ШПИНДЕЛЬ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к опорным узлам (шпинделям) забойных двигателей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен шпиндель забойного двигателя (прототип), включающий корпус, вал, крепежно-соединительные элементы: верхний и нижний переводники корпуса, полумуфту вала, посредством резьб которых в корпусе и на валу закрепляются осевым сжатием соответствующие элементы осевой опоры, радиальные опоры, втулки радиальных опор, контактирующие между собой по рабочим поверхностям, корпусные и внутренние регулировочные, дистанционные, подкладные кольца (или втулки). Корпус с закрепленными в нем элементами (деталями) образует систему корпуса, а вал с закрепленными на нем элементами - систему вала (см. справочник по турбобурам, Шумова З.И., Собкина И.В., М., Недра, 1970, стр.34-41 и каталог "Забойные двигатели и запасные части" И.Я.Вальдман и др., М., Недра, 1080, стр.43, 63...66).

Недостатком указанных шпинделей является то, что радиальные опоры и втулки радиальных опор подвержены большим напряжениям сжатия (см. например, "Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров", М.Т.Гусман и др., М., Недра, 1976, стр.210, 357, 358). Эти напряжения отрицательно влияют на износостойкость их рабочих поверхностей, а следовательно, на работоспособность шпинделя и забойного двигателя в целом.

Такое конструктивное выполнение опор, кроме того, несет повышенную опасность аварийной поломки вала из-за расположения нижней втулки радиальной опоры выше упорного уступа вала и концентрации на упорном уступе вала суммы местных напряжений растяжения вала от сжатия деталей на валу и напряжений изгиба вала от боковой силы, действующей на долото.

Известен винтовой забойный двигатель (см. патент РФ №2185488), полумуфта (муфта) вала шпинделя которого выполняет дополнительную функцию втулки радиальной опоры, что ограничивает срок работы полумуфты как соединительно-крепежного элемента. Кроме того, большие местные напряжения в полумуфте в месте стыка "вал - внутренний уступ полумуфты" усугубляется наличием износостойкой, а следовательно, хрупкой наружной поверхности полумуфты. Кроме того, верхняя радиальная опора расположена в корпусе, что задалживает определенную часть его длины.

Задачами предлагаемого изобретения являются устранение указанных недостатков известных шпинделей, увеличение их срока работы.

Это достигается тем, что в известном шпинделе забойного двигателя, включающем системы корпуса и вала, первая из которых содержит корпус, установленные в нем радиальные опоры с их рабочими поверхностями, корпусные элементы осевой опоры, корпусные регулировочные, дистанционные, подкладные кольца и скрепленные с корпусом посредством резьб осевым сжатием между упорными уступами, образованными торцами двух переводников, скрученных с корпусом, или между внутренним уступом корпуса и уступом, образованным торцом одного переводника, а система вала содержит вал, установленные на нем втулки радиальных опор с их рабочими поверхностями, внутренние регулировочные, дистанционные, подкладные кольца, внутренние элементы осевой опоры и скрепленные с валом посредством резьбы осевым сжатием между упорными уступами, а именно между упорным уступом вала и упорным уступом, образованным торцом полумуфты, имеющей промывочные каналы, согласно изобретению хотя бы на одной втулке радиальной опоры или радиальной опоре выполнен кольцевой выступ, посредством которого эта втулка радиальной опоры или радиальная опора закреплена осевым сжатием в системе вала или в системе корпуса.

Кроме того, рабочая поверхность хотя бы одной крайней втулки радиальной опоры и/или крайней радиальной опоры, имеющих кольцевой выступ, расположена хотя бы частично вне интервала (пространства, расстояния) - между упорными уступами соответствующей системы вала или корпуса.

Целесообразно при этом располагать верхнюю и нижнюю втулку радиальной опоры с их рабочими поверхностями соответственно на полумуфте, выше упорного уступа, и на валу ниже упорного уступа вала, а крайние опоры с их рабочими поверхностями - вне интервала между упорными уступами корпуса.

