Устройство и способ регулирования или ограничения орбиты ротора в винтовых двигателях или насосах

Устройство и способ регулирования или ограничения орбиты ротора в винтовых двигателях или насосах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[1] Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к устройству и способам регулирования или ограничения положения ротора относительно статора в винтовом двигателе или насосе. В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к устройству и способам регулирования или ограничения положения ротора относительно статора в гидравлическом забойном двигателе.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[2] Винтовые двигатели или насосы, также называемые объемными двигателями или насосами, а также двигателями или насосами объемного действия, работают с захватом текучей среды в полости. Полости образуются в пространствах между ротором и статором, и относительное вращение между данными компонентами является механизмом, который обуславливает продвижение полости и ее проход вдоль оси по длине устройства от впускного конца к выпускному концу. Если ротор приводят во вращение, текучая среда продавливается вдоль него в полостях, и устройство работает, как насос. Если текучая среда подается насосом во впускной конец полости под более высоким давлением, чем давление на выпускном конце, силы, генерируемые на роторе, обуславливают его вращение, и устройство работает, как двигатель.

[3] Для вращения ротора в статоре и генерирования полостей, которые должны продвигаться в аксиальном направлении, профили обоих компонентов должны иметь специфические формы. Обычно ротор (2) должен являться винтообразным валом с формой сечения, аналогичной показанной на фиг. 1. Число заходов на роторе (2) может варьироваться от одного до любого числа. Статор (4) имеет профиль, который соответствует форме ротора (2), с числом заходов, варьирующимся между двумя и любым числом, примеры которого показаны на фиг. 2. В соответствующей паре ротор-статор число заходов на статоре (4) должно быть на единицу больше числа заходов на роторе (2). Сечение типичной комбинации ротора (2) и статора (4) показано на фиг. 3, ротор (2) имеет три захода, и статор (4) имеет четыре захода, ротор (2) размещен в статоре (4).

[4] Одна из поверхностей, часто поверхность статора (4), является упруго деформирующейся так, что уплотнения (6) могут поддерживаться между точками контакта ротора (2) и статора (4). Уплотнения (6) образуют множество полостей (8) между ротором (2) и статором (4) и обеспечивают относительное вращение между ротором (2) и статором (4). Сечения ротора (2) и статора (4) в общем остаются неизменными по длине двигателя или насоса (10), но поворачиваются с продвижением вдоль оси по винтовому профилю. Продольное сечение части двигателя или насоса (10) показано на фиг. 4.

[5] Ротор (2) не обязательно должен иметь фиксированную длину. Выбранная длина часто определяется ступенями, где одна ступень имеет длину полного оборота захода статора (4). Полости (8) образуются между статором (4) и ротором (2).

[6] Из сечений на фиг. 3 и фиг. 4 понятно, что геометрический центр ротора (2) не остается неподвижным относительно статора (4) при вращении ротора (2). В общем, если ротор (2) имеет два или больше заходов, траектория центральной точки по существу проходит по окружности с вариациями, обусловленными точными характеристиками профилей поверхности и деформациями упругих материалов, применяемых для поддержания уплотнений (6) между полостями. Как в варианте двигателя, где ротор (2) создает приводной крутящий момент, так и в варианте насоса, где ротор (2) является ведомым, требуется компоновка (12) приводного вала для преобразования планетарного вращения во вращение вокруг фиксированной оси. Данная компоновка (12) приводного вала имеет подвижный узел (14) сочленения для осуществления работы данного механизма. В варианте двигателя наружный конец приводного вала (13) соединяется с ведомым компонентом, например, буровым долотом в варианте гидравлического забойного двигателя. Для насоса наружный конец приводного вала (13) соединяется вращающим приводным блоком, например, двигателем.

[7] Крутящий момент, генерируемый в роторе (2) в варианте, где устройство является двигателем, или требуемый для ротора (2) в варианте, где устройство является насосом, является сложной комбинацией сил давления, действующих в полостях (8), и реактивных сил между точками контакта между статором (4) и ротором (2). Его действием является вращение ротора (2) в варианте двигателя или сопротивление вращению в варианте насоса. В обоих случаях имеется также равнодействующая поперечная сила, вдавливающая ротор (2) в статор (4). Направление данной силы поворачивается с вращением ротора (2). Возникает также центробежная сила, генерируемая планетарным движением ротора. И в варианте двигателя, например в гидравлическом забойном двигателе, может существовать поперечная составляющая осевого давления, которую несет трансмиссия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[8] Обнаружено, что результатом действия на ротор сил, вдавливающих ротор в статор, может являться деформация упругой поверхности статора и создание зазора с одной стороны устройства. Если такое происходит, то текучая среда может проходить вдоль устройства между полостями с текучей средой. Результатом является уменьшение производительности и максимального давления насоса и уменьшение скорости вращения, а также ограничение развиваемого крутящего момента в варианте двигателя.

