КАРДАННЫЙ ВАЛ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2010 года по МПК E21B4/02 F16D3/16 

Изобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых внутри забойного двигателя в скважине, в частности, для соединения ротора гидравлического забойного двигателя (винтового героторного гидравлического двигателя или турбобура) с валом шпинделя для бурения наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Известна универсальная муфта для забойного двигателя, содержащая корпус с внутренними прямоугольными шпоночными пазами, размещенный в нем с возможностью кругового отклонения на острый угол вал с установленными на нем шпонками, помещенными в радиальные шпоночные отверстия, вкладыш с опорной поверхностью, установленный в корпусе для взаимодействия с шаром, и узел уплотнения, включающий уплотнительное кольцо с манжетой и гайку [US 4772246, 20.09.1988].

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ее ресурса и надежности вследствие того, что выполненные в валу сквозные радиальные отверстия для установки шпонок и осевое отверстие для установки шара уменьшают прочность вала, кроме того, являются концентраторами напряжений. В результате указанные места при передаче забойной нагрузки на вал и шарнирные элементы приводных механизмов нагружены предельными эквивалентными напряжениями (по Мизесу), что ограничивает ресурс и надежность известной конструкции.

Другим недостатком известной конструкции является повышенный износ пальцев 84 в отверстиях 54, возможность заклинивания (прихвата) шпонок 88 в пазах 76, а также возможность разрушения резьбовых соединений корпуса 60 и втулки 70 при максимальных углах отклонения шарнирного узла из-за попадания (шламования) твердых частиц бурового раствора в узел уплотнения между втулкой 134 и поверхностью 32 вала 12.

Известна универсальная муфта для забойного двигателя, содержащая корпус с радиальными отверстиями, установленный в нем с возможностью кругового отклонения на острый угол вал, размещенный между корпусом и валом ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах вала, другой стороной - в радиальных отверстиях корпуса, а также шар, установленный в корпусе для взаимодействия с торцом вала [US 5000723, 19.03.1991].

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ее ресурса и надежности вследствие того, что края сквозных радиальных отверстий в корпусе для установки шариков, расположенные на минимальном радиальном удалении от продольной оси корпуса, из-за предельных контактных напряжений ограничивают передаваемый крутящий момент, являются концентраторами напряжений для отверстий и шариков, способствуют образованию в шариках усталостных трещин, приводят к увеличению люфтов и разрушению муфты.

Известен карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины с валом шпинделя, содержащий центральный вал и два корпуса, каждый из которых охватывает край центрального вала, а между каждым корпусом и краем центрального вала размещен ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах центрального вала, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах корпуса, а также содержащий вкладыш с опорной поверхностью, установленный в корпусе для взаимодействия с торцом вала, и узел уплотнения, включающий манжету, уплотнительное кольцо и гайку [US 5267905, 07.12.1993].

Недостатком известного карданного вала является неполное использование возможности повышения его надежности и ресурса, например, за счет уменьшения контактных напряжений и износа шарнирных пар (шариков, полусферических впадин и полуцилиндрических пазов), повышения равномерности контактных напряжений в шарнирных механизмах.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является универсальный шарнир для приводов прокатного стана и подобных устройств, состоящий из корпусного элемента, соединяющегося с одним валом и вращающегося вокруг оси и имеющего аксиально простирающееся отверстие и множество аксиально исходящих канавок, высеченных радиально наружу из указанного отверстия, каждая канавка, имеющая плоскую боковую поверхность и плоскую базовую поверхность в плоскости, перпендикулярной боковой поверхности и параллельно указанной оси корпуса, и спайдер, присоединенный к другому валу и вращаемый вокруг оси и имеющий приводной механизм, простирающийся в соответствующие канавки, приводной механизм в каждой канавке, имеющий периферийную поверхность, аксиально подвижную и вращающуюся по указанной базовой поверхности канавки, принимающей приводной механизм и цилиндрически изогнутой вокруг оси, проходящей поперек через указанную ось спайдера, и каждый приводной механизм, включающий выступ, исходящий от спайдера, и опору подшипника с плоской поверхностью, подвижно контактирующей/зацепляющейся с указанной боковой поверхностью канавки, принимающей приводной механизм и противоположной изогнутой поверхностью, подвижно соединенной соответствующей изогнутой поверхностью выступа, указанные подвижно контактирующие поверхности каждого выступа и опоры подшипника, будучи цилиндрически изогнутыми вокруг оси по касательной к цилиндрической поверхности, которая сцентрирована по указанной оси спайдера и проходит через указанную периферийную поверхность соответствующего приводного механизма [US 2645105, 07.03.1949].

