ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ КОМПОНОВОК
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ
Несмотря на многообразие типоразмеров винтовых двигателей, их рабочие органы имеют общие особенности:
1. РО выполняются по одной кинематической схеме: неподвижный статор и находящийся внутри него планетарно движущийся ротор.
2. Направление винтовой поверхности РО - левое, что обеспечивает заворачивание реактивным моментом корпусных резьб ВЗД и резьб бурильных труб.
В зависимости от заданных характеристик двигателя РО выполняются как с однозаходным, так и с многозаходным ротором.
Роторы изготавливаются из коррозионно-стойкой или легированной стали с износостойким покрытием, а обкладка статора -из эластомера (преимущественно резины), обладающего сопротивляемостью абразивному изнашиванию и работоспособностью в среде бурового раствора (см. гл. 11).
В отечественных двигателях первого поколения (Д1-172, Д2-172, Д2-172М), выпускавшихся в 70-х годах, РО имели незначительную длину, не превышавшую 1-1,5 шага винтовой поверхности статора. В двигателях второго поколения, выпускаемых с начала 80-х годов, длина РО составляет 2-3 шага статора.
Наиболее перспективна монолитная конструкция РО, обеспечивающая простоту и мало детальность машин. Увеличение активной длины монолитной рабочей пары ограничивается технологическими возможностями литейно-прессового оборудования при изготовлении статора.
За рубежом в двигателях применяются РО протяженностью 5 и более шагов.
|
|
Рабочие органы ВЗД комплектуются с натягом (см. § 4.1). Значение натяга зависит от диаметральных и осевых размеров РО, свойств бурового раствора и материала обкладки статора и оказывает существенное влияние на характеристики и долговечность двигателя.
В связи с появлением термостойкой резины, в наибольшей степени отвечающей требованиям эксплуатации забойных двигателей, ряд западных компаний разработали рекомендации по выбору натяга в РО и режима нагрузки ВЗД (табл. 3.1) с учетом температурного фактора.
Таблица 3.1
Зависимость режима работы ВЗД от температурных условий (рекомендации фирмы "Sperry-Sun" [1761)
Максимальный рабочий перепад давления, % от номинальной нагрузки | ||||
Обычный элас- | Высокотемпе- | |||
Рабочая темпе- | Обычный | томер с компен- | Высокотемпе- | ратурный элас- |
ратура, *С | эластомер | сацией темпе- | ратурный элас- | томер с компен- |
ратурного расширения резины | томер | сацией температурного расширения резины | ||
38-54 | 100 | Не использу- | Не использу- | Не использу- |
ется | ется | ется | ||
54-77 | 80 | 100 | То же | То же |
77-99 | 60 | 80 | 100 | |
99-116 | Не используется | 65 | 80 | 100 |
116-132 | То же | 50 | 65 | 85 |
132-149 | Не используется | 50 | 65 | |
149-160 | То же | Не используется | 60 | |
160-177 | То же | Не используется |
Секционирование рабочих органов.В России с начала 80-х годов проводятся опытно-конструкторские работы по созданию секционных винтовых двигателей [51].
|
|
Переход на схему секционного ВЗД осуществляется: для повышения нагрузочной способности, когда необходимая для создания высокомоментного двигателя длина монолитных РО превышает длину, ограниченную возможностями изготовления;
для повышения стойкости (снижения контактных напряжений) РО при определенных режимах отработки долот, если осевой габарит ВЗД не является ограничивающим конструктивным фактором;
для повторного использования изношенных РО.
Секционные двигатели включают несколько последовательно расположенных рабочих пар или ряд модулей РО. В отличие от турбобуров при секционировании винтовых двигателей возникает ряд технических проблем, связанных с необходимостью обеспечения синхронной работы винтовых пар.
Методика секционирования и применяемые технические средства в 80-х годах были разработаны во ВНИИБТ.
|
|
На практике широко используется секционирование серийных РО.