Целесообразно также, чтобы верхняя втулка радиальной опоры, установленная на полумуфте, частично перекрывала в осевом направлении промывочные каналы полумуфты.

На фиг.1 и на фиг.2 показаны продольные разрезы конструктивного исполнения предлагаемого шпинделя в двух вариантах.

Шпиндель (см. фиг.1) содержит корпус 1, вал 2, имеющий в нижней части резьбу 31 для присоединения породоразрушающего инструмента (на фиг. не показан), радиальные опоры 3, втулки радиальных опор 4, контактирующие по своим рабочим поверхностям, соответственно 5 и 6, осевую опору, например резинометаллическую, содержащую корпусные (наружные) элементы, например подпятники 7, корпусные (наружные) регулировочные, дистанционные, подкладные кольца (или втулки) 8, внутренние элементы, установленные на валу, например диски 9 осевой опоры, внутренние регулировочные, дистанционные, подкладные кольца (или втулки) 10, крепежно-соединительные элементы, например, такие, как верхний переводник 11, имеющий верхнюю резьбу 32 для присоединения двигательной секции, соединенный с корпусом 1 по резьбовому соединению 16, переводник 12, соединенный с корпусом по резьбовому соединению 17 в его (корпуса) нижней части и имеющий резьбу 33 для присоединения центратора, полумуфта вала 13, имеющая промывочные каналы 29 и конусно-шлицевые элементы 34 для соединения с валом двигательной секции забойного двигателя.

Система корпуса шпинделя содержит корпус 1, установленные в нем радиальные опоры 3, корпусные элементы осевых опор - подпятники 7, корпусные регулировочные, дистанционные, подкладные кольца 8, обеспечивающие осевую непрерывность деталей в системе. Эти элементы скреплены с "натягом" (посредством осевого сжатия с соответствующими деформациями сжатия) в системе корпуса между уступами, образованными торцами 14, 15 переводников 11, 12, соединенных с корпусом по резьбовым соединениям 16, 17.

Соответственно система вала содержит вал 2, установленные на нем или на других элементах системы вала втулки радиальных опор 4, внутренние элементы осевой опоры, например диски 9, внутренние регулировочные, дистанционные, подкладные кольца 10. Эти элементы скреплены в системе вала с натягом между упорным торцом 18 вала и вторым упорным уступом, образованным торцом 19 полумуфты 13, скрепленной с валом по резьбовому соединению 20.

Основным отличительным признаком предлагаемого технического решения является то, что хотя бы на одной радиальной опоре 3 или на втулке 4 радиальной опоры выполнен кольцевой выступ 21 (на радиальной опоре) и/или кольцевой выступ 22 (на втулке радиальной опоры). Эти выступы могут быть выполнены из одной заготовки с радиальной опорой, втулкой радиальной опоры или же скреплены с ними, например, посредством резьбы, горячей, прессовой посадки, эксцентрика и т.д.

Посредством закрепления в системах корпуса и вала осевым сжатием (натягом) соответственно по торцам 23, 24 кольцевых выступов 21 радиальных опор 3 и по торцам 25 и 26 кольцевых выступов 22 втулок радиальных опор 4 обеспечивается закрепление радиальных опор 3 в системе корпуса, а втулок радиальных опор 4 - в системе вала.

При этом сжимающие усилия передаются только по кольцевым выступам, а радиальные опоры, втулки радиальных опор (их остовы) с их рабочими поверхностями 5 и 6 не несут сжимающих напряжений и деформаций.

Вариант двигателя, изображенный на фиг.1, имеет резинометаллические радиальные опоры 3, т.е. ее металлический остов облицован изнутри резиной, которая образует рабочую поверхность 5. Контактирующая с ней рабочая поверхность 6 втулки радиальной опоры 4 - упрочненная металлическая. Т.е. пара рабочих поверхностей - резинометаллическая.