Недостатком известной конструкции является неполная возможность использования ее в устройстве привода вращения, размещаемого внутри забойного двигателя в скважине (с уменьшенными диаметрами корпусных муфт, размещаемых внутри регулятора угла перекоса двигателя), в частности, для соединения ротора гидравлического забойного двигателя (винтового героторного гидравлического двигателя или турбобура) с валом шпинделя для бурения наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин, вследствие недостаточной надежности и ресурса из-за того, что места перехода краев поз.0 (prongs, вилки, зубца или острой части зубца) охватываемой части корпусной муфты (спайдера), расположенных на минимальном радиальном удалении от продольной оси корпусной муфты, вследствие предельных эквивалентных напряжений (по Мизесу) ограничивают передаваемый крутящий момент, способствуют образованию усталостных трещин, приводят к увеличению люфтов и разрушению сегментных опор подшипников поз.r (bearing block) в корпусных муфтах.

Недостатком известной конструкции является также недостаточная прочность вала поз.g, а также шпоночного соединения вала поз.g с корпусным элементом поз.b и с цилиндрическим блоком поз.a вследствие предельных эквивалентных напряжений (по Мизесу), которые ограничивают передаваемый крутящий момент, способствуют образованию усталостных трещин, приводят к увеличению люфтов и разрушению сегментных опор подшипников поз.r (bearing block) в корпусных муфтах.

Недостатком известной конструкции является также отсутствие элементов для восприятия осевых сжимающих усилий, действующих на торцы вала поз.g, необходимых для восприятия осевых сжимающих усилий, действующих от ротора винтового героторного гидравлического двигателя или турбобура на карданный вал, а также на вал шпинделя, установленный в осевых и радиальных опорах вращения, при бурении наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Осевые сжимающие усилия на торцы карданного вала определяются максимальным дифференциальным перепадом давления в героторной винтовой рабочей паре ротор-обкладка из эластомера статора или в роторных ступенях турбобура, умноженным на эффективные площади винтовых зубьев ротора или рабочих лопаток ступеней ротора турбобура. При этом знакопеременные (вибрационные) забойные осевые нагрузки действуют на карданный вал преимущественно при больших осевых люфтах (до 5 мм) в осевых опорах вращения вала шпинделя, преимущественно вследствие износа осевых опор вращения буровым раствором.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - уменьшение диаметров корпусных муфт, повышение ресурса и надежности, увеличение передаваемого крутящего момента за счет повышения предельных эквивалентных напряжений (по Мизесу) элементов центрального вала, корпусных муфт и сегментных опор приводных механизмов, а также за счет восприятия осевых сжимающих усилий, действующих от ротора забойного двигателя на вал шпинделя через карданный вал при бурении наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Сущность технического решения заключается в том, что в карданном валу гидравлического забойного двигателя, содержащем центральный вал и две корпусные муфты с приводным механизмом во внутренней полости каждой муфты, каждая корпусная муфта выполнена в виде охватываемой и охватывающей частей, в каждой охватываемой части корпусной муфты, соединенной с центральным валом с возможностью передачи крутящего момента, выполнен ряд канавок, направленных радиально наружу, каждая канавка имеет плоскую базовую поверхность в плоскости, перпендикулярной боковой поверхности и параллельной продольной оси, в каждой охватывающей части корпусной муфты выполнена периферийная поверхность, принимающая приводной механизм, включающий выступы, расположенные в охватываемой части корпусной муфты, и сегментные опоры с плоской поверхностью, подвижно контактирующие с указанными боковыми поверхностями канавок, выполненных в охватывающей части корпусной муфты, и противоположные изогнутые поверхности, подвижно соединенные с соответствующими изогнутыми поверхностями выступов, выполненных в охватываемой части корпусной муфты, согласно изобретению центральный вал и две охватываемые части корпусных муфт выполнены в виде цельного модуля, между торцами каждой охватывающей части корпусной муфты и цельного модуля установлен упор и подпятник, каждый край цельного модуля содержит усилители выступов, предназначенных для упора в изогнутые поверхности сегментных опор, при этом каждый усилитель выступа образован пересечением двух поверхностей: опорной плоскости для установки торца сегментной опоры и окружного пояса на краю цельного модуля, длина дуги окружного пояса каждого усилителя выступа на краю цельного модуля равна, по меньшей мере, высоте сегмента сегментной опоры, число усилителей выступов равно числу сегментных опор, при этом в каждой охватывающей части корпусной муфты установлена и закреплена гайкой упорная разрезная втулка, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, а также выполнены приемные полости для размещения соответствующих усилителей выступов на краю цельного модуля.

