Конструкция роторов

ВВЕДЕНИЕ

        Ротор (рис. 1) предназначен для передачи вращения бурильной колонне при роторном бурении или восприятия реактивного крутящего момента колонны, создаваемого забойными двигателями при турбинном бурении или при бурении электробуром. Реактивный момент воспринимается квадратными вкладышами 3, надетыми на ведущую трубу, и специальным стопорным устройством в створе ротора, при включении которого вращение стола становится невозможным.Таким образом, находящиеся в скважине бурильные трубы, становятся как бы заторможенными в роторном столе, а вал забойного двигателя вместе с долотом продолжает вращаться, разрушая на забое породу.

       Ротор также предназначен и для удержания на весу бурильных и обсадных труб во время их спуска или подъема. Используется он при ловильных и прочих работах, где требуется вращение бурильных труб.

Привод ротора осуществляется через буровую лебедку цепной или карданной передачей, от КПП, а также в отдельных случаях  от индивидуального привода.

1 КОНСТРУКЦИИ  РОТОРОВ

       Ротор (рис. 2) состоит из следующих основных узлов и деталей. Станина 7 является основным элементом ротора. Она представляет собой стальную отливку, внутри которой смонтированы почти все остальные узлы и детали, за исключением крышки 1 и цепного колеса 9. Внутренняя полая часть станины является также масляной ванной для конической пары и опор стола ротора.

Рис. 1 – Внешний вид ротора

       Стол ротора 2 - это основная вращающаяся его часть, приводящая во вращение при помощи разъемных вкладышей 4 и зажимов 5 ведущую трубу и соединенную с ней спущенную в скважину бурильную колонну. Стол ротора монтируется на двух шаровых опорах - главной 3 и вспомогательной 8. Главная опора 3 воспринимает осевые статические нагрузки от веса колонны, спущенной в скважину, и действующие динамические нагрузки - радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о вкладыши при подаче колонны труб и от веса стола ротора.Вспомогательная опора 8 стола служит для восприятия радиальных нагрузок от зубчатой передачи и от осевых ударов при бурении или подъеме колонны. В верхней части стол имеет лабиринтные уплотнения между корпусом и столом  ротора   2,   предупреждающие возможность проникновения   бурового раствора внутрь станины и выбрасывание смазки из ротора при вращении стола.

Приводной вал 6 установлен в станине на двух роликовых подшипниках, один из которых, находящийся рядом  с конической шестерней, сдвоенный  радиально-упорный. На один конец вала насажена коническая шестерня, на другой — цепное колесо 9, установленное  на консольной части вала, вне станины. Это колесо соединено цепью со звездочкой лебедки. Привод во вращение осуществляется включением пневматической муфты.

В некоторых конструкциях буровых установок роторный вал  соединен с источником вращения карданным  валом, тогда вместо цепного колеса на валу ротора монтируется муфта  кардана.

Верхняя крышка 1 образует площадку, удобную для работы при спускоподъемных  операциях, а также предохраняет внутреннюю часть станины от загрязнения.

Кронштейн 11 предназначен для  присоединения механизма подъема  и опускания в отверстие ротора клиньев при спускоподъемных  операциях.

Разъемные вкладыши 4, состоящие  из двух половин, закрывают проходное  отверстие ротора. Во вкладыши вставляют  клинья для спускоподъемных операций, а при бурении — квадратные зажимы ведущей трубы. Зажимы 5 обычно закрепляются болтами на ведущей  трубе и вместе с ней опускаются в отверстие разъемных вкладышей.

 

 

Рис. 2 – Ротор в разрезе

 

Стопорное устройство 10 предназначено  для фиксирования роторного стола. Рукоятка управления стопорным устройством  находится на поверхности крышки стола в специальном углублении, предохраняющем ее от повреждения. Кроме  того, находясь в углублении, она  не мешает работе. При переводе рукоятки в рабочее положение выдвигается  упор, входящий в одну из специальных лунок на наружной поверхности стола и препятствующий вращению последнего.Для механизации процессов и облегчения труда рабочих при спускоподъемных операциях современные роторы укомплектовываются пневматическими клиновыми захватами с набором клиньев для бурильных труб различных размеров.

Основные параметры  и размеры роторов отечественного производства                               Таблица 1                               

Параметры	Р560-ШВ «Бакинец»	У7-520-3	У7-560-6	У7-760
Максимальная статическая  нагрузка на стол, МН	1.6	2.0	3.2	4.0
Максимальный вес бурильной  колонки, МН	1.0	1.3	2.0	3.0
Максимальная передаваемая мощность, кВт	260	400	360	600
Максимальная частота  вращения стола ротора, об/мин	320	300	250	230
Проходное отверстие стола  ротора, м	0.56	0.52	0.58	0.76
Число зубьев конической косозубой  передачи:
ведущей шестерни	21	18	18	23
Венца	58	58	65	72
Расстояние от центра стола  до средней плоскости цепного  колеса, мм	1370	1370	1370	1650
Передаточное отношение	2.76	3.22	1.51	3.13
Опоры:
основная — число шаров диаметром 75 мм	26	25	31	36
вспомогательная — число шаров диаметром 50 мм	26	24	36	36
Габаритные размеры, мм:
Длина	2310	2250	2270	1750
ширина	1350	1400	1610	1200
высота	775	750	750	750
Масса ротора, т	4.0	4.8	6.6	5.9