Как вариант исполнения (фиг.2) возможно скрепление элементов системы корпуса осевым сжатием между упорным уступом 30, образованным ступенчатой расточкой корпуса, и упорным уступом, образованным торцом 15 переводника 12. Уступ, образованный ступенчатой расточкой корпуса, в этом варианте исполнения занимает верхнее положение, а уступ, образованный торцом 15 переводника 12, - нижнее. Возможен вариант с обратным расположением уступов.

Радиальная опора 3 в этом варианте шпинделя в отличие от радиальной опоры, приведенной на фиг.1, показана не резинометаллической, а цельнометаллической с упрочненной рабочей поверхностью 5 (например, цементированной, с твердосплавным покрытием, и т.д.), как и втулка радиальной опоры 4 с ее рабочей поверхностью 6. В этом варианте технологические и эксплуатационные требования к обоим элементам идентичны, особенно в части отрицательного влияния вышеуказанных деформаций на их стойкость и работоспособность*. (* Термины "радиальная опора" и "втулка радикальной опоры" приняты в технической литературе по забойным двигателям. По своей же сути они являются соответственно наружным (корпусным) элементом (или втулкой) радикальной опоры и внутренним (входящим в систему вала) элементом радикальной опоры как системы (сборочного узла) элементов. Такое наименование этих элементов радикальной опоры устранило бы кажущуюся альтернативу между ними).

В системах корпуса и вала радиальные опоры и втулки радиальных опор в зависимости от конструктивного выполнения шпинделя могут располагаться кольцевым выступом вниз по ходу потока или повернутыми на 180°. На фиг.1 и 2 верхняя радиальная опора установлена своим кольцевым выступом 21 вниз, а собственно радиальная опора с ее рабочей поверхностью 5 расположена выше, в основном во внутренней полости верхнего переводника 11 (фиг.1) или как вариант (фиг.2) выше упорного уступа 30 корпуса 1, в его суженной части. Кольцевой выступ 21 опоры подвержен осевому сжатию между упорным уступом 30 корпуса 1 или (фиг.1) уступом, образованным торцом 14 переводника 11 и нижерасположенными элементами системы корпуса. Верхняя втулка радиальной опоры 4 (фиг.2 и 1), контактирующая по своей рабочей поверхности 6 с радиальной опорой 3 по ее рабочей поверхности 5, установлена и скреплена в системе вала на полумуфте 13 посредством силового сжатия кольцевого выступа 22, расположенного в нижней части втулки. При этом усилие сжатия воспринимает только кольцевой выступ втулки 22, а втулка радиальной опоры с ее рабочей поверхностью 6 свободна от напряжений.

Целесообразно, чтобы верхняя часть втулки радиальной опоры 4 частично перекрывала в осевом направлении проточные каналы 29 полумуфты 13, т.е. место 28 промывочных каналов располагалось ниже торца 27 втулки 4.

Нижняя радиальная опора 3 (повторные цифровые выноски подчеркнуты) и втулка радиальной опоры 4 в отличие от верхних повернуты на 180°, то есть установлены кольцевыми выступами вверх. При этом кольцевой выступ 22 расположен на упорном уступе 18 вала и закреплен осевым сжатием в системе вала, а втулка радиальной опоры 4, на которой выполнен этот выступ, с ее рабочей поверхностью 6 расположена на валу в основном ниже упорного уступа в ненапряженном состоянии. Кольцевой выступ 21 нижней радиальной опоры 3, контактирующей с крайней нижней втулкой 4, расположен и закреплен на нижнем упорном уступе системы корпуса, образованном торцом 15 нижнего переводника 12, основная часть нижней радиальной опоры с ее рабочей поверхностью 5 расположена во внутренней полости нижнего переводника 12 в ненапряженном состоянии.

Возможно противоположное расположение кольцевых выступов в контактирующей по своим поверхностям 5 и 6 паре "радиальная опора 3 - втулка радиальной опоры 4". Такое расположение в средней паре показано на фиг.1, в которой радиальная опора 3 имеет кольцевой выступ 21 вверху, а втулка радиальной опоры 4 - кольцевой выступ 22 внизу с соответствующим противоположным расположением по отношению к выступам рабочих поверхностей 5 и 6.

