Двухступенчатый редуктор верхнего силового привода буровой установки Российский патент 2018 года по МПК E21B3/02 E21B19/08 

Область техники

Изобретение относится к установкам бурения с верхним силовым приводом вращения, которые используются на нефтяных и газовых скважинах.

Уровень техники

Известны верхние силовые приводы (ВСП) буровых установок, содержащие вертлюг с верхним приводом вращения - патенты RU 2237790, Е21В 3/00, приоритет 11.11.2003, RU 29551, Е21В 19/00, Е21В 3/00, приоритет 13.07.2003, RU 139159, Е21В 3/00, приоритет 12.11.2013.

Известна система верхнего электрического привода СВЭП-320, которая входит в состав буровой установки, предназначенной для вертикального, наклонно-направленного и горизонтального бурения нефтяных и газовых скважин, - патент RU 151650, Е21В 3/02, приоритет 23.10.2013.

Подвесная часть СВЭП-320 включает в себя верхний электрический привод (ВЭП) с двумя электродвигателями, расположенными симметрично относительно продольной плоскости (перпендикулярной фронтальной плоскости ВЭП), с которой совпадает ось вращения вертлюга, и установленными на корпусе редуктора, посредством которого каждый электродвигатель передает крутящий момент по своей приводной части на зубчатое колесо на выходном валу вертлюга, на котором происходит суммирование крутящих моментов от обоих двигателей. Далее, через шаровой кран крутящий момент от выходного вала вертлюга передается на бурильную колонну. Основные функции верхнего электрического силового привода:

- Вращение бурильной колонны в 2-х направлениях, торможение, остановка вращения и удержание бурильной колонны в заданном по углу поворота положении.

- Задание требуемых величин крутящего момента, частоты и направления вращения с контролем параметров по дисплею в СУП и на пульте бурильщика.

- Захват труб из укладки, подсвечника, подача на ось скважины и возврат труб в укладку, подсвечник.

- Свинчивание/развинчивание, докрепление/раскрепление бурильных труб в процессе наращивания/разборки бурильной колонны, а также рабочего переводника и шарового крана при их замене.

- Открытие/перекрытие канала ВЭП-320 с помощью шарового крана.

Электродвигатели ВЭП расположены на верхней крышке корпуса редуктора вертлюга и смонтированы в виде двух, вертикально установленных и симметрично расположенных относительно продольной плоскости вертлюга двигателей. Они снабжены гидравлическими тормозами, при этом валы каждого электродвигателя соединены через зубчатую компенсирующую муфту с входными быстроходными валами и посредством двухступенчатого зубчатого косозубого зацепления в редукторе связаны с зубчатым колесом на выходном валу вертлюга, который вращается с заданной скоростью и суммарным крутящим моментом в прямом или обратном направлениях. Электродвигатели связаны со станцией управления электроприводом с частотным регулированием.

Редуктор ВЭП выполнен в виде двух входных быстроходных валов-шестерен, находящихся в зацеплении с промежуточными зубчатыми колесами, закрепленными на промежуточных валах-шестернях, входящих в зацепление с суммирующей шестерней на выходном валу. Общие передаточные числа каждого из двух приводных частей редуктора (от каждого входного вала к выходному) одинаковы. Все зубчатые колеса и шестерни выполнены в косозубом исполнении, валы установлены в подшипниковых опорах, причем выходной вал имеет три подшипниковых узла: верхний радиально-упорный однорядный конический роликовый подшипник; нижний самоустанавливающийся сферический двухрядный роликовый подшипник, выдерживающий радиальные и двухсторонние осевые нагрузки; средний упорный сферический роликовый подшипник, предназначенный для восприятия основной весовой нагрузки привода.

При работе два электродвигателя, через две двухступенчатые зубчатые цилиндрические передачи, смонтированные в едином корпусе, с одинаковым передаточным числом, обеспечивают вращение выходного вала вертлюга в прямом или обратном направлениях (за счет суммирования крутящих моментов на шестерне выходного вала). При этом за счет симметричной двухпоточной кинематической схемы редуктора и уравновешивания радиальных составляющих в зубчатом зацеплении выходного вала с двумя промежуточными валами, передача крутящего момента на выходной вал сопровождается минимальными радиальными нагрузками и уменьшенными в два раза окружными усилиями в зубчатом зацеплении, что увеличивает ресурс работы подшипников грузового вала и редуктора в целом.

При необходимости, один из двигателей может быть отключен и ВЭП будет работать с одним электродвигателем. Для отключения одного из двигателей ВЭП дополнительно снабжен муфтой, которая может отключать один из электродвигателей без разборки редуктора.