[9] Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, можно использовать для преодоления некоторых ограничений известных шламовых насосов и других винтовых двигателей или насосов или по меньшей мере для создания альтернативы известным шламовым насосам и другим винтовым двигателям или насосам.

[10] Согласно первому аспекту вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, создан винтовой двигатель или насос, содержащий: ротор, статор и устройство регулирования или ограничения перемещения ротора относительно статора.

[11] Как рассмотрено, поверхность ротора или статора можно выполнять из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора, и в одном или нескольких вариантах осуществления перемещение ротора относительно статора регулируется или ограничивается для минимизации деформации нежесткого материала и последовательного открытия зазоров между входящими в контакт поверхностями ротора и статора.

[12] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение ротора ограничивается для следования при вращении требуемой траектории.

[13] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение ротора ограничивается прецессионным устройством, сконструированным так, что может делать вращение ротора зависимым от положения ротора.

[14] В одном или нескольких вариантах осуществления прецессионное устройство состоит из снабженного зубьями колеса, соединенного с валом ротора, которое следует снабженной зубьями дорожке, соединенной со статором.

[15] В одном или нескольких вариантах осуществления отношение числа заходов на колесе к числу заходов на дорожке является одинаковым с отношением числа заходов на роторе к числу заходов на статоре.

[16] В одном или нескольких вариантах осуществления снабженное зубьями колесо имеет деформируемый слой на наружной поверхности, взаимодействующей с дорожкой. Альтернативно или, кроме того, снабженная зубьями дорожка имеет деформируемый слой на поверхности, взаимодействующей со снабженными зубьями колесом.

[17] В одном или нескольких вариантах осуществления радиальное перемещение ротора относительно статора регулируется или ограничивается.

[18] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение геометрического центра ротора ограничивается заданной траекторией при использовании двигателя или насоса.

[19] В одном или нескольких вариантах осуществления создан колесный узел на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по окружности статора.

[20] В одном или нескольких вариантах осуществления колесный узел содержит колесо, установленное на валу ротора, причем колесо выполнено с возможностью обегать по окружности внутреннюю поверхность статора.

[21] В одном или нескольких вариантах осуществления наружный диаметр колеса равен диаметру внутренней поверхности статора минус удвоенное заданное максимальное смещение ротора от его геометрической центральной осевой линии.

[22] Альтернативно колесный узел может содержать колесо, установленное на валу статора, причем колесо, выполненное с возможностью обегания ротором окружности наружной поверхности статора. Специалисту в данной области техники понятно, что в таком варианте осуществления внутренний компонент является неподвижно закрепленным (при этом становясь статором или стационарным элементом), при этом наружный компонент двигателя или насоса вращается (ротор или вращающийся элемент).

[23] В одном или нескольких вариантах осуществления наружный диаметр колеса равен диаметру внутренней поверхности ротора минус удвоенное заданное максимальное смещение ротора от его геометрической центральной осевой линии.

[24] В одном или нескольких вариантах осуществления колесный узел установлен на месте в двигателе или насосе, где профиль ротора и статора является по существу круглым.

[25] В одном или нескольких вариантах осуществления колесный узел дополнительно содержит подшипник для обеспечения относительного вращения между колесом и ротором. Подшипник может предпочтительно являться игольчатым подшипником.

[26] В одном или нескольких вариантах осуществления колесо имеет отверстия для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[27] В одном или нескольких вариантах осуществления взаимодействующие поверхности ротора и статора являются по существу жесткими в зоне колесного узла.

[28] В одном или нескольких вариантах осуществления создается неподвижная вставка на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по его окружности.

[29] В одном или нескольких вариантах осуществления неподвижная вставка установлена в наружном элементе пары ротора и статора и имеет центральное отверстие, через которое может проходить вал внутреннего элемента пары ротора и статора, причем диаметр центрального отверстия подобран для ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

[30] В одном или нескольких вариантах осуществления неподвижная вставка имеет дополнительно множество отверстий для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[31] В одном или нескольких вариантах осуществления неподвижная вставка установлена на месте в двигателе или насосе, где профили ротора и/или статора являются по существу круглыми.

