Гибкие валы

 Существенный шаг, оказавший влияние на подходы к конструированию ВЗД в целом был сделан в середине 70-х годов, когда ВНИИБТ выполнил комплекс научно-исследовательских работ и впервые в практике проектирования ВЗД предложил конструкцию гибкого вала, за­щищенную патентами СССР и других стран.

К началу 90-х годов в большинстве типоразмеров ВЗД, выпускаемых в России, для соединения ротора и выходного вала применяются гибкие ва­лы. В двигателях с наружным диаметром 88 мм и более гибкий вал разме­щается в расточке ротора, а в малогабаритных двигателях ниже ротора.

В большинстве случаев гибкий вал ВЗД представляет собой металличе­ский стержень круглого сечения с утолщенными концами. На концах вы­полняются присоединительные элементы: гладкий конус или коническая резьба. Иногда гибкий вал выполняется полым со сквозным цилиндриче­ским каналом для подвода рабочей жидкости высокого давления непосред­ственно к долоту. Для повышения циклической прочности в месте перехода от заделки к рабочей части вала имеется конус с утлом 5—15° или галтель с отношением радиуса галтели к диаметру вала в пределах от 0,1 до 0,2. Ти­пичные конструкции гибких валов приведены на рис. 4.13.

Преимущества использования гибких валов заключаются в простоте конструкции и высокой технологичности, большом сроке службы, соизме­римом с ресурсом корпусных деталей двигателя, а также возможностью реализации различных компоновок двигателей.

Опыт эксплуатации двигателей в наклонно направленном и горизон­тальном бурении выявил недостаточную стойкость гибких валов при углах перекоса секций более 1°30'. В связи с этим в последних конструкциях двигатели типа ДГ стали оснащать шарнирно-торсионными соединениями.

Соединение ротора ВЗД и вала шпинделя

Это один из основных уз­лов двигателя, определяющий долговечность и надежность гидромашины в целом.

Механизм, соединяющий планетарно движущийся ротор с концен-трично вращающимся валом, работает в тяжелых условиях. Помимо пере­дачи крутящего момента и осевой силы, этот узел должен воспринимать сложную систему сил в РО, характеризующуюся непостоянной ориентаци­ей ротора.

В отличие от известных в технике соединений, передающих вращение между двумя несоосными концентрическими вращающимися валами, рас­сматриваемое соединение в ВЗД является связующим звеном с ротором, совершающим планетарное движение, причем за один оборот выходного вала ротор Zt поворачивается вокруг своей оси, соответственно совершая Z\ циклов переменных напряжений.

Эти обстоятельства предопределяют повышенные требования к цикли­ческой прочности соединения, особенно при использовании многозаход-ных ВЗД.

Своеобразные условия работы соединения и невозможность переноса напрямую из других отраслей техники готового технического решения предопределили многообразие компоновок этого узла. Принципиально мо­гут быть использованы четыре типа соединений на базе:

деформации одного или нескольких элементов конструкции;

обеспечения свободы перемещения р

отора за счет введения элементов с относительно большим люфтом;

шарнирных соединений;

гибкого вала (торсиона).

Первый и второй тип соединения из-за существенных удельных на­грузок в ВЗД не нашли применения.

Двигатели универсального применения

Отечественные двигатели этой модификации охватывают диапазон на­ружных диаметров от 127 до 240 мм и предназначены для привода долот диаметром 139,7 — 295,3 мм
(табл. 4.9). Они создавались на основе много­летнего опыта конструирования турбобуров и в них использовались апро­бированные конструкции опорных узлов шпиндельной секции, резьбовых соединений, элементов соединения валов и др.

Таблица  4.9

Винтовые забойные двигатели для бурения и капитального ремонта скважин (второе поколение двигателей - 80-е годы)

Марка двигателя	Диаметр, мм	Длина, мм	Шаг ста­тора, мм	Число шагов	Расход жидкости, л/с	Крутящий момент, Н'М	Частота вращения,	Перепад давления, МПа
Ä1-54 Ä1-88 Ä1-27 Ä3-172 Ä2-195 Д1-240	54 88 127 172 195 240	1890 3225 5800 6880 6550 7570	222 390 650 850 850 880	2 2 2 2 2 3	1,0-2,5 4,5-7,0 15-20 25-35 25-35 30-50	70-110 800-950 2200-3000 3100-3700 3100-3700 10 000-14 000	3,0-7,5 2,7-5,0 3,3-4,3 1,3-1,8 1,3-1,8 1,2-2,2	7,54,5 2,7-5,0 5,5-8,5 3,9-4,9 3,9-4,9 6,0-8,0

V

А-А

Рис. 4.11. Винтовой забойный двигатель ДЗ-172:

1 — статор; 2 — ротор; 3 — гибкий вал; 4, 5 — кор­пусные переводники; 6 — корпус; 7 — вал; 8, 9 — осевая и радиальная опоры; 10 — наддолотный пере­водник

В то же время специфические узлы и детали двигателей (рабочие ор­ганы, соединение ротора и выходного вала, переливной клапан) не имеют аналогов и разрабатывались по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Выпускаемые в России и за рубежом ВЗД выполняются по единой схеме и имеют неподвижный статор и планетарно-вращающиися ротор.

