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: 511; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