[32] В одном или нескольких вариантах осуществления центральное отверстие является по существу круглым, так что вал ротора может обегать по окружности центральное отверстие, или ротор и неподвижная вставка может обегать по окружности статор.

[33] В одном или нескольких вариантах осуществления создана компоновка приводного вала на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по его окружности.

[34] В одном или нескольких вариантах осуществления компоновка приводного вала содержит: ведущий вал и ведомый вал, при этом вращение может передаваться, когда два вала непараллельны; и механизм ограничения угла между ведущим валом и ведомым валом, которым перемещение ротора относительно статора ограничивается.

[35] В одном или нескольких вариантах осуществления механизм ограничения угла между ведущим валом и ведомым валом является буферным кольцом.

[36] В одном или нескольких вариантах осуществления создается вращающаяся вставка на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статор.

[37] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка установлена в статор и имеет отверстие, через которое вал ротора может проходить, причем отверстие смещается от центра вращающейся вставки так, что перемещение ротора ограничивается заданной траекторией.

[38] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка свободно вращается в статоре.

[39] В одном или нескольких вариантах осуществления ротор свободно вращается во вращающейся вставке.

[40] В одном или нескольких вариантах осуществления оборудуется подшипник для обеспечения вращения вращающейся вставки и/или ротора.

[41] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка содержит дополнительно множество отверстий для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[42] В одном или нескольких вариантах осуществления создается поршневой узел на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по его окружности.

[43] В одном или нескольких вариантах осуществления поршневой узел содержит множество обращенных внутрь поршней, разнесенных по окружности наружного элемента пары ротора и статора для управления перемещением ротора относительно статора. Поршни могут предпочтительно быть разнесены на равные интервалы по окружности наружного элемента пары ротора и статора.

[44] В одном или нескольких вариантах осуществления поршни устанавливаются во вставке, которая сама устанавливается на наружном элементе пары ротора и статора.

[45] В одном или нескольких вариантах осуществления наружный элемент пары ротора и статора локально утолщается в зонах установки поршней.

[46] В одном или нескольких вариантах осуществления вставка снабжается множеством отверстий для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[47] Согласно второму аспекту вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, создан способ улучшения показателей работы винтового двигателя или насоса, содержащий этап регулирования или ограничения перемещения ротора относительно статора для минимизации открытия зазоров между ротором и статором.

[48] В одном или нескольких вариантах осуществления регулирование или ограничение перемещения ротора относительно статора является дополнением к любому ограничению, обусловленному контактом со статором или соединением, выполненным с концами ротора.

[49] В одном или нескольких вариантах осуществления радиальное перемещение ротора регулируется или ограничивается относительно статора.

[50] В одном или нескольких вариантах осуществления ротор управляется для следования заданной комбинации траектории и вращения с использованием прецессионного устройства.

[51] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение геометрического центра ротора ограничивается заданной траекторией.

[52] В одном или нескольких вариантах осуществления оборудуется колесо между ротором и статором для ограничения перемещения между ними.

[53] В одном или нескольких вариантах осуществления оборудуется неподвижная вставка между ротором и статором для ограничения перемещения между ними.

[54] В одном или нескольких вариантах осуществления приводной вал соединяется с ротором для ограничения относительного перемещения между ротором и статором.

[55] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка оборудуется между ротором и статором, причем вставка имеет отверстие, смещенное от своего центра, через которое проходит вал ротора, для ограничения относительного перемещения между ротором и статором.

[56] В одном или нескольких вариантах осуществления поршневое устройство оборудуется между ротором и статором для ограничения перемещения между ними.

[57] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу бурения ствола скважины через подземный пласт. Способ может включать в себя: пропуск бурового раствора через компоновку гидравлического забойного двигателя, причем компоновка гидравлического забойного двигателя содержит винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, двигатель содержит: статор и ротор, при этом поверхность статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; и бурение пласта с применением бурового долота, напрямую или ненапрямую соединенного с ротором.

[58] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке гидравлического забойного двигателя, содержащей винтовой двигатель, имеющий впускной конец и выпускной конец. Двигатель может включать в себя: статор и ротор, при этом поверхность статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного впускного конца и выпускного конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора.

