MECANISMO GEROTOR PARA MAQUINA HIDRAULICA DE TORNILLO.
Un mecanismo de tipo gerotor para una máquina hidráulica de tornillo,
dicho mecanismo comprende
un estator (1) que tiene dientes helicoidales interiores (2) hechos de un material elastoplástico, y
un rotor (3) que tiene dientes helicoidales externos (4) cuyo número es un diente menos que los del estator (1),
los pasos de las líneas de tornillo (T1, T2) en el estator (1) y el rotor (3) son proporcionales al número de sus dientes,
el eje (7) del rotor está desplazado con respecto al eje (6) del estator el valor de la excentricidad (E) que es igual a mitad de la altura radial de los dientes; caracterizado porque
los perfiles del rotor (3) y/o el estator (1) son perfilados en su corte transversal de final en forma de la evolvente del contorno inicial de un herramienta de tipo cremallera, cuyo contorno se forma por la conjugación de arcos de círculo cuando dicho contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera se desplaza sin deslizarse a lo largo de círculos de herramienta correspondientes,
los radios de los arcos de círculo del contorno inicial se calculan según las expresiones siguientes:
ri = K [(p2rw12/4Ez12)+E]/(K+1) ó ri = K [(p2rw22/4Ez22)+E]/(K+1),
rc = ri/K,
donde
ri es el radio inicial del perfil de la herramienta de tipo cremallera,
K = (0,5...2) es el coeficiente de forma del contorno inicial,
rw1, rw2 son los radios de los círculos de la herramienta del rotor y el estator, respectivamente
E es la excentricidad de engrane,
z1, z2 son los números de dientes del estator y el rotor, respectivamente;
rc es el radio conjugado del perfil de herramienta de tipo cremallera
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/RU2004/000031.
Solicitante: OBSCHESTVO S OGRANICHENNOI OTVETSTVENNOSTYU FIRMA RADIUS-SERVIS.
Nacionalidad solicitante: Federación de Rusia.
Dirección: UL. GEROEV KHASANA, 50,PERM, 614022.
Inventor/es: ANDOSKIN,VLADIMIR NIKOLAEVICH, ASTAFIEV,SERGEI PETROVICH, PUSHKAREV,MAKSIM ANATOLIEVICH, GLINKIN,ALEKSEI SERGEEVICH, FADEEV,MIKHAIL VALERIEVICH.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 30 de Diciembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03C2/08 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03C MOTORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO ACCIONADOS POR LIQUIDOS (motores de desplazamiento positivo de líquidos y fluidos comprensibles F01; máquinas de desplazamiento positivo de líquidos F04; dispositivos de maniobra que funcionan por presión de fluido F15B; transmisiones por fluido F16H). › F03C 2/00 Motores de pistón rotativo (en los cuales el líquido desplaza exclusivamente uno o varios pistones en movimiento alternativo en cilindros rotativos F03C 1/24). › del tipo engrane de toma continua, es decir, con engrane de los órganos cooperantes similar al de un engranaje dentado.
- F04C2/08B2
- F04C2/107B2B
Clasificación PCT:
- F01C1/107 F […] › F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR. › F01C MAQUINAS O MOTORES DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (motores de combustíon F02; aspectos de la combustión interna F02B 53/00, F02B 55/00; máquinas de líquidos F03, F04). › F01C 1/00 Máquinas o motores de pistón rotativo (con los ejes de los órganos cooperantes no paralelos F01C 3/00; con las paredes de las cámaras de trabajo deformables por resiliencia, al menos parcialmente F01C 5/00; con anillo fluido o dispositivo análogo F01C 7/00; máquinas o motores de pistón rotativo en las cuales el fluido de trabajo es exclusivamente desplazado, o exclusivamente desplaza a uno o más pistones alternativos F01B 13/00). › con dientes helicoidales.
- F04C2/08 F […] › F04 MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS PARA LIQUIDOS O PARA FLUIDOS COMPRESIBLES. › F04C MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (motores movidos por líquidos F03C ); BOMBAS PARA LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (bombas de inyección de combustible para motores F02M). › F04C 2/00 Máquinas o bombas de pistón rotativo (con los ejes de los órganos cooperantes no paralelos F04C 3/00; con las paredes de la cámara de trabajo que se deforman al menos parcialmente por resiliencia F04C 5/00; con anillo de fluido o similar F04C 7/00; bombas de pistón rotativo especialmente adaptadas a fluidos compresibles F04C 18/00, F04C 19/00; máquinas o bombas de pistón rotativo en las cuales el fluido energético se desplaza exclusivamente por uno o más pistones alternativos o se desaloja por ellos F04B). › del tipo de engrane de toma continua, es decir, con engrane de los órganos cooperantes similar al de un engranaje dentado.
Clasificación antigua:
- F01C1/107 F01C 1/00 […] › con dientes helicoidales.
Fragmento de la descripción:
Mecanismo gerotor para máquina hidráulica de tornillo.