Основные преимущества предложенного шпинделя обусловлены отсутствием напряжений сжатия и соответствующей деформации радиальной опоры и втулки радиальной опоры с их рабочими поверхностями, что положительно влияет на износостойкость указанных рабочих поверхностей, предотвращает растрескивание, повреждение этих поверхностей, обладающих повышенной хрупкостью и отличной от основного металла этих элементов деформационной характеристикой, позволяет использовать новые, более износостойкие материалы для покрытия рабочих поверхностей радиальных опор и втулок радиальных опор, снижает требования к их толщине и качеству стали.

Кроме того, расположение радиальных опор, имеющих кольцевые выступы, хотя бы частично вне интервала (расстояния, размера) между упорными уступами позволяет сократить длину корпуса шпинделя и шпинделя в целом или же увеличить расстояние между радиальными опорами, что особенно важно при установке между шпинделем и вышележащей двигательной секцией кривого переводника.

Частичное осевое перекрытие верхней втулкой радиальной опоры промывочных каналов полумуфты обеспечивает рациональную организацию потока промывочной жидкости и предохранение промывочных каналов от интенсивного размыва, максимально уменьшает консольную часть вала.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к шпинделям забойных двигателей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин. Шпиндель забойного двигателя включает системы корпуса и вала. Система корпуса содержит корпус, установленные в нем и скрепленные с ним посредством резьб осевым сжатием между упорными уступами, образованными торцами двух переводников или внутренним уступом корпуса и торцом переводника радиальные опоры с их рабочими поверхностями, корпусные регулировочные и дистанционные кольца, корпусные элементы осевой опоры. Система вала содержит вал, установленные на нем и скрепленные с ним также посредством резьбы осевым сжатием между упорными уступами, а именно упорным уступом вала и упорным уступом, образованным торцом полумуфты, имеющей промывочные каналы, втулки радиальных опор с их рабочими поверхностями, внутренние регулировочные и дистанционные кольца, внутренние элементы осевой опоры. Хотя бы одна втулка радиальной опоры и/или радиальная опора выполнена с кольцевым выступом, посредством которого эта втулка радиальной опоры и/или радиальная опора закреплена в системе вала и/или в системе корпуса. Обеспечивает повышение надежности, срока службы шпинделей забойных двигателей и двигателей в целом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Шпиндель забойного двигателя, включающий системы корпуса и вала, первая из которых содержит корпус, установленные в нем и скрепленные с ним посредством резьб осевым сжатием между упорными уступами, образованными торцами двух переводников или внутренним уступом корпуса и торцом переводника, радиальные опоры с их рабочими поверхностями, корпусные регулировочные и дистанционные кольца, корпусные элементы осевой опоры, а система вала содержит вал, установленные на нем и скрепленные с ним также посредством резьбы осевым сжатием между упорными уступами, а именно упорным уступом вала и упорным уступом, образованным торцом полумуфты, имеющей промывочные каналы, втулки радиальных опор с их рабочими поверхностями, внутренние регулировочные и дистанционные кольца, внутренние элементы осевой опоры, отличающийся тем, что хотя бы одна втулка радиальной опоры и/или радиальная опора выполнена с кольцевым выступом, посредством которого эта втулка радиальной опоры и/или радиальная опора закреплена в системе вала и/или в системе корпуса.2. Шпиндель забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность хотя бы одной крайней втулки радиальной опоры и/или крайней радиальной опоры, имеющих кольцевой выступ, расположена хотя бы частично вне интервала между упорными уступами соответствующей системы - системы вала или системы корпуса.3. Шпиндель забойного двигателя по п.2, отличающийся тем, что втулка радиальной опоры частично перекрывает в осевом направлении промывочные каналы полумуфты.