§ 10.3. ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Винтовой двигатель, предназначенный для бурения скважин, построен на базе героторного механизма с гипоциклоидным зацеплением (см. § 8.2) и кинематическим отношением z₂∕z₁ = 9/10.

В поперечном сечении механизма (рис. 12.5, А - А) имеются десять полостей, являющихся сечениями рабочих камер (шлюзов), разделенных контактными линиями. Общая площадь поперечного сечения шлюзов [12] где e- эксцентриситет; r- радиус зуба зацепления.

Рабочий объём двигателя, так же, как в насосе типа Муано, равен произведению площади шлюзов на шаг обоймы:

q = .

Крутящий момент и частоту вращения ротора можно определить по формулам

(10.4) и (10.5).

Рис. 10.5. Винтовой забойный двигатель [12]: 1- статор, 2- ротор, 3- шарнирное соединение, 4, 7- радиальные опоры, 5- корпус шпинделя, 6- осевая опора, 8- торцовое уплотнение, 9- вал шпинделя

Для определения влияния числа заходов винта z₂на эти показатели предположим, что габариты двигателя, расход жидкости и перепад давления на шаг остаются постоянными.

Наибольший диаметр полости статора

Используя обозначение c_e= e/ r, путём простого преобразования получим

формулу

которая показывает, что при заданных габаритах D_hи Tрабочий объём зависит только от функции q₀двух величин - параметра и числа заходов винта z₂.Графики этой функции и обратной ей величины для c_e= 0,5приведены на рис. 10.6.

Рис.

частоты вращения от кинематического отношения

Кривые графика изображают изменение крутящего момента и частоты вращения (при выбранных условиях) и наглядно показывают преимущество многозаходного механизма перед однозаходным в условиях, когда для бурения шарошечным долотом требуется низкооборотный двигатель с высоким крутящим моментом. В данном примере крутящий момент при z₂= 9приблизительно в 4 раза больше, а частота вращения вала во столько же раз меньше, чем при z₂= 1.

Двигатель и шпиндель связаны двухшарнирным соединением 3(см. рис. 10.5). Функции и устройство шпиндельной секции такие же, как в турбобурах. Резиновая обойма статора 1двигателя, привулканизированная к стальному корпусу, выполнена с начальным натягом по отношению к ротору. Это увеличивает трение в механизме, но способствует снижению утечки жидкости через щели между статором и ротором - утечки, которая возрастает по мере износа рабочих поверхностей. Существует некоторое оптимальное значение натяга, обычно составляющее доли миллиметров, при котором за время работы двигателя на забое его средняя эффективность будет наивысшей.

Для объяснения зависимости частоты вращения вала от нагрузки формулу (10.

представим в следующем виде:

При постоянном расходе Qи отсутствии утечки ∆Qчастота вращения вала двигателя не зависит от крутящего момента. В этом теоретическом случае двигатель обладает жёсткой характеристикой. В действительности характеристика M - n нежёсткая, что свидетельствует о наличии утечки, нарастающей по мере увеличения M.Это объясняется тем, что вместе с моментом возрастает перепад давления согласно формуле^[XIX]

Под действием внутреннего давления, а также силы инерции вращающегося по «орбите» ротора, происходит радиальная деформация упругой обоймы статора, приводящая к образованию зазора, несмотря на первоначальный натяг в паре ротор - статор.

Предположим для простаты, что момент сил трения не изменяется. Эксперименты показывают, что утечки жидкости через зазоры гидравлических машин изменяются практически пропорционально перепаду давления. Поэтому примем DQ = aDp.

Рис. 10.7. Характеристики винтового двигателя а - схематизированная, б - действительная

Тогда получим уравнение

с помощью которого и выражения (10.6), а также общих формул мощности N = 2πMnи КПД η = N / DpQможно построить кривые теоретической схематизированной характеристики двигателя при Q = idem(рис. 10.7, а).

Так же, как на кривой теоретической характеристики турбины, точка экстремального режима (N = N_max)расположена в середине графика. Максимум

КПД всегда приурочен к левой части кривой характеристики, что соответствует относительно малым нагрузкам (M₀