Техническое решение - верхний силовой привод буровой установки - патент RU 151650, Е21В 3/02, приоритет 23.10.2013, принято в качестве прототипа. К недостаткам прототипа можно отнести:

- большие габаритные размеры редуктора в поперечной плоскости (параллельной фронтальной плоскости ВЭП) из-за применения двухдвигательного редукторного привода для вращения выходного вала вертлюга;

- большая стоимость двухдвигательного привода за счет двойной системы частотного векторного управления, двух двигателей, усложнение конструкции редуктора (двух входных валов с опорами качения, дополнительных корпусных деталей);

- возможные неточности синхронизации работы двух электродвигателей на один выходной вал в процессе эксплуатации или в результате ремонта изделия, приводящие к неравномерности нагружения в режиме "ведущий-ведомый" и сокращению технического ресурса редуктора.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании новой конструкции двухступенчатого редуктора, в приводе которого использован вместо двух - один электродвигатель с такой же суммарной мощностью.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении габаритных размеров редуктора, снижении стоимости, в повышении надежности его работы при той же передаваемой мощности ВЭП, что и в прототипе.

Раскрытие изобретения

Для достижения поставленных задач, авторами предложено новое конструктивное выполнение редуктора ВЭП.

Двухступенчатый редуктор верхнего силового привода буровой установки содержит размещенные в корпусных деталях тихоходный выходной вал, два промежуточных вала-шестерни, один быстроходный входной вал с зубчатым колесом, подшипниковые узлы и отличается тем, что в нем зубчатые передачи, смонтированные в виде двух ступеней редукции, выполнены в следующем виде.

Первая ступень редукции представляет собой быстроходный входной вал, на котором расположена косозубая шестерня, входящая в зацепление с двумя косозубыми зубчатыми колесами, установленными на двух промежуточных валах, симметрично расположенных относительно оси вращения быстроходного входного вала. Вторая ступень редукции включает прямозубые шестерни, установленные на упомянутых выше промежуточных валах, входящих в зацепление с прямозубым колесом тихоходного выходного вала.

В нижних подшипниковых узлах промежуточных валов расположены регулировочные узлы, необходимые для регулировки равномерности зацепления косозубой шестерни быстроходного входного вала с двумя косозубыми зубчатыми колесами промежуточных валов.

Посредством регулировочных узлов осуществляют осевое перемещение промежуточных валов вместе с нижними подшипниковыми опорами и поджимают косозубые зубчатые колеса промежуточных валов к косозубой шестерне быстроходного вала (путем вращения втулок в крышках нижних опор промежуточных валов).

Кроме того, оси быстроходного входного и тихоходного выходного валов и оси промежуточных валов параллельны, валы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Кроме того, в приводе редуктора использован вместо двух - один электродвигатель, с такой же суммарной мощностью.

Осуществление изобретения

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид редуктора ВЭП в аксонометрии, на фиг. 2 - общий вид редуктора ВЭП без корпусных деталей в аксонометрии, на фиг. 3 - разрез редуктора по промежуточным валам.

Редуктор (фиг. 1) состоит из следующих основных деталей и узлов: тихоходный выходной вал 1, два промежуточных вала-шестерни 2, один быстроходный входной вал 3, редуктор с корпусными деталями: корпус 4 с крышкой 5. Основные подшипники тихоходного вала - роликовые радиально-упорные конические 6 и 7 - предназначены для восприятия осевых и радиальных нагрузок. Также на тихоходном валу 1 установлен роликовый сферический двухрядный подшипник - 8, предназначенный для восприятия радиальных нагрузок. На тихоходном валу 1 на штифтах установлено прямозубое зубчатое колесо 9.

В зацеплении с тихоходным зубчатым колесом 9 находятся две прямозубые шестерни, нарезанные на промежуточных валах 2. Подшипники промежуточных валов - роликовые сферические двухрядные 10. На промежуточных валах-шестернях, на штифтах, установлены промежуточные косозубые зубчатые колеса 11, входящие в зацепление с шестерней быстроходного вала 3.

Быстроходный входной вал установлен на однорядном роликовом коническом подшипнике (нижний 12 и верхний 13), предназначенном для восприятия радиальных и осевых нагрузок. На валу 3 на шпонке закреплена косозубая шестерня 14, которая находится в зацеплении с зубчатыми колесами 11 промежуточных валов 2. В верхней части быстроходного вала нарезаны шлицы 15, предназначенные для соединения через промежуточную муфту с приводным электродвигателем.

С помощью частотного преобразователя электродвигатель обеспечивает регулируемое вращение входного быстроходного вала 3 с заданным крутящим моментом. Корпус электродвигателя крепится фланцевой поверхностью к крышке редуктора 5 вертлюга через тумбу (не показано).

Применение прямозубых шестерен на второй ступени редуктора используется для обеспечения равномерности косозубого зацепления шестерни входного вала с двумя зубчатыми колесами промежуточных валов. Регулировка равномерности зацепления производится с помощью регулировочных узлов, расположенных в нижних подшипниковых узлах промежуточных валов.