Ámbito de la invención
La invención se refiere a mecanismos de tipo gerotor de motores de tornillo de fondo de perforación usados para perforar los pozos de petróleo y de gas, a las bombas de tornillo empleadas para extraer petróleo y bombear fluidos, y también se refiere a motores hidráulicos de tornillo de uso general.
Antecedentes de la invención
Se conoce un mecanismo de tipo gerotor de tornillo de paso múltiple para motor de tornillo de fondo perforación, que comprende: un estator que tiene dientes helicoidales interiores hechos de un material resistente y elástico, por ejemplo de caucho; y un rotor que tiene dientes helicoidales externos, el número de dientes externos es un diente menos que el de dientes de estator; el eje del rotor está desplazado con respecto al eje del estator el valor de la excentricidad que es la mitad de altura radial de los dientes; los perfiles de los dientes externos del rotor y los dientes interiores del estator se envuelven mutuamente cuando se visualizan en la sección de la cara del final; y los pasos de los dientes del rotor y el estator son proporcionales a su número de dientes (véase la patente RU 2165531, IPC F01C 1/16, 5/04, E21B4/02, 2000).
En los diseños de la técnica anterior, los perfiles de los dientes del estator y el rotor, cuando se visualizan en la sección de la cara del final, son implementados en la práctica como evolventes del contorno inicial común de la cremallera cicloidal definida por la equidistancia cicloidal restringida. En esta sección de la cara del final, el grosor Ct del diente de estator a través del diámetro medio Dm de los dientes y el paso St de estos dientes están interrelacionados según la relación siguiente: Ct/St = 0,45..0,65; y el grosor CN del diente de estator a través del diámetro medio Dm, cuando se visualiza en la sección perpendicular a la dirección de la línea de espiral del diente de estator, y la altura radial h del diente de estator están interrelacionados según la relación siguiente: CN/h
Un inconveniente de este mecanismo de tipo gerotor conocido consiste en que la interferencia diametral total en el mecanismo se distribuye entre los dientes del estator de manera que la proyección del diente de estator se deforma considerablemente más que su espacio, de modo que el eje del rotor puede desplazarse hacia la disminución de excentricidad y, por consiguiente, la cinemática diseñada del mecanismo de tipo gerotor puede desviarse, el desgaste de los ápices de los dientes del rotor y del estator puede hacerse más intenso, la interferencia en la zona en el punto de paso puede debilitarse y la vida de servicio de un mecanismo de tipo gerotor puede hacerse más breve.
Dicho inconveniente es mitigado parcialmente en el mecanismo de tipo gerotor, que comprende: un estator que tiene dientes helicoidales interiores hechos de un material resistente y elástico, por ejemplo de caucho; y un rotor que tiene dientes helicoidales externos, el número de dichos dientes externos es un diente menos que el de los dientes del estator; el eje del rotor está desplazado con respecto al eje del estator el valor de la excentricidad que es la mitad de la altura radial de los dientes; los pasos de los dientes helicoidales del rotor y el estator son proporcionales al número de sus dientes [patente RU 2166603, IPC E21B 4/02, 2000].
El perfil de los dientes del estator, cuando se visualizan en la sección de la cara del final, se implementa como la evolvente del contorno inicial de la cremallera cicloidal definida por la equidistancia que tiene el radio RC1 de cicloide restringido; y el perfil de los dientes del rotor, cuando se visualiza en la sección de la cara del final, se implementa como la evolvente del otro contorno inicial de la cremallera cicloidal que tiene el radio RC2 de equidistancia, dicho radio es mayor que RC1 u obedece a la relación siguiente: RC2 = RC1 + (0,1..0,5)E, donde E es el radio de círculo de generación que es igual al valor de excentricidad [véase dicha patente número 2166603].
Otra versión de dicho diseño conocido de un mecanismo de tipo gerotor es tal que el perfil de los dientes del estator, cuando se visualiza en la sección de la cara del final, se implementa como la evolvente del contorno inicial de la cremallera cicloidal definida por la equidistancia que tiene el radio RC1 de cicloide restringido; el perfil de los dientes del rotor, cuando se visualiza en la sección de la cara del final, se define por los arcos circulares conjugados; la proyección del diente del rotor está definida por el arco del radio RB, cuyo radio es mayor que el radio RC1 de la equidistancia del estator, o se interrelaciona con dicho radio según la relación siguiente: RC2 = RC1 + (0,1..0,5)E, y el perfil del espacio del diente del rotor está definido por el arco que tiene radio Rv, dicho radio depende del número de dientes del rotor, el diámetro interior y la excentricidad de dicho rotor (véase dicha patente 2166603].
Un inconveniente del susodicho diseño es como sigue: cuando ocurren las interferencias laterales y diametrales, distribuidas regularmente, surgen altas tensiones de contacto y alcanzan su máximo en ángulos mínimos de presión, que dan lugar a desgaste por fricción en un lado de los dientes (en el lado izquierdo de los dientes del rotor, cuando se visualiza desde el lado de entrega de fluido de trabajo), y las fuerzas de fricción, que se desarrollan en el engranado, provocan los momentos de resistencia que impiden que el rotor gire sobre su eje y su movimiento planetario, cuyas circunstancias perjudican a las características de energía de un mecanismo dado.