Высота сегмента h каждой сегментной опоры составляет 0,75÷0,85 от величины радиуса сегментной опоры, а высота сегмента h каждой сегментной опоры и радиус R окружного пояса каждого усилителя выступов на краю цельного модуля определяются соотношением

h=(0,2÷0,3)R.

Торец каждого усилителя выступов для привода сегментных опор, направленный к торцам усилителей выступов для привода сегментных опор на втором краю цельного модуля, выполнен в форме конуса, а упорная разрезная втулка содержит кольцевой упорный пояс, направленный к усилителям выступов для привода сегментных опор, выполненный в форме конуса.

Упорная разрезная втулка, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, содержит установленное на ее краю цельное охватывающее кольцо.

Выполнение карданного вала гидравлического забойного двигателя таким образом, что центральный вал и две охватываемые части корпусных муфт выполнены в виде цельного модуля, между торцами каждой охватывающей части корпусной муфты и цельного модуля установлен упор и подпятник, каждый край цельного модуля содержит усилители выступов, предназначенных для упора в изогнутые поверхности сегментных опор, при этом каждый усилитель выступа образован пересечением двух поверхностей: опорной плоскости для установки торца сегментной опоры и окружного пояса на краю цельного модуля, длина дуги окружного пояса каждого усилителя выступа на краю цельного модуля равна, по меньшей мере, высоте сегмента сегментной опоры, число усилителей выступов равно числу сегментных опор, при этом в каждой охватывающей части корпусной муфты установлена и закреплена гайкой упорная разрезная втулка, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, а также выполнены приемные полости для размещения соответствующих усилителей выступов на краю цельного модуля, обеспечивает уменьшение диаметров корпусных муфт, повышение ресурса и надежности, увеличение передаваемого крутящего момента за счет повышения предельных эквивалентных напряжений (по Мизесу) элементов центрального вала, корпусных муфт и сегментных опор приводных механизмов, а также за счет восприятия осевых сжимающих усилий, действующих от ротора забойного двигателя на карданный вал и вал шпинделя при бурении наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Выполнение карданного вала гидравлического забойного двигателя таким образом, что высота сегмента h каждой сегментной опоры составляет 0,75÷0,85 от величины радиуса сегментной опоры, а высота сегмента h каждой сегментной опоры и радиус R окружного пояса каждого усилителя выступов на краю цельного модуля определяются соотношением h=(0,2÷0,3)R, дополнительно увеличивает ресурс и надежность за счет равных по прочности на изгиб и смятие элементов цельного модуля центрального вала и охватываемых частей корпусных муфт, охватывающих частей корпусных муфт и сегментных опор приводных механизмов.

Материалы деталей конструкции: сталь 40ХН2МА - цельный модуль центрального вала и охватываемых частей корпусных муфт, охватывающие части корпусных муфт; сталь 95Х18 - сегментные опоры.

Свойства материалов приведены в таблице.