Секционные двигатели на базе серийных РО могут выполняться в двух вариантах:
без ориентирования РО при жестком соединении роторов с помощью различных соединений, не нарушающих кинематику роторов (рис. 3.1);
с ориентированием РО по винтовой линии при жестком соединении статоров и роторов посредством резьбовых переводников [19] (рис. 3.2).
Стендовые испытания секционных двигателей, а также опыт их промышленной эксплуатации не показали существенных технико-экономических преимуществ той или иной конструктивной компоновки. Поэтому схему секционирования рекомендуется выбирать с учетом местных возможностей изготовления дополнительных приспособлений для сборки.
Неориентированная сборка- наиболее простой и распространенный способ секционирования. Однако долговечность и надежность данной компоновки во многом зависят от узла соединения секционируемых роторов.
Ориентированная сборка.Модули ротора и статора соединяются между собой резьбовыми переводниками таким образом, что винтовые поверхности каждого последующего модуля являются продолжением винтовых поверхностей предыдущего [19].
Ориентированная сборка осуществляется с помощью специальных приспособлений.
|
|
Приспособление для ориентирования сборки статоров 3 (рис. 33) состоит из роторов 2 и 6, наружные поверхности которых тождественны внутренней поверхности РО, диска 1 и штанги 5. Неподвижный монтажный ротор 6 жестко закреплен на штанге, а ротор 2, в котором выполнены прорези (насечки), вращается. По совпадению прорезей в роторе 2 и диске 1 судят о совпадении винтовых поверхностей статоров. Перед настройкой приспособления для ориентированной сборки статоров ротор 6 перемещается по трубе в положение, ближайшее к ротору 2, и закрепляется. Приспособление размещается в одном статоре для того, чтобы было гарантировано совпадение винтовых линий. Затем диск 1 устанавливается в положение, при котором его прорези совпадают с прорезями на торце ротора 2, и закрепляется.
После сборки первой пары статоров проводится окончательная настройка приспособления. При этом ротор 6 перемещается в крайнее (рабочее) положение и закрепляется. Приспособление устанавливается в собранных статорах и настраивается в том же порядке. Таким образом приспособление используется для дальнейшей работы.
Настройка приспособления для ориентированной сборки роторов (рис. 3.4) аналогична описанному выше процессу. В этом случае приспособление располагают на одном роторе РО таким образом, чтобы совпали винтовые линии. Крышку 3 устанавливают в положение, при котором прорези в ней совпадают с прорезями в статоре 4, и закрепляют.
При ориентированной сборке РО приспособления располагаются на соответст-
Рис. 3.6. Секционный двигатель фирмы "Halliburton":
1- нижний статор; 2 - нижний ротор; 3 - шарнирное соединение; 4 - центратор; 5 - переводник; 6 - верхний ротор; 7 - верхний статор
вующих винтовых поверхностях роторов или статоров, соединенных между собой посредством переводников. Затем докрепляются резьбы с приложением необходимого момента свинчивания до положения, соответствующего совпадению прорезей на приспособлениях.
Способ ориентированной сборки, несмотря на кажущуюся сложность и трудоемкость, был довольно быстро и хорошо освоен работниками сборочных цехов буровых предприятий.
В первых секционных двигателях использовались серийные шарнирные соединения. При этом шарниры часто выходили из строя. Причина заключалась в том, что соединяемые роторы могут находиться в противофазе и тогда смещение осей шарнира соответствует двум эксцентриситетам. В ходе испытаний секционных двигателей была выявлена необходимость разработки специального шарнирного соединения. В Пермском филиале ВНИИБТ был разработан пальцевый шарнир. Заложенные в конструкцию элементы и допуски позволили надежно соединять роторы секций. Для соединения роторов применяются также и гибкие валы.
Помимо использования стандартных РО перспективны схемы модульного секционирования [51]:
отдельных модулей статора при монолитном роторе;
отдельных модулей ротора при монолитном статоре;
агрегирование модулей ротора и статора.