El dispositivo más aplicable a la invención reivindicada es un mecanismo de tipo gerotor de múltiples pasos de un motor hidráulico de tornillo, que comprende los componentes siguientes: un estator que tiene dientes helicoidales interiores de un material resistente y elástico, por ejemplo de caucho; y un rotor que tiene dientes helicoidales externos cuyo número es un diente menos que los dientes del estator; el eje del rotor que ha sido desplazado con respecto al eje del estator por el valor de excentricidad que es igual a la mitad de la altura radial de los dientes, el perfil de la cara del final de los dientes de uno de los componentes se implementa como la evolvente del contorno inicial de la cremallera definida por la equidistancia del cicloide restringido con un desplazamiento; y el perfil de cara del final del diente del otro componente se implementa como la equidistancia de evolvente del primer componente cuando sus centroides se hacen girar alrededor sin deslizamiento, y el valor de equidistancia que es la mitad del valor de la interferencia diametral en el engrane (patente RU 2194880, IPC F04C 2/16, F04C 5/00, 20.12.2002].
Un inconveniente de dicho diseño consiste en que no tiene en cuenta las condiciones de deslizamiento de los dientes helicoidales del rotor en los del estator, es decir en la zona más alejada del centro inmediato de giro (desde el punto de paso), donde las velocidades de deslizamiento son las mayores; y debido a la interferencia regularmente distribuida allí ocurre un desgaste más severo de los dientes elásticos y resistentes del estator y del revestimiento de resistencia al desgaste de los dientes del rotor. Otro inconveniente consiste en que las condiciones de funcionamiento del mecanismo de tipo gerotor no son consideradas (temperatura, naturaleza de las cargas que ocurren en la perforación de rocas de varias durezas y composiciones); por ejemplo, para los pozos calientes que tienen una temperatura de trabajo por encima de 100ºC, se requiere el uso de los mecanismos de tipo gerotor que tienen holgura en el engrane del estator con el rotor. El uso, en tales pozos, de mecanismos de tipo gerotor que tienen la interferencia de engrane puede causar un desgaste más severo, una caída aguda de la eficiencia y el agarrotamiento de un mecanismo. Otro inconveniente del dispositivo conocido es la carencia de la posibilidad de variar la interferencia y el ajuste de correlación de formas de los dientes del rotor y el estator sin cambiar los diámetros externos del rotor y/o estator, lo que no permite proporcionar un ajuste fiable a lo largo de las líneas de contacto en el mecanismo de tipo gerotor, con interferencia cero en el engrane.
Resumen de la invención
La técnica resuelta por la invención...
Reivindicaciones:
1. Un mecanismo de tipo gerotor para una máquina hidráulica de tornillo, dicho mecanismo comprende
un estator (1) que tiene dientes helicoidales interiores (2) hechos de un material elastoplástico, y
un rotor (3) que tiene dientes helicoidales externos (4) cuyo número es un diente menos que los del estator (1),
los pasos de las líneas de tornillo (T1, T2) en el estator (1) y el rotor (3) son proporcionales al número de sus dientes,
el eje (7) del rotor está desplazado con respecto al eje (6) del estator el valor de la excentricidad (E) que es igual a mitad de la altura radial de los dientes; caracterizado porque
los perfiles del rotor (3) y/o el estator (1) son perfilados en su corte transversal de final en forma de la evolvente del contorno inicial de un herramienta de tipo cremallera, cuyo contorno se forma por la conjugación de arcos de círculo cuando dicho contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera se desplaza sin deslizarse a lo largo de círculos de herramienta correspondientes,
los radios de los arcos de círculo del contorno inicial se calculan según las expresiones siguientes:
donde
ri es el radio inicial del perfil de la herramienta de tipo cremallera,
K = (0,5...2) es el coeficiente de forma del contorno inicial,
rw1, rw2 son los radios de los círculos de la herramienta del rotor y el estator, respectivamente
E es la excentricidad de engrane,
z1, z2 son los números de dientes del estator y el rotor, respectivamente;
rc es el radio conjugado del perfil de herramienta de tipo cremallera.
2. El mecanismo de tipo gerotor para una máquina hidráulica de tornillo según la reivindicación 1, en el que el perfil de una mitad de cada uno de los dientes en el corte transversal de final del rotor (3) y/o el estator (1) se define como la evolvente del contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera formado por la equidistancia del cicloide restringido cuando el contorno inicial de la herramienta de tipo cremallera se desplaza sin deslizarse a lo largo del círculo de herramienta correspondiente.
3. El mecanismo de tipo gerotor para una máquina hidráulica de tornillo según la reivindicación 1, en el que los dientes helicoidales interiores del estator (1) se hacen de caucho.
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