 

Диаметр отверстия в столе  ротора определяет проходной размер   долота   и   характеризует   основные   размеры   ротора. Максимально допустимая нагрузка определяет нагрузочные возможности ротора. Между допустимой нагрузкой и  диаметром отверстия существует соотношение, при котором ротор  с определенным диаметром отверстия, как правило, соответствует нагрузкам, определяемым конструкцией скважины.

Присоединительными размерами  ротора, обеспечивающими его взаимозаменяемость, считаются: базовое расстояние А (рис. 3), диаметр конца приводного вала d=150; диаметр отверстия в столе ротора D = 560; присоединительные размеры вкладышей Б = 580, зажимов для ведущей трубы, клиновых захватов для бурильных и обсадных труб. Присоединительные размеры для различных роторов нормализованы.

                                                                     

Рис. 3 – Присоединительные размеры Р560-Ш8

2 ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ  КЛИНОВЫЕ ЗАХВАТЫ, ВСТРОЕННЫЕ  В РОТОР

       Применение пневматических клиновых захватов облегчает труд буровых рабочих и ускоряет процесс спускоподъемных операций.Пневматические клиновые захваты (рис. 4) предназначены для механизированного захвата и удержания на весу бурильных труб в столе ротора при спускоподъемных операциях и обсадных труб при спуске в скважину. Пневматические клинья, встраиваемые в ротор, выпускаются в настоящее время почти для всех роторов глубокого эксплуатационного и разведочного бурения.

 

                             

 

Рис. 4 – Пневматический клиновый захват

Механизм состоит из корпуса 6, двух вкладышей 5, четырех клиньев 3, подвешенных к направляющим 2, связанных  между собой снизу кольцом 7, державок 4, пневматического цилиндра 9, предназначенного для подъема и опускания клиньев  при помощи рычага 8, и крана управления 1. Четыре клина 3 предварительно собирают вместе и с помощью державок 4 присоединяют к верхним концам направляющих.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническая характеристика

                                                                                                                     Таблица 2

Диаметр пневматического  цилиндра, мм	200
Ход поршня, мм	255
Ход клиньев, мм	414
Рабочее давление воздуха, МПа	0,7-0,8
Управление педальным  краном	С поста бурильщика
Диаметр труб, мм	114, 127, 140, 168
Допустимая нагрузка на клинья при поддержании бурильных и  обсадных труб с толщиной стенки 8 мм, МН:
трубы группы прочности Д	0,9
трубы группы прочности Е	1,25
трубы группы прочности Л	1,45
трубы группы прочности М	1,60

 

Клиновые захваты выпускаются  двух типов: ПКР-У7 и ПКР-Ш8. Конструкции  их одинаковы, различаются они в  основном наружным диаметром корпуса.

3 РАСЧЕТ РОТОРОВ

3.1 Выбор исходных  данных

       Долговечность ротора зависит в основном от величины действующих нагрузок, конструкции и качества его изготовления, монтажа зубчатой передачи и подшипников.Конические зубчатые колеса передачи изготовляются со спиральным или косым зубом с углом наклона β≤10°С, твердость поверхности его рабочих профилей должна быть не ниже HRC 45. Так как окружные скорости конической передачи достигают 15—20 м/с и более, передача изготовляется не ниже чем по третьему классу точности. В роторах передаточное отношение обычно u=2,5÷5. Поскольку размеры ведомого колеса определяются конструктивно диаметром проходного отверстия стола ротора, число его зубьев выбирается в зависимости от модуля, полученного расчетным путем, и передаточного отношения. Модуль конической пары обычно равен 12—16 мм.

Ширина зубчатых колес  для конических передач b≤0,2 Е, где  Е — конусная дистанция; ширина шестерен b = (0,15÷0,2)A, где А — межцентровое расстояние передачи.В опорах ведущего вала применяют роликовые подшипники почти всех типов. Наиболее нагруженными радиальными усилиями являются подшипники, установленные у ведущего конического колеса. Осевые усилия в ведущем валу воспринимаются сдвоенным коническим или сферическим радиальным роликоподшипниками, которые ограничивают от осевых перемещений. При применении конических подшипников ведущий вал монтируют в стакане, так как необходимо осуществлять регулировку конической передачи и осевого зазора подшипника. Регулировку обычно осуществляют набором тонких металлических пластин, устанавливаемых между фланцем стакана и крышкой.

       Действующие на опоры нагрузки определяются общепринятыми в деталях машин методами. Размеры опор стола ротора выбираются по конструктивным соображениям