[59] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к бурильной компоновке. Бурильная компоновка может включать в себя: компоновку гидравлического забойного двигателя, содержащую винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, включающий в себя: статор и ротор, при этом поверхность статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; и выходной вал двигателя, напрямую или ненапрямую соединенный с дальним концом ротора; и буровое долото, напрямую или ненапрямую соединенное с дальним концом выходного вала двигателя.

[60] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке винтового двигателя или насоса, имеющей впускной конец и выпускной конец. Двигатель или насос может включать в себя: внутренний элемент, установленный в наружном элементе, один представляющий собой статор, и другой - ротор, при этом поверхность ротора или статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из впускного конца и выпускного конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора.

[61] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу изготовления винтового двигателя или насоса, имеющего впускной конец и выпускной конец, причем способ содержит: установку внутреннего элемента в наружном элементе, одного, представляющего собой статор, и другого - ротор; причем внутренний элемент имеет участок с фасонной винтовой наружной поверхностью; причем наружный элемент содержит первый участок с фасонной винтовой внутренней поверхностью и по меньшей мере один второй участок с круглой внутренней поверхностью, причем по меньшей мере один второй участок расположен вблизи по меньшей мере одного из впускного конца и выпускного конца и является соосным с первым участком; функциональное соединение по меньшей мере одного устройства для сдерживания радиального и/или тангенциального перемещения ротора относительно статора по меньшей мере с одним из внутреннего элемента и наружного элемента на отрезке длины соответствующего по меньшей мере одного второго участка.

[62] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу изготовления наружного элемента винтового двигателя или насоса, например, статора для гидравлического забойного двигателя, причем способ содержит: совмещение трубчатого наружного элемента с устройством литья под давлением, станочную обработку и/или напыление покрытия, при этом осевая линия трубчатого наружного элемента и осевая линия устройства могут быть совмещенными или несовмещенными; выполнение литьем под давлением, станочной обработкой и/или напылением покрытия первого внутреннего участка наружного элемента для создания фасонной винтовой внутренней поверхности и по меньшей мере одного второго внутреннего участка с внутренней поверхностью приблизительно постоянного внутреннего диаметра и соосной с первым внутренним участком, при этом второй внутренний участок выполняется с возможностью размещения устройства ограничения радиального и/или тангенциального перемещения внутреннего элемента, установленного в нем.

[63] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке гидравлического забойного двигателя, включающей в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала.

[64] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к управляемой по направлению буровой головке, регулируемому отклоняющему переводнику, компоновке низа бурильной колонны или стабилизатору, содержащим компоновку гидравлического забойного двигателя, описанную выше, включающую в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала.

[65] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу бурения ствола скважины через подземный пласт, причем способ включает в себя: пропуск бурового раствора через компоновку гидравлического забойного двигателя, описанную выше и включающую в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала. В других аспектах варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу бурения ствола скважины через подземный пласт, причем способ включает в себя: пропуск бурового раствора через управляемую по направлению буровую головку, регулируемый отклоняющий переводник, компоновку низа бурильной колонны или стабилизатор, включающие в себя такую компоновку гидравлического забойного двигателя. Пласт затем бурят с использованием бурового долота, напрямую или ненапрямую соединенного с ротором.

[66] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к бурильной компоновке, включающей в себя компоновку гидравлического забойного двигателя, описанную выше и включающую в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала. В других аспектах варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к бурильной компоновке, включающей в себя управляемую по направлению буровую головку, регулируемый отклоняющий переводник, компоновку низа бурильной колонны или стабилизатор, включающий в себя такую компоновку гидравлического забойного двигателя.

[67] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке гидравлического забойного двигателя, содержащей винтовой двигатель, причем двигатель включает в себя: статор и ротор; при этом статор и ротор содержат контактную поверхность, выполненную из жесткого материала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[68] Двигатели и насосы, раскрытые в данном документе, описаны ниже только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

На фиг. 1 показано сечение нескольких известных роторов.

На фиг. 2 показано сечение нескольких известных статоров.

На фиг. 3 показано сечение известного винтового двигателя или насоса.

На фиг. 4 показано продольное сечение известного винтового двигателя или насоса.

На фиг. 5 показано сечение первого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 6 показано продольное сечение винтового двигателя или насоса, оснащенного устройством фиг. 5.

На фиг. 7 показано сечение второго варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 8 показано сечение третьего варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 9 показано сечение четвертого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 10 показано сечение пятого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 11A-11C показаны поперечные и продольные сечения лейнера, выполненного с возможностью поддержания соосности устройства для ограничения перемещения ротора относительно статора согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном документе.