Свойства материалов Наименование параметра Материал Сталь 40ХН2МА Сталь 95Х18 Модуль упругости, кг/мм² 21500 20400 Коэффициент Пуассона 0,3 0,3 Предел текучести σ_0,2, кг/мм² 93,0 170,0 Предел прочности σ_в, кг/мм² 108,0 230,0

Расчет напряженно-деформированного состояния конструкции карданного вала, который осуществлялся методом конечных элементов с помощью сертифицированного аналитического программного продукта ANSYS 10.0 в статической нелинейной постановке с использованием элементов, имитирующих контактное взаимодействие, с учетом упруго-пластичных свойств материалов конструкции, показал, что в случае равномерного распределения нагрузки между четырьмя сегментными опорами и усилителями выступов цельного модуля значение наибольшего эквивалентного (по Мизесу) напряжения в зоне изгиба и смятия усилителей выступов цельного модуля (вала и охватываемых частей корпусных муфт) равно σ_экв=52,5 кг/мм², в зоне усилителей выступов, каждый из которых образован пересечением двух поверхностей: опорной плоскости для установки торца сегментной опоры и окружного пояса на краю цельного модуля, запас по пределу текучести составляет 2,05, при этом значение наибольшего эквивалентного (по Мизесу) напряжения в зоне изгиба усилителей выступов цельного модуля (вала и охватываемых частей корпусных муфт) составляет σ_экв=49,5 кг/мм², запас по пределу прочности составляет 2,35.

Выполнение карданного вала гидравлического забойного двигателя таким образом, что торец каждого усилителя выступов для привода сегментных опор, направленный к торцам усилителей выступов для привода сегментных опор на втором краю цельного модуля, выполнен в форме конуса, а упорная разрезная втулка содержит кольцевой упорный пояс, направленный к усилителям выступов для привода сегментных опор, выполненный в форме конуса, уменьшает концентраторы напряжений, обеспечивает равномерное распределение нагрузки между четырьмя сегментными опорами и усилителями выступов цельного модуля, снижает значение наибольшего эквивалентного (по Мизесу) напряжения в зоне изгиба и смятия усилителей выступов цельного модуля (вала и охватываемых частей корпусных муфт), предотвращает отсоединение охватывающих частей корпусных муфт при разборке, повышает безопасность сборки и разборки гидравлического забойного двигателя в вертикальном положении, при использовании хомутов (спайдеров) на буровой, а также воспринимает растягивающую часть знакопеременных (вибрационных) забойных осевых нагрузок, которые действуют на карданный вал, преимущественно при больших осевых люфтах (до 5 мм) в осевых опорах вращения вала шпинделя, возникающих в изношенных и близких к завершению ресурса осевых опорах вращения шпинделя.

Выполнение карданного вала гидравлического забойного двигателя таким образом, что упорная разрезная втулка, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, содержит установленное на ее краю цельное охватывающее кольцо, повышает ресурс за счет более надежной герметизации уплотнительного пояса между кожухом из эластомера и цельным охватывающим кольцом, повышает герметичность внутренней полости карданного вала, а также улучшает технологичность сборки при выдавливании из внутренней полости карданного вала консистентной смазки за счет центровки двух частей упорной разрезной втулки между собой цельным охватывающим кольцом.

Ниже представлен карданный вал для соединения ротора героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ2-172РС.968 с валом шпинделя.

На фиг.1 изображен карданный вал для соединения ротора героторного винтового гидравлического двигателя с валом шпинделя (в продольном разрезе).

На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 карданного вала для соединения с ротором героторного винтового гидравлического двигателя (в продольном разрезе).

На фиг.3 изображен элемент II на фиг.1 карданного вала для соединения с валом шпинделя (в продольном разрезе).

На фиг.4 изображен разрез А-А на фиг.2 поперек усилителей выступов сегментных опор (в плоскости высоты сегмента сегментных опор).

На фиг.5 изображен разрез Б-Б на фиг.3 поперек усилителей выступов сегментных опор (в плоскости высоты сегмента сегментных опор).

На фиг.6 изображен центральный вал и две охватываемые части корпусных муфт, выполненные в виде цельного модуля (в аксонометрической проекции).

На фиг.7 изображен элемент II (вариант 2) на фиг.1 карданного вала с установленной на краю удлиненной упорной разрезной втулкой цельного охватывающего кольца (в продольном разрезе).

На фиг.8 изображен карданный вал, расположенный внутри регулятора угла перекоса между корпусами забойного двигателя и шпинделя, для соединения ротора героторного винтового гидравлического двигателя с валом шпинделя (в продольном разрезе).

Карданный вал гидравлического забойного двигателя содержит центральный вал 1 и две корпусные муфты 2 и 3 с приводными механизмами 4 и соответственно 5 во внутренней полости 6 и соответственно 7 каждой муфты 2 и соответственно 3, показано на фиг.1.

Каждая корпусная муфта 2 выполнена в виде охватываемой части 8 и охватывающей части 9, показано на фиг.1.

Каждая корпусная муфта 3 выполнена в виде охватываемой части 10 и охватывающей части 11, показано на фиг.1.

В охватываемой части 8 корпусной муфты 2, соединенной с центральным валом 1 с возможностью передачи крутящего момента, выполнен ряд канавок, по существу, четыре канавки 12, 13, 14, 15, направленные радиально наружу, каждая канавка 12, 13, 14, 15 имеет плоскую базовую поверхность соответственно 16, 17, 18, 19 в плоскости, перпендикулярной боковой поверхности 20 и параллельной продольной оси 21, показано на фиг.1, 2, 4.

В охватывающей части 9 корпусной муфты 2 выполнена периферийная поверхность 22, принимающая приводной механизм 23, включающий выступы 24, 25, 26, 27, расположенные в охватываемой части 8 корпусной муфты 2, и сегментные опоры 28, 29, 30, 31 с плоской поверхностью соответственно 32, 33, 34, 35, подвижно контактирующие с указанными боковыми поверхностями канавок соответственно 36, 37, 38, 39, выполненных в охватывающей части 9 корпусной муфты 2, и противоположные изогнутые поверхности соответственно 40, 41, 42, 43, подвижно соединенные с соответствующими изогнутыми поверхностями выступов 24, 25, 26, 27, выполненных в охватываемой части 8 корпусной муфты 2, показано на фиг.1, 2, 4.

В охватываемой части 10 корпусной муфты 3, соединенной с центральным валом 1 с возможностью передачи крутящего момента, выполнен ряд канавок, по существу, четыре канавки 44, 45, 46, 47, направленные радиально наружу, каждая канавка 44, 45, 46, 47 имеет плоскую базовую поверхность соответственно 48, 49, 50, 51 в плоскости, перпендикулярной боковой поверхности 52 и параллельной продольной оси 53, показано на фиг.1, 3, 5.

В охватывающей части 11 корпусной муфты 3 выполнена периферийная поверхность 54, принимающая приводной механизм 55, включающий выступы 56, 57, 58, 59, расположенные в охватываемой части 11 корпусной муфты 3, и сегментные опоры 60, 61, 62, 63 с плоской поверхностью соответственно 64, 65, 66, 67, подвижно контактирующие с указанными боковыми поверхностями канавок соответственно 68, 69, 70, 71, выполненных в охватывающей части 11 корпусной муфты 3, и противоположные изогнутые поверхности соответственно 72, 73, 74, 75, подвижно соединенные с соответствующими изогнутыми поверхностями выступов 56, 57, 58, 59, выполненных в охватываемой части 11 корпусной муфты 3, показано на фиг.1, 2, 4.

Центральный вал 1 и две охватываемые части 8 и 10 корпусных муфт соответственно 2 и 3 выполнены в виде цельного модуля 76, между торцом 77 охватывающей части 9 корпусной муфты 2 и торцом 78 цельного модуля 76, а также между торцом 79 охватывающей части 11 корпусной муфты 3 и торцом 80 цельного модуля 76 установлены сферические упоры соответственно 81, 82 и сферические подпятники соответственно 83, 84, показано на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6.

Каждый край 85 и 86 цельного модуля 76 содержит усилители выступов соответственно 87, 88, предназначенных для упора в изогнутые поверхности 40, 41, 42, 43 каждой сегментной опоры 28, 29, 30, 31, а также в изогнутые поверхности 72, 73, 74, 75 каждой сегментной опоры 60, 61, 62, 63, показано на фиг.2, 3, 4, 5, 6.

Каждый усилитель выступа 87 образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 16 для установки торца 32 сегментной опоры 28 и окружного пояса 27 на краю 85 цельного модуля 76, или образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 17 для установки торца 33 сегментной опоры 29 и окружного пояса 24 на краю 85 цельного модуля 76, показано на фиг.2, 4, 6.

Каждый усилитель выступа 88 образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 48 для установки торца 64 сегментной опоры 60 и окружного пояса 59 на краю 86 цельного модуля 76, или образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 49 для установки торца 65 сегментной опоры 61 и окружного пояса 56 на краю 86 цельного модуля 76, показано на фиг.2, 5, 6.

Длина дуги 89 окружного пояса 24, 25, 26, 27 каждого усилителя выступа 87 на краю 85 цельного модуля 76 равна, по меньшей мере, высоте сегмента 90 (расстоянию между хордой и окружностью) сегментной опоры 28, 29, 30, 31, число (4) усилителей выступов 87 равно числу (4) сегментных опор 28, 29, 30, 31, показано на фиг.4, 6.

Длина дуги 91 окружного пояса 56, 57, 58, 59 каждого усилителя выступа 88 на краю 86 цельного модуля 76 равна, по меньшей мере, высоте сегмента 92 сегментной опоры 60, 61, 62, 63, число (4) усилителей выступов 88 равно числу (4) сегментных опор 60, 61, 62, 63, показано на фиг.5, 6.

В охватывающей части 9 корпусной муфты 2 установлена и закреплена гайкой 93 упорная разрезная втулка 94, выполненная из двух половин, с плоскостью разъема в меридианном направлении, а также выполнены приемные полости 95 для размещения соответствующих усилителей выступов 87 на краю 85 цельного модуля 76, при этом поз.96 - кожух из эластомера, показано на фиг.2, 4.

В охватывающей части 11 корпусной муфты 3 установлена и закреплена гайкой 97 упорная разрезная втулка 98, выполненная из двух половин, с плоскостью разъема в меридианном направлении, а также выполнены приемные полости 99 для размещения соответствующих усилителей выступов 88 на краю 86 цельного модуля 76, при этом поз.100 - кожух из эластомера, показано на фиг.3, 5.

Высота сегмента h, 90 (расстояние между хордой и окружностью) каждой сегментной опоры 28, 29, 30, 31 составляет 0,75÷0,85 от величины радиуса 101 сегментной опоры 28, 29, 30, 31, а высота сегмента h, 90 каждой сегментной опоры 28, 29, 30, 31 и радиус R, 102 окружного пояса каждого усилителя выступов 87 на краю 85 цельного модуля 76 определяются соотношением h=(0,2÷0,3)R, показано на фиг.2, 4.

Высота сегмента h, 92 (расстояние между хордой и окружностью) каждой сегментной опоры 60, 61, 62, 63 составляет 0,75÷0,85 от величины радиуса 103 сегментной опоры 60, 61, 62, 63, а высота сегмента h, 92 каждой сегментной опоры 60, 61, 62, 63 и радиус R, 104 окружного пояса каждого усилителя выступов 88 на краю 86 цельного модуля 76 определяются соотношением h=(0,2÷0,3)R, показано на фиг.3, 5.

Торец 105 каждого усилителя выступов 87 для привода сегментных опор 28, 29, 30, 31, направленный к торцам 106 усилителей выступов 88 для привода сегментных опор 60, 61, 62, 63 на втором краю 86 цельного модуля 76, выполнен в форме конуса, а торец 106 каждого усилителя выступов 88 для привода сегментных опор 60, 61, 62, 63, направленный к торцам 105 усилителей выступов 87 для привода сегментных опор 28, 29, 30, 31 на первом краю 85, также выполнен в форме конуса, показано на фиг.2, 3, 6.

Упорные разрезные втулки соответственно 94, 98 содержат кольцевые упорные пояса соответственно 107, 108, направленные к усилителям выступов соответственно 85, 86 для привода сегментных опор 28, 29, 30, 31 и соответственно сегментных опор 60, 61, 62, 63 на другом краю 86 цельного модуля 76, показано на фиг.2, 3, 6.

Упорная удлиненная разрезная втулка, например 109, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, содержит установленное на ее краю 110 цельное охватывающее кольцо 111, показано на фиг.7.