Во ВНИИБТ разработаны двигатели типа ДММ (рис. 3.5), РО которых представляют собой агрегированные в корпусе элементы статора, а на валу - элементы ротора. Конструкция модулей [31] позволяет проводить сборку секции автоматически, без какой-либо настройки.
Во второй половине 90-х годов секционирование как способ повышения мощности и нагрузочной способности ВЗД был использован и зарубежными компаниями [169]. Так, "Halliburton" начала производить так называемые "тандем-двигатели" (Dyna-Drill) по схеме неориентированной сборки РО (рис. 3.6). Секционные двигатели применяются также компанией "Baker Hughes" [159, 167].
ШПИНДЕЛЬ
Все отечественные винтовые двигатели, начиная с первых образцов, выпускаются в шпиндельном исполнении. Под термином "шпиндель" подразумевается автономный узел двигателя с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками. В большинстве случаев шпиндель может быть отсоединен без демонтажа силовой секции, при необходимости и на буровой.
Шпиндели отечественных ВЗД выполняются немаслонапол-ненными. Все узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором. Отказ от использования маслонаполненных и герметизированных шпинделей объясняется как традиционным подходом к конструированию забойных двигателей [94], так и практической целесообразностью иметь гидромашину, обладающую примерно равным ресурсом отдельных узлов.
Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает крутящий момент и осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долот и шарнирного соединения (гибкого вала). В ряде случаев при использовании породоразрушающих инструментов с насадками (гидромониторное бурение) шпиндель должен выполнять функции уплотнения выходного вала, позволяя создавать необходимый перепад давления в насадках долота.
Наиболее распространенная конструкция шпинделя (рис. 3.7) включает монолитный полый вал, соединенный посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части - с шарниром (или гибким валом). Для восприятия осевых нагрузок используются как упорно-радиальные, так и упорные подшипники. Подшипники выполняются многорядными и сохраняют работоспособность при выработке зазора (люфта) до 5-7 мм.
Рис. 3.8. Упорно-радиальные подшипники:
а - с коническими дорожками качения; б - с тороидными дорожками качения; в - с комбинированными дорожками качения; 1 - наружное кольцо; 2 - внутреннее кольцо; 3 - шар; 4, 5 - распорные втулки; б - вал; 7 - проставочное кольцо. В отечественных двигателях применяются упорно-радиальные подшипники качения [94, 102]:
с коническими дорожками качения (серия 128700), используемые в двигателях с наружными диаметрами 105, 108, 195 и 240 мм (рис. 3.8, а);
с тороидными дорожками качения (серия 296000), используемые в двигателях с наружными диаметрами 85, 88 и 127 мм (рис. 3.8, б);
с комбинированными дорожками качения (рис. 3.8, в), используемые в двигателях Д-48, Д1-54, ДГ-95, ДГ-108. Для увеличения нагрузочной способности при одновременном упрощении конструкции тороидные дорожки для шаров этих опор расположены непосредственно на валу [33, 152].
В некоторых модификациях двигателей диаметром 172 мм использовались упорные подшипники качения с тороидными дорожками и резиновым компенсатором типа ШШО (серия 538900).
Механизм действия многорядной опоры рассмотрим на примере подшипника типа ШШО, одна ступень которого показана на рис. 3.9. Среднее кольцо / двойного подшипника закреплено в корпусе с помощью наружных обойм 2, а крайние кольца 3 расположены на наружной поверхности внутренней втулки 4, которая зажимается на валу шпинделя вместе с резинометалличе-ским компенсатором 5. Осевая нагрузка передается с корпуса на вал шпинделя через резиновые подушки компенсаторов 5 и шары, в результате обеспечивается равномерное распределение нагрузки по рядам опоры и демпфирование динамических нагрузок.
Размеры упорно-радиальных и упорных подшипников качения шпинделей ВЗД приведены в табл. 3.2.
