СЕКЦИОННЫЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК E21B4/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям, применяемым при бурении скважин.

Известен забойный двигатель, содержащий узел осевой опоры, турбинные секции, тормозное устройство с взаимозацепляющимися зубчатыми венцами и гибкие валы, причем тормозное устройство располагается под турбинными секциями или над ними.

Недостатком этого двигателя является то, что при установке тормозного устройства под турбинными секциями на гибкие валы действуют избыточные осевые усилия, обусловленные перепадом давления на турбинных секциях и весом вращающихся деталей, что отрицательно влияет на работоспособность валов, испытывающих значительные знакопеременные нагрузки. При расположении тормозного устройства над турбинными секциями на роторе устройства возникают усилия, которые приводят к всплытию тормозного устройства и отсоединению его от турбинных секций.

Целью изобретения является повышение долговечности работы гибких валов.

Указанная цель достигается тем, что в забойном двигателе, содержащем узел осевой опоры, тормозное устройство с взаимозацепляющими зубчатыми венцами, турбинные секции и гибкие валы, тормозное устройство установлено между турбинными секциями в месте, где осевые усилия на валы тормозного устройства и турбинных секциях, расположенных над тормозным устройством, равны между собой.

На фиг. 1 показаны схемы действия осевых нагрузок на гибкие валы в известном устройстве; на фиг.2 - то же, в предлагаемом.

Двигатель содержит три турбинные секции 1-3, тормозное устройство с взаимозацепляющими зубчатыми венцами 4 и гибкие валы 5.

Двигатель работает следующим образом.

При прокачивании бурового раствора через двигатель начинают вращаться валы турбинных секций 1-3. Поскольку они посредством гибких валов 5 связаны с тормозным устройством, частота их вращения снижается в зависимости от геометрии зубчатых венцов.

На валу каждой турбинной секции действует осевое усилие, направленное вниз, обусловленное перепадом давления на ступенях турбин в секциях и весом, вращающихся деталей. Величину этого усилия (Р_г.в.с.) определяют по формуле
Р_г.в.с. =Δ Р_тF + B - A, где ΔР_т - перепад давления на ступенях турбинной секции;
F - площадь непроточной части ротора турбины;
В - вес вращающихся деталей на валу турбинной секции;
А - усилие на смещение пакета статоров в корпусе (учитывается для турбобуров с плавающими статорами).

На верхнем конце ротора тормозного устройства при его раскручивании возникает осевое усилие, направленное вверх, способствующее его всплытию. Величину этого усилия (Р_всп) определяют из выражения
P_всп.= , где М - момент на роторе тормозного устройства при раскручивании турбинными секциями;
d - средний диаметр ротора;
α - угол наклона зубчатых венцов;
ρ- угол трения.

Определяют результирующие нагрузки, действующие на гибкие валы по сечениям I-I и II-II. В известном устройстве (фиг.1) результирующие нагрузки по сечениям распределяются следующим образом:
сечение I-I R₁ = 3P_г.в.с.
сечение II-II R₂ = 3Р_г.в.с. - Р_всп.
В предлагаемом устройстве (фиг.2) нагрузки определяются как:
сечение I-I R₁^I = Р_г.в.с.
сечение II-II R₂^I = Р_г.в.с. - Р_всп
Таким образом наиболее благоприятные условия для работы гибких валов создаются в предлагаемом устройстве. Так, на верхний гибкий вал действует нагрузка в 3 раза ниже, чем в известном, а нижний вал может оказаться полностью разгруженным от осевых усилий (Р_г.в.с. = Р_всп), что способствует увеличению срока службы гибких валов и устройства в целом.

Регулирование осевых усилий осуществляют как подбором ступеней в секции, так и использованием в тормозном устройстве винтовых пар с различными углами наклона зубчатых венцов. Так, например, если известна величина Р_всп, то необходимое количество ступеней (К) в секциях, расположенных над тормозным устройством, определяют как
K = , где Δ p^I - перепад давления на одной ступени турбины.

Аналогично подбирают и угол наклона зубчатых венцов в тормозном устройстве
α = arctg-ρ .

Использование: в буровой технике, а именно в забойных двигателях. Сущность изобретения: Двигатель содержит турбиннные секции, тормозное устройство с взаимозацепляющими зубчатыми венцами 4 и гибкие валы 5. При этом тормозное устройство установлено между турбинными секциями в месте, где осевые усилия на валы тормозного устройства и турбинных секциях, расположенных над тормозным устройством, равны между собой. 2 ил.

СЕКЦИОННЫЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий узел осевой опоры, турбинные секции, гибкие валы, тормозное устройство с взаимозацепляющимися зубчатыми венцами, отличающийся тем, что тормозное устройство установлено между турбинными секциями в месте, где осевое усилие на валы тормозного устройства и турбинные секции, расположенные над тормозным устройством, равны между собой, при этом количество K ступеней в турбинных секциях, расположенных над тормозным устройством, определяется по формуле
K = ,
и угол α наклона взаимозацепляющихся зубчатых венцов тормозного устройства по формуле
α = -ρ ,
где Δ P - перепад давлений на одной ступени турбины;
F - площадь непроточной части ротора турбины;
B - вес вращающихся деталей в секции турбины;
A - усилие на смещение пакета в корпусе секции (учитывается трубобуров с плавающими статорами);
P_всп. - осевое усилие всплытия ротора тормозного устройства при его раскручивании турбинными секциями;
M - суммарный крутящий момент на всех турбинных секциях;
d - средний диаметр ротора тормозного устройства;
P_гвс - осевое усилие на валу турбинных секций, расположенных над тормозным устройством;
ρ - угол трения.