На рис. 4.11 показано устройство двигателя модели ДЗ-172 в продоль­ном и поперечном разрезах. Это типичная конструкция двигателя. Двига­тель состоит из двух секций: силовой и шпиндельной.

Конусные детали секций соединяются между собой замковыми резь­бами, а валы — с помощью конусных, конусношлицевых или резьбовых соединений. Третий узел двигателя — переливной клапан, как правило, размещается в автономном переводнике непосредственно над двигателем или между трубами бурильной колонны.

Силовая секция включает в себя статор 1, ротор 2, соединение ротора и выходного вала 3 и корпусные переводники 4 и 5.

Шпиндельная секция состоит из корпуса 6, вала 7 с осевыми 8 и ради­альными 9 опорами, наддолотного переводника 10.

Турбобур с полым валом

Во ВНИИБТ разработаны турбобуры с полым валом (рис. 4.4), предна­значенные для бурения скважин шарошечными и алмазными долотами в сложных горно-геологических условиях. Турбобур состоит из турбинных секций и шпинделя. В зависимости от условий эксплуатации возможно ис­пользование от трех до шести турбинных секций для обеспечения требуе­мой характеристики турбобура.

 

 

Как видно из рис. 4.4, турбинные сек­ции состоят из корпуса и полого вала, уста­новленного внутри корпуса на четырех ре-зинометаллических радиальных опорах. В пространстве между корпусом и полым ва­лом установлено около 100 ступеней турби­ны. Концы полого вала оборудованы конус-но-шлицевыми полумуфтами, внутри кото­рых имеются уплотнительные элементы, предотвращающие утечку бурового раство­ра из полости вала к турбине. При сборке турбинных секций соблюдаются заданные размеры «вылета» и «утопания» полумуфт для обеспечения необходимого положения роторов относительно статоров.

Шпиндель турбобура состоит из кор­пуса и полого вала, установленного внутри корпуса на резинометаллических радиаль­ных опорах и упорно-радиальном шарико­вом подшипнике серии 128000. При необ­ходимости нижний конец корпуса шпинде­ля может быть оборудован стабилизатором, при этом на нижний конец вала устанавли­вается удлинитель, который центрируется внутри стабилизатора резинометаллической радиальной опорой.

При сборке турбинных секций преду­смотрена возможность установки стабили­заторов между турбинными секциями или между турбинной секцией и шпинделем. Для этого на нижнем переводнике турбинной секции на резьбе закрепляется стабилизатор, а на нижнем кон­це вала — удлинитель соответствующей длины, так, чтобы не изменять ра­нее отрегулированные присоединительные размеры «утопания» и «выле­тов» полумуфт.

Наличие полых валов турбинных секций и шпинделя позволяет осуще­ствлять следующие операции:

поддерживать в насадках долота перепад давлений в 6 — 9 МПа без до­полнительного нагружения буровых насосов;

проводить замеры пространственного положения ствола скважины в непосредственной близости от долота без подъема бурильной колонны на дневную поверхность;

на основании проведенных замеров корректировать осевую нагрузку на долото для управления процессом набора, сброса или стабилизации угла искривления ствола скважины;

прокачивать через полость валов, минуя турбину, разного рода напол­нители;

спускать в аварийных случаях в полость вала приборы для определе­ния места прихвата ПО-50 по ТУ 39-020 — 75 и торпеды, например, ТШ-35,

Таблица  4.6

 

Шифр тур­бобура	Число сту­пеней тур­бины	Расход жид­кости через турбину, л/с	Крутящий момент при Nmax, Н-м	Частота вращения При Nmax, с  '	Перепад давления, МПа	Диаметр долота, мм
ТПВ 240 А7ПВ ТПВ 178	552 588 552	30 22 17	2800 1600 1200	5,7 4,9 7,6	6,7 4,9 10	311; 295,3; 269,9 215,9; 212,2 215,9; 212,2

Примечание. 1000 3.

 —   максимальная мощность турбобура. Плотность жидкости   —

 

продавливать буровой раствор и выравнивать его свойства через по­лый вал с последующим сбросом гидромониторного узла; такая операция позволяет во много раз сократить время для проведения указанных работ.

В табл. 4.6 приведены технические характеристики турбобуров с по­лым валом.