Детали подшипников качения выполняются из специальной подшипниковой стали марки 55СМА или 55СМА5ФА (ТУ 14-1-3189-81) с пределом текучести > 1100 МПа и ударной вязкостью > 800 кДж/м2. Твердость колец, контактирующих с шарами, - 45-47 HRC, а самих шаров - 58-62 HRC.
В некоторых конструкциях шпинделей ВЗД используются многорядные упорные подшипники скольжения непроточного типа (рис. 3.10). Выбор типа осевых подшипников зависит от условий эксплуатации ВЗД. Многолетние стендовые и промысловые испытания подтвердили преимущества резинометаллических упорных подшипников скольжения при эксплуатации двигателей в абразивной среде и при высоких нагрузках. Недостаток подшипников скольжения - повышенные механические потери, особенно при невысоких частотах вращения.
Некоторое уменьшение механических потерь наблюдается в подпятниках с так называемой "утопленной" резиной [96] (рис. 3.11).
Размеры упорных подшипников скольжения приведены в табл. 3.3.
В пятах используется резина марки ИРП-1226, а рабочие поверхности контактирующих с ними дисков выполняются из цементируемой стали, закаленной до твердости HRC 45-48.
Радиальные подшипникишпинделя в большинстве случаев представлены парой трения скольжения. Неподвижный элемент выполняется в виде резинометаллической детали (рис. 3.12), рабочая эластичная поверхность которой имеет профильные канавки. Ответная деталь - металлическая, ее рабочая поверхность подвержена упрочнению.
В двигателях для наклонно направленного и горизонтального бурения радиальные подшипники выполняются в виде пары трения "металл - металл". Ввиду повышенных радиальных нагрузок, присущих ВЗД этого класса (вследствие действия отклоняющей силы на долото), данный узел является одним из самых недолговечных, определяющих межремонтный период двигателя в целом.
Размеры радиальных подшипников представлены в табл. 3.4.
Размер зазора в радиальных опорах определяется возможной точностью изготовления деталей, а также необходимой утечкой жидкости для охлаждения опоры.
В зарубежных двигателях для повышения долговечности нередко применяются радиальные металлические опоры, армиро-
Типоразмер двигателей | Номер (шифр) подшипника | Диаметр,мм
Нару внутр жный енний | Длина подшипника, мм | Число рядов | Число шариков в ряду | Диаметр Шариков, мм | Масса,кг | |
Д1-240 Д2-195 ДЗ-172 Д5-172 ДГ155 Д1-145 Д1-127 Д-108 Д1-105 ДГ-108 ДГ-95 ДГУ-95 Д1-88 Д-85 Д1-54 Д-48 | 128723 128726 128721к 538920 6-128917 ДГ-155.080 128713 296712 296710 Сборный Сборный Сборный 296708 106901к сборный | 205 205 165 148 148 128 128 105 88 88 76 76 70 45 38 | 115 130 105 97,3 84 76 65 60 50 - - 48 42 - - | 570 788 505 88 505 260 351,5 175 175 115 112 156 100 75 70,5 | 12 15 15 2 15 8 10 8 6 4 5 6 8 4 4 | 20 22 22 19 19 20 15 20 16 13 14 20 18 13 13 | 25,4 25,4 19,05 19,05 19,05 15,875 19,05 12,7 12,7 15,875 12,7 9,525 9,525 7,938 6,5 | 88,8 102,0 42,4 4,16 44,1 17,5 24,2 6,0 4,3 5,4 3,8 3,5 1,5 1,1 0,7 |
Рис.3.10. Многорядная осевая опора скольжения:
1-наружнее кольцо; 2-диск; 3-внутренне кольцо; 4-подпятник; 5-корпус шпинделя; 6-вал.
Рис.3.11. Осевая опора с подпятником с ”утопленной ” резиной.
Рис.3.12. Радиальная опора шпинделя.
Таблица 3.4
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1280; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!