На фиг. 12A показано сечение первого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством для отслеживания траектории и вращения ротора относительно статора.

На фиг. 12B показано продольное сечение части винтового двигателя или насоса, оснащенного устройством фиг. 12A.

На фиг. 13-15 показаны различные компоновки гидравлического забойного двигателя/бурильные компоновки с одним или несколькими устройствами отслеживания траектории и вращения ротора относительно статора.

На фиг. 16-18 показаны роторы и статоры, применимые в гидравлических забойных двигателях, согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[69] В вариантах осуществления двигателей или насосов, раскрытых в данном документе, ротор удерживается для совершения заданного перемещения, другими словами, ограничивается траектория перемещения геометрического центра ротора, и в некоторых случаях вращение ограничивается данной траекторией. Хотя показаны различные варианты осуществления, понятно, что другие системы регулирования или ограничения радиального и/или тангенциального перемещения ротора относительно статора можно также конструировать в объеме настоящего изобретения. Перемещение ротора относительно статора в общем ограничено только характеристической упругой деформацией материалов, применяемых для изготовления ротора и статора (например, прогибом/сжатием резинового покрытия статора и т. д.). При использовании в данном документе сдерживание перемещения ротора относительно статора относится к недопущению или ограничению перемещения, превышающего приводящее к характеристичной упругой деформации или допустимое для материалов, применяемых для изготовления ротора и статора, во время работы последних.

[70] Понятно, что показанные варианты осуществления имеют ротор как компонент, который вращается в статоре, и большинство насосов и двигателей сконструированы по такой схеме, но варианты осуществления также работают, если внутренний компонент является неподвижным и наружный компонент вращается.

[71] На фиг. 5 и 6 показан первый вариант осуществления устройства (20) регулирования или ограничения радиального перемещения ротора (22) относительно статора (24). Устройство содержит колесный узел (20) для использования в одном или нескольких местах на роторе (22). Сечение колесного узла (20) показано на фиг. 5.

[72] Поддерживающее колесо (26) опирается на вал ротора (22) с помощью игольчатого подшипника (28), хотя другие подходящие подшипники можно также использовать, например, роликовые подшипники или подшипники скольжения. В некоторых вариантах осуществления подшипники (28) являются подшипниками скольжения, содержащими карбид кремния, карбид вольфрама, нитрид кремния или другие аналогичные износостойкие материалы. Поддерживающее колесо можно изготавливать из стали или других материалов, подходящих для расчетной среды. Наружная поверхность поддерживающего колеса (26) выполняется с возможностью скольжения или качения по внутренней поверхности корпуса (24) статора на месте, где профиль является приблизительно круглым. Разность радиусов поддерживающего колеса (26) и внутренней поверхности корпуса (24) статора определяет максимальное смещение оси ротора от оси статора. Поддерживающее колесо (26) имеет каналы (27), встроенные в него, для увеличения площади прохода текучей среды вдоль устройства, каналы могут иметь любые число или форму, при условии достаточного размера для пропуска твердых частиц, которые могут находиться в рабочей текучей среде или перекачиваемой текучей среде. Корпус (24) статора имеет круглый профиль на месте контакта с колесом (26) с подшипником, так что осевая линия вала ротора (22) должна удерживаться приблизительно в круге фиксированного радиуса, что помогает предотвращению открытия зазоров между поверхностями ротора (22) и статора (24). На фиг. 6 показано продольное сечение двигателя или насоса, оснащенного колесным узлом (20) фиг. 5 только на одном конце, хотя дополнительные колесные узлы можно установить в дополнительных местах.