Кроме того, на фиг.8 изображен карданный вал, расположенный внутри регулятора угла перекоса между корпусами забойного двигателя и шпинделя, для соединения ротора героторного винтового гидравлического двигателя с валом шпинделя, используемые при бурении наклонных и горизонтальных нефтяных скважин, где обозначено:

поз.112 - регулятор угла перекоса между корпусами забойного двигателя и шпинделя;

поз.113 - резьба для соединения с корпусом героторного винтового гидравлического двигателя;

поз.114 - резьба для соединения с корпусом шпинделя героторного винтового гидравлического двигателя;

поз.115 - резьба для соединения с ротором героторного винтового гидравлического двигателя;

поз.116 - резьба для соединения с валом шпинделя героторного винтового гидравлического двигателя;

поз.117 - направление потока бурового раствора внутри корпуса героторного винтового гидравлического двигателя.

При этом на фиг.8 показан угол кругового отклонения α края 85 цельного модуля 76, предназначенного для крепления при помощи резьбы 115 с ротором двигателя, относительно края 86 цельного модуля 76, предназначенного для крепления при помощи резьбы 116 с валом шпинделя.

Карданный вал винтового героторного гидравлического двигателя работает следующим образом. Поток бурового раствора 117 под давлением, например, 8…14 МПа по колонне бурильных труб подается в винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями ротора и зубьями обкладки из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса, и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор внутри обкладки из эластомера (не показан).

Ротор винтового героторного гидравлического двигателя, расположенный в обкладке из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси и обращение относительно оси обкладки из эластомера с частотой в Z_p раз больше частоты вращения ротора двигателя, карданного вала и вала шпинделя, где Z_p - число зубьев ротора. Винтовые камеры между зубьями ротора и зубьями обкладки из эластомера имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 117 бурового раствора (не показан), при этом передача крутящего момента от винтового ротора двигателя через резьбу 115 на охватываемую часть корпусной муфты 2 происходит в окружном направлении, противоположном планетарному вращению ротора винтового героторного гидравлического двигателя.

Передача крутящего момента от ротора винтового героторного гидравлического двигателя через карданный вал на вал шпинделя происходит также при круговом отклонении на угол α края 85 цельного модуля 76 относительно края 86 указанного цельного модуля 76.

