Двигатели для наклонно направленного и горизонтального бурения

энергетических параметров, обеспечивающийся наличием в его комплекте трех модификаций рабочих органов с различными рабочими объемами, что позволяет использовать эти машины для самых разнообразных видов ре­ монтно-восстановительных работ при капитальном ремонте скважин.

Турбовинтовые двигатели

В последние годы отечественный парк забойных гидравлических дви­ гателей пополнился новым представителем - турбовинтовым двигателем

(ТВД).

Впервые схема турбовинтового агрегата была предложена в 1970 г. ав­ торским коллективом ВНИИБТ в составе М.Г. Гусмана, Д.Ф. Болденко,

А.М. Кочнева и С.С. Никомарова.

Турбовинтовые двигатели ТВД органично сочетают высокую стой­ кость, свойственную турбобурам, и оптимальную энергетическую характе­ ристику (высокий уровень отношения М/п при незначительном падении частоты вращения при погрузке двигателя), типичную для ВЗД.

Турбовинтовой двигатель можно отнести к редукторным турбобурам; в нем винтовая пара выполняет функции не только редуктора, но и стабили­ зирующего элемента при перегрузках долота. Несмотря на большую метал­ лоемкость и сложность конструкции, турбовинтовые двигатели в ряде слу­ чаев успешно конкурируют с ВЗД. Это объясняется прежде всего их суще­ ственно большим ресурсом, что особенно привлекательно при использова­ нии современных высокопроизводительных долот.

Двигательные секции ТВД конструктивно могут выполняться в двух вариантах:

винтовая пара монтируется над турбинной секцией; винтовая пара монтируется между турбинной и шпиндельной сек­

циями.

В первом варианте упрощается конструкция двигателя — проектиру­ ется лишь один узел соединения планетарного ротора. Кроме того, упро­

щены силы, возникающие в винтовой паре, практически не воспринима­ ются долотом.

Второй вариант менее предпочтителен, так как требует двух узлов со­ единения ротора.

Элементы конструкций двигателей и их компоновок

Рабочие элементы. Несмотря на многообразие типоразмеров винтовых двигателей их рабочие органы имеют общие особенности.

РО выполняются по одной кинематической схеме: неподвижный ста­ тор и находящийся внутри него планетарно движущийся ротор.

Направление винтовой поверхности РО — левое, что обеспечивает за­

ворачивание реактивным моментом корпусных резьб ВЗД и резьб буриль­ ных труб. '

В зависимости от заданных характеристик двигателя РО выполняются как с однозаходным, так и многозаходным роторами.

Роторы изготавливаются из нержавеющей или легированной стали с износостойким покрытием, а обкладка статора - из эластомера (преиму-

106

щественно резины), обладающего сопротивляемостью абразивному изна­ шиванию и работоспособностью в среде бурового раствора.

В отечественных двигателях первого поколения (Д1-172, Д2-172, Д2-172 м), выпускаемых в 70-х годах, РО имели незначительную длину, не превышающую 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 конструкции РО, обеспечивающая простоту и малодетальность машин.

Рабочие органы ВЗД комплектуются с натягом. Величина натяга зави­ сит от диаметральных и осевых размеров РО, свойств промывочной жид­ кости и материала обкладки статора и существенно влияет на характери­ стики и долговечность двигателя.

Шпиндель, Все отечественные винтовые двигатели, начиная с первых образцов, выпускаются в шпиндельном исполнении.

Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигате­ ля с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками.

В большинстве случаев шпиндель может быть отсоединен без демон­ тажа силовой секции, при необходимости и на буровой.

Шпиндели отечественных ВЗД выполняются немаслонаполненными. Все узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором. Отказ от использования маслонаполненных и герметизированных шпинделей объяс­ няется как традиционным подходом к конструированию забойных двигате­ лей, так и практической целесообразностью иметь гидромашину, обладаю­ щую примерно равным ресурсом отдельных узлов.

Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, воспринимает реак­ цию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долот и шарнирного соединения (гибкого вала).

Вряде случаев, при использовании породоразрушающих инструментов

снасадками (гидромониторное бурение), шпиндель должен выполнять функции уплотнения выходного вала, позволяя создавать необходимый пе­ репад давления в насадках долота.

Наиболее распространенная конструкция шпинделя включает моно­ литный полый вал, соединенный посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части — с шар­ ниром.

Для восприятия осевых нагрузок используются как радиально­ упорные, так и упорные подшипники. Подшипники выполняются много­ рядными и сохраняют свою работоспособность при выработке зазора (люфта) до 5—7 мм.

Вотечественных двигателях используются радиально-упорные под­

шипники качения:

сконическими дорожками качения (серия 128700), используемые в двигателях с наружными диаметрами 105, 108, 195 и 240 мм;

стороидными дорожками качения (серия 296000), используемые в дви­

гателях с наружными диаметрами 85, 88 и 127 мм;

стороидными дорожками качения и резиновым компенсатором типа ШШО (серия 538900), используются в некоторых модификациях двигателей диаметром 172 мм;

скомбинированными дорожками качения, используемые в двигателях

Д-48, Д1-54, ДГ-95, ДГ-108. Для увеличения нагрузочной способности при

обеспечения свободы перемещения ротора за счет введения элементов с относительно большим люфтом;

шарнирных соединений; гибкого вала (торсиона).

Первый и второй тип соединения из-за существенных удельных на­

грузок в ВЗД не нашли применения.

Ш арнирные соединения ВЗД. Они прошли эволюцию от пальцевых

шарниров (аналогичных автомобильным) до специальных конструкций, наиболее приспособленных для передачи динамических осевой нагрузки и

крутящего момента.

В первом поколении отечественных ВЗД применялись двухшарнирные соединения зубчатого типа с центральным шаром. Оно использовалось для передачи крутящих моментов до 700 кгс-м (68600 Н-м) при частоте враще­ ния до 200 об/мин. Эксцентриситет соединения доходил до 5 мм.

Шарнирные соединения ВЗД работают, как правило, в среде абразив­ ных жидкостей. Поэтому надежная герметизация шарниров является од­ ним из основных направлений повышения их работоспособности. Пробле­ ма герметизации осложняется тем, что полости, которые требуется изоли­ ровать, вращаются вокруг смещенных осей в условиях вибрации и значи­ тельного гидростатического давления. Поэтому герметизирующие элементы должны быть гибкими и прочными при циклической нагрузке, а устройст­ во для герметизации — в целом простым и надежным.

Сначала в шарнирах использовались простейшие резиновые уплотне­ ния, в дальнейшем стали применять уплотнения сильфонного и манжетного типов (рис. 4.12).

Гибкие яялы. 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, за­ щищенную 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 ва­ лы. В двигателях с наружным диаметром 88 мм и более гибкий вал разме­ щается в расточке ротора, а в малогабаритных двигателях ниже ротора.

В большинстве случаев гибкий вал ВЗД представляет собой металличе­ ский стер^ень круглого сечения с утолщенными концами. На концах вы­ полняются присоединительные элементы: гладкий конус или коническая резьба. Иногда гибкий вал выполняется полым со сквозным цилиндриче­ ским каналом для подвода рабочей жидкости высокого давления непосред­ ственно к Долоту. Для повышения циклической прочности в месте перехода от заделки к рабочей части вала имеется конус с углом 5 —15° или галтель с отношение** радиуса галтели к диаметру вала в пределах от 0,1 до 0,2. Ти­ пичные коцоТруКцИИ гибких валов приведены на рис. 4.13.

Рис*4Л2- у *лотненне сильфонного ■ манжетного тндов