[73] В некоторых вариантах осуществления поддерживающее колесо (26) может скользить или катиться в контакте с внутренней поверхностью самого цилиндра статора. В других вариантах осуществления поддерживающее колесо (26) может скользить или катиться в контакте с покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндра статора. Во время изготовления некоторых статоров внутренняя поверхность цилиндра, такая как поверхность трубы, снабжается покрытием, например, с помощью нанесения или набрызга материала покрытия на внутреннюю поверхность цилиндра. Вместе с тем, вследствие сложности процесса изготовления статора, соосность полученного статора с цилиндром статора невозможно гарантировать. Таким образом, получающееся во время изготовления внутреннее покрытие (90) статора может смещаться от осевой линии (92) цилиндра статора (94), как показано на фиг. 11A, где полученный лейнер имеет осевую линию (96), смещенную от осевой линии (92) цилиндра статора (94). Как отмечено выше, наружная поверхность поддерживающего колеса (26) выполнена с возможностью скольжения или качения по внутренней поверхности корпуса (24) статора, где профиль является приблизительно круглым. Поддерживающее колесо (26) должно при этом скользить или катиться по внутренней поверхности материала покрытия так, что поддерживающее колесо (26) скользит или катится с осевой линией, совпадающей с осевой линией лейнера статора (т. е. выставляется по одной линии с лейнером статора и ротором, но не с цилиндром статора). Изготовление статора для использования с колесом (26) с подшипником может таким образом включать в себя устройство покрытия, литье под давлением или изготовление станочной обработкой участка (98) постоянного диаметра (например, из резины толщиной от 1,6 мм (1/16 дюйма) до 12,8 мм (1/2 дюйма) на одном или обоих концах статора, как показано на фиг. 11B и 11C, для обеспечения удержания в нужных пределах колеса (26) с подшипником на траектории ротора и получения требуемого преимущества.

[74] Как отмечено выше, разность радиусов поддерживающего колеса (26) и внутренней поверхности корпуса (24) статора определяет максимальное смещение оси ротора от оси статора. Кроме того, для надлежащего функционирования поддерживающее колесо (26) должно поддерживать взаимосвязь для скольжения и/или качения с внутренней поверхностью статора для постоянного сдерживания ротора при его вращении, т.е. поддержания контакта при вращении на все 360°. Вследствие внецентренного вращения ротора отношение диаметра поддерживающего колеса (26) к диаметру внутренней поверхности статора (90) является важной переменной, где неправильное отношение может приводить к неустановившемуся контакту поддерживающего колеса с внутренней поверхностью статора, т.е. взаимосвязи без качения или без скольжения.

[75] В дополнение к диаметру длина поддерживающего колеса (26) должна также являться достаточной для эксплуатации при боковых нагрузках, прикладываемых вследствие биения ротора. Поддерживающее колесо (26) должно иметь достаточную длину для соответствия конструктивным требованиям. Длина поддерживающего колеса (26) может при этом зависеть от числа заходов, крутящего момента двигателя/насоса и других переменных, известных специалисту в данной области техники, и может также ограничиваться имеющимся пространством между ротором и приводным валом.

[76] Поддерживающее колесо (26) ограничивает величину биения, создаваемого внецентренным вращением ротора. Данное, в свою очередь, может ограничивать образование зазоров прохода потока по длине двигателя/насоса, ограничивая сжатие или прогиб во внутреннем покрытии статора, например, из резины или другого упругого материала. В некоторых вариантах осуществления поддерживающее колесо может ограничивать прогиб внутреннего покрытия статора величиной меньше 0,64 мм (0,025 дюйма), величиной меньше 0,5 мм (0,02 дюйма) в других вариантах осуществления и величиной меньше 0,38 мм (0,015 дюйма) в других вариантах осуществления. Аналогичные пределы прогиба можно также получить, применяя другие варианты осуществления, раскрытые в данном документе.

[77] Поддерживающее колесо (26), как описано выше, создает радиальное ограничение движения ротора, удерживая ротор в контакте со статором (т.е. создавая при смещении контактную силу, не препятствующую генерированию крутящего момента). Полученная в результате уменьшенная нормальная сила в точке контакта между ротором и статором может уменьшать силы торможения, улучшая сжатие на контактных точках с минимизацией путей протечки. Ограничивая образование зазоров прохода потока (путей протечки) вдоль длины ротора, можно уменьшить потери давления, увеличивая выходную мощность двигателя. Кроме того, ограничение движения ротора может уменьшить износ статора, в особенности вблизи верха заходов, где тангенциальные скорости являются самыми высокими.

[78] На фиг. 7 показан второй вариант осуществления устройства (30) регулирования или ограничения перемещения ротора (32) относительно статора (34), в котором неподвижная вставка (36) установлена внутри статора (34). Неподвижную вставку (36) можно оборудовать на одном или нескольких местах в статоре (34). Неподвижная вставка (36) имеет центральное отверстие (38) или аналогичное сужение внутреннего диаметра статора (34) для ограничения радиального перемещения ротора (32) относительно статора (34). Неподвижная вставка (36) может также содержать множество отверстий (37) для обеспечения прохода текучей среды вдоль двигателя или нас