Выполнении карданного вала таким образом, что центральный вал 1 и две охватываемые части 8 и 10 корпусных муфт соответственно 2 и 3 выполнены в виде цельного модуля 76, между торцом 77 охватывающей части 9 корпусной муфты 2 и торцом 78 цельного модуля 76, а также между торцом 79 охватывающей части 11 корпусной муфты 3 и торцом 80 цельного модуля 76 установлены сферические упоры соответственно 81, 82 и сферические подпятники соответственно 83, 84, при этом каждый край 85 и 86 цельного модуля 76 содержит усилители выступов соответственно 87, 88, предназначенных для упора в изогнутые поверхности 40, 41, 42, 43 каждой сегментной опоры 28, 29, 30, 31, а также в изогнутые поверхности 72, 73, 74, 75 каждой сегментной опоры 60, 61, 62, 63, при этом каждый усилитель выступа 87 образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 16 для установки торца 32 сегментной опоры 28 и окружного пояса 27 на краю 85 цельного модуля 76, или образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 17 для установки торца 33 сегментной опоры 29 и окружного пояса 24 на краю 85 цельного модуля 76, а каждый усилитель выступа 88 образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 48 для установки торца 64 сегментной опоры 60 и окружного пояса 59 на краю 86 цельного модуля 76, или образован пересечением двух поверхностей, например опорной плоскости 49 для установки торца 65 сегментной опоры 61 и окружного пояса 56 на краю 86 цельного модуля 76, при этом длина дуги 89 окружного пояса 24, 25, 26, 27 каждого усилителя выступа 87 на краю 85 цельного модуля 76 равна, по меньшей мере, высоте сегмента 90 (расстоянию между хордой и окружностью) сегментной опоры 28, 29, 30, 31, число (4) усилителей выступов 87 равно числу (4) сегментных опор 28, 29, 30, 31, а длина дуги 91 окружного пояса 56, 57, 58, 59 каждого усилителя выступа 88 на краю 86 цельного модуля 76 равна, по меньшей мере, высоте сегмента 92 сегментной опоры 60, 61, 62, 63, число (4) усилителей выступов 88 равно числу (4) сегментных опор 60, 61, 62, 63, обеспечивает уменьшение диаметров корпусных муфт, повышает ресурс и надежность, увеличивает передаваемый крутящий момента за счет повышения предельных эквивалентных напряжений (по Мизесу) элементов центрального вала, корпусных муфт и сегментных опор приводных механизмов, а также за счет восприятия осевых сжимающих усилий, действующих от ротора забойного двигателя на вал шпинделя через карданный вал при бурении наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к карданным валам. Карданный вал содержит центральный вал и две корпусные муфты с приводными механизмами. Каждая корпусная муфта состоит из охватываемой и охватывающей частей. В охватываемой части каждой корпусной муфты, соединенной с центральным валом, выполнены ряд канавок и периферийная поверхность, принимающая приводной механизм и включающая выступы и сегментные опоры с плоской поверхностью, подвижно контактирующие с указанными боковыми поверхностями канавок. Центральный вал и охватываемые части обеих корпусных муфт выполнены в виде цельного модуля. Между торцами охватывающих частей корпусных муфт установлены сферические опоры и сферические подпятники. Каждый край цельного модуля содержит усилители выступов, предназначенных для упора в изогнутые поверхности каждой сегментной опоры. При этом в каждой охватывающей части корпусной муфты установлена и закреплена гайкой упорная разрезная втулка, а также выполнены приемные полости для размещения соответствующих усилителей выступов на краю цельного модуля. Решение направлено на повышение ресурса и надежности устройства, улучшение массогабаритных характеристик. 3 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Карданный вал гидравлического забойного двигателя, содержащий центральный вал и две корпусные муфты с приводным механизмом во внутренней полости каждой муфты, каждая корпусная муфта выполнена в виде охватываемой и охватывающей частей, в каждой охватываемой части корпусной муфты, соединенной с центральным валом с возможностью передачи крутящего момента, выполнен ряд канавок, направленных радиально наружу, каждая канавка имеет плоскую базовую поверхность в плоскости, перпендикулярной боковой поверхности и параллельной продольной оси, в каждой охватывающей части корпусной муфты выполнена периферийная поверхность, принимающая приводной механизм, включающий выступы, расположенные в охватываемой части корпусной муфты, и сегментные опоры с плоской поверхностью, подвижно контактирующие с указанными боковыми поверхностями канавок, выполненных в охватывающей части корпусной муфты, и противоположные изогнутые поверхности, подвижно соединенные с соответствующими изогнутыми поверхностями выступов, выполненных в охватываемой части корпусной муфты, отличающийся тем, что центральный вал и две охватываемые части корпусных муфт выполнены в виде цельного модуля, между торцами каждой охватывающей части корпусной муфты и цельного модуля установлен упор и подпятник, каждый край цельного модуля содержит усилители выступов, предназначенных для упора в изогнутые поверхности сегментных опор, при этом каждый усилитель выступа образован пересечением двух поверхностей: опорной плоскости для установки торца сегментной опоры и окружного пояса на краю цельного модуля, длина дуги окружного пояса каждого усилителя выступа на краю цельного модуля равна, по меньшей мере, высоте сегмента сегментной опоры, число усилителей выступов равно числу сегментных опор, при этом в каждой охватывающей части корпусной муфты установлена и закреплена гайкой упорная разрезная втулка, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, а также выполнены приемные полости для размещения соответствующих усилителей выступов на краю цельного модуля.

2. Карданный вал гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что высота сегмента h каждой сегментной опоры составляет 0,75÷0,85 от величины радиуса сегментной опоры, а высота сегмента h каждой сегментной опоры и радиус R окружного пояса каждого усилителя выступов на краю цельного модуля определяются соотношением:
h=(0,2÷0,3)R.

3. Карданный вал гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что торец каждого усилителя выступов для привода сегментных опор, направленный к торцам усилителей выступов для привода сегментных опор на втором краю цельного модуля, выполнен в форме конуса, а упорная разрезная втулка содержит кольцевой упорный пояс, направленный к усилителям выступов для привода сегментных опор, выполненный в форме конуса.

4. Карданный вал гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что упорная разрезная втулка, выполненная с плоскостью разъема в меридианном направлении, содержит установленное на ее краю цельное охватывающее кольцо.