 – торцевий сальник;

8 – багаторядний радіально-осьовий підшипник; 9 – радіальна гумометалева опора; 10 – вал шпинделя

Рисунок 1.22 – Гвинтовий вибійний двигун Д2-172

Основним робочим органом гвинтового вибійного двигуна є гвинтова пара, яка складається зі статора і ротора.

Статор являє собою металеву трубу, до внутрішньої поверхні якої привулканізована гумова обкладинка, яка має спеціально профільовані гвинтові зуби лівого напрямку.

Ротор виготовлений із високолегованої сталі і має гвинтові зуби (на один менше ніж статор) лівого напрямку і розміщений ексцентрично відносно осі статора.

Довжина кроку ротора відноситься до довжини кроку статора як кількість зубів ротора до кількості зубів статора.

У результаті такого співвідношення кроків, а також внаслідок відповідного профілювання гвинтові зуби ротора і статора знаходяться у безперервному контакті по всій довжині робочих органів, що забезпечує розподіл порожнин високого і низького тисків та здійснення робочого процесу.

Під дією потоку промивальної рідини ротор обкочуючись по зубах статора здійснює планетарний рух. Кінематичний зв'язок ротора зі статором через зуби дозволяє знижувати швидкість обертання шпинделя гвинтового вибійного двигуна.

Праве обертання ротора (за годинниковою стрілкою) відносно власної осі здійснюється внаслідок лівого напрямку гвинтових поверхонь ротора і статора.

Робочими органами двигунної секції є багатозахідні гвинтові ротор і статор. Кількість зубів ротора на одиницю менша, ніж кількість зубів статора, а відношення кроку гвинтових ліній пропорційне кількості заходів (рисунок 1.23).

Рисунок 1.23 – Переріз гвинтових пар

Шпиндель призначений для передачі осьового навантаження на долото, сприйняття гідравлічного навантаження, яке діє на ротор, а також для сприйняття радіальних навантажень від карданного вала. Шпиндель складається з вала, корпуса, багаторядної осьової кульової опори і радіальної гумовометалевої опори та сальникового пристрою. До нижнього кінця вала шпинделя через наддолотний перехідник приєднується долото. Ущільнення вала шпинделя здійснюється з допомогою торцевих сальників.

Двошарнірний або карданний вал призначений для передачі обертання від ексцентрично розміщеного ротора на вал шпинделя, оскільки ротор здійснює планетарний рух в статорі з ексцентриситетом, що дорівнює половині висоти зуба.

Переливний клапан призначений для опорожнення і заповнення бурильної колони відповідно при підйомі і спуску бурильної колони, виключення холостого обертання двигуна і втрат промивальної рідини при цих операціях. При включенні бурових насосів він закривається і весь потік промивальної рідини попадає у гвинтовий двигун, а далі в долото.

Вузол з’єднання ротора і вихідного вала шпинделя може бути як у вигляді двошарнірного (карданного) вала, так і гнучкого вала.

Гвинтові вибійні двигуни за конструктивними ознаками поділяють на односекційні типу Д, секційні типу ДС, двигуни з пустотілим ротором, а також двигуни для буріння горизон­тальних свердловин та набору інтервалів кривизни типу ДГ.

Односекційні гвинтові вибійні двигуни типу Д містять двигунну і шпиндельну секції, які з’єднуються між собою з допомогою конічних різьб, двошарнірне карданне з’єднання або гнучкий вал, переливний клапан та перехідники (рисунок 1.22).

Секційні гвинтові вибійні двигуни типу ДС комплектують з двох - трьох двигунних секцій, які складаються з гвинтових пар двигунів типу Д, і однієї шпиндельної секції. Секціонування робочих органів сприяє підвищенню довговічності гвинтових пар і двигуна.

Для секціонування робочих органів двигуна розроблені різні варіанти з’єднання:

збирання з орієнтуванням робочих органів по гвинтовій лінії з жорстким з’єднанням роторів і статорів з допомогою перехідників (рисунок 1.24);

1 – клапан; 2 – перехідник з’єднувальний; 3 – втулка; 4 – статор;

5 – ротор; 6, 7, 9, 10 – перехідники; 8 – муфта; 11 – вал

Рисунок 1.24 – Схема двосекційного гвинтового двигуна із жорстким з¢єднанням робочих органів

 

збирання без орієнтування робочих органів з жорстким з’єднанням статорів та з’єднанням роторів з допомогою шарніра (рисунок 1.25) або гнучкого вала (рисунок 1.26).

1 – клапан; 2 – перехідник з’єднувальний; 3 – втулка; 4 – статор;

5 – ротор; 6 – муфта; 7,9,10 – перехідники; 8 – шарнір; 11 – вал

Рисунок 1.25 – Схема двосекційного гвинтового двигуна з жорстким з’єднанням статорів і шарнірним з’єднанням роторів

1 – клапан; 2 – перехідник з’єднувальний; 3 – втулка; 4 – статор;

5 – ротор; 6, 9, 10 – перехідники; 7, 11 – вал; 8 – муфта

Рисунок 1.26 - Схема двосекційного гвинтового двигуна з жорстким з’єднанням статорів і з’єднанням роторів з допомогою гнучких валів

З’єднання на конусах може бути надійним при виконанні обов’язкової умови встановлення зверху гвинтової пари з меншим зазором, тобто верхня секція має бути ведучою.

Гвинтові вибійні двигуни з пустотілим ротором дозволяють зменшити довжину і масу двигуна та суттєво підвищити стійкість вузла з’єднання ротора з валом шпинделя (рисунок 1.27).

Рисунок 1.27 - Схема гвинтового двигуна Д2-195 із пустотілим ротором

 

Ротор виготовляють з трубної заготовки методом фрезерування або штампуванням та з’єднують з валом шпинделя через торсіон, розміщений всередині ротора. Така конструкція двигуна дозволяє покращити енергетичну характеристику і коефіцієнт корисної дії та знизити рівень вібрацій двигуна.

За рахунок уніфікації приєднувальних елементів робочих органів і торсіона ці двигуни можуть бути секційоновані. У двигунах застосовують простий і надійний переливний клапан манжетного типу.

Гвинтові вибійні двигуни типу ДГ призначені для буріння інтервалів набору кривизни та горизонтальних свердловин. Двигуни типу ДГ мають укорочений шпиндель, оснащений опорно-центруючими елементами і корпусними шарнірами, які забезпечують ефективне буріння горизонтальних свердловин за потрібною траєкторією.