Регулировочный узел (фиг. 2, 3) представляет собой крышку подшипника 16 с центральным отверстием, в нижней части которого выполнена резьба, в которую вворачивается втулка 17 с пазами на торцевой поверхности в нижней части, торцевая поверхность верхней части которой упирается в стакан 18, который центрируется по не резьбовой части отверстия в крышке и может совершать осевые перемещения при вращении втулки 17. Торцевая поверхность стакана 18 упирается в крышку 19, которая, в свою очередь, контактирует со стаканом 20, в котором установлена наружная обойма нижнего подшипника 10 промежуточного вала 2. Внутренняя обойма подшипника 10 упирается в буртик промежуточного вала 2. Втулка 17 фиксируется от проворота с помощью стопора 21, палец которого входит в один из пазов втулки 17, а стакан 20, имеющий боковой продольный паз, с этой же целью фиксируется стопорной планкой 22 с шипом, перемещающимся внутри данного паза. Внутренняя обойма подшипника 10 через кольцо 23 упирается в торцевую часть промежуточного вала 2 на участке опоры под подшипник.

Регулировку точности косозубого зацепления и равномерности крутящего момента, передаваемого на промежуточные валы в редукторе, осуществляют путем осевого перемещения промежуточных валов 2 и поджатия косозубых колес 11 к шестерне 14 быстроходного вала 3. Перемещение промежуточных валов возможно за счет применения прямозубого зацепления шестерен промежуточных валов с зубчатым колесом 9 выходного вала 1 и обеспечивается вращением втулки 17 и осевым перемещением стакана 18, крышки 19, стакана 20, кольца 23. При этом стакан 20, подшипник 10 и кольцо 23 вместе обеспечивают необходимый осевой зазор в подшипниковой опоре; осевой зазор в верхнем подшипниковом узле промежуточных валов регулируют штатным образом.

После регулировки зазоров в зацеплении зубчатого редуктора фиксацию осевого положения стакана 18 осуществляют стопором 21, палец которого входит в паз втулки 17.

При передаче мощности электродвигателя через компенсирующую муфту и шлицевую поверхность 15 на входной быстроходный вал 3 редуктора, крутящий момент расщепляется на два потока через зубчатые передачи 14, 11 промежуточных валов-шестерен 2 и суммируется на выходном валу 1 на зубчатом колесе 9. Разделение на два потока мощности обеспечивает минимальное межосевое расстояние между входным 3 и выходным 1 валами в продольной плоскости ВЭП и снижает его габаритные размеры. При этом симметричность расположения валов в редукторе обеспечивает уравновешенность радиальных нагрузок, действующих в зубчатых зацеплениях.

Использование предлагаемой конструкции редуктора при работе одного электродвигателя обеспечивает снижение стоимости, повышение надежности и уменьшение габаритных размеров, при той же величине передаваемой мощности ВЭП (по сравнению с использованием редуктора в известной конструкции с двумя двигателями).

Предлагаемая конструкция редуктора позволяет его использовать в ВЭП как с электрическим, так и с гидравлическим (гидрообъемным) двигателем.

Изобретение относится к установкам бурения с верхним силовым приводом вращения, которые используются для бурения нефтяных и газовых скважин. Двухступенчатый редуктор верхнего силового привода буровой установки содержит размещенные в корпусных деталях тихоходный выходной вал, два промежуточных вала-шестерни, один быстроходный входной вал с зубчатым колесом, подшипниковые узлы. Первая ступень редукции выполнена в виде быстроходного входного вала, на котором расположена косозубая шестерня, входящая в зацепление с двумя косозубыми зубчатыми колесами, установленными на двух промежуточных валах, симметрично расположенных относительно оси вращения быстроходного входного вала. Вторая ступень редукции включает прямозубые шестерни, установленные на упомянутых выше промежуточных валах, входящих в зацепление с прямозубым колесом тихоходного выходного вала. Промежуточные валы установлены с возможностью осевого перемещения, а в их нижних подшипниковых узлах расположены регулировочные узлы, регулирующие равномерность зацепления косозубой шестерни быстроходного входного вала с двумя косозубыми зубчатыми колесами промежуточных валов. Оси быстроходного входного и тихоходного выходного валов и оси промежуточных валов параллельны и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Обеспечивается уменьшение габаритных размеров редуктора, повышение надежности его работы. 3 ил.

Двухступенчатый редуктор верхнего силового привода буровой установки, содержащий размещенные в корпусных деталях тихоходный выходной вал, два промежуточных вала-шестерни, один быстроходный входной вал с зубчатым колесом, подшипниковые узлы, отличающийся тем, что первая ступень редукции выполнена в виде быстроходного входного вала, на котором расположена косозубая шестерня, входящая в зацепление с двумя косозубыми зубчатыми колесами, установленными на двух промежуточных валах, симметрично расположенных относительно оси вращения быстроходного входного вала, вторая ступень редукции включает прямозубые шестерни, установленные на упомянутых выше промежуточных валах, входящих в зацепление с прямозубым колесом тихоходного выходного вала, при этом промежуточные валы установлены с возможностью осевого перемещения и в их нижних подшипниковых узлах расположены регулировочные узлы, регулирующие равномерность зацепления косозубой шестерни быстроходного входного вала с двумя косозубыми зубчатыми колесами промежуточных валов, а оси быстроходного входного и тихоходного выходного валов и оси промежуточных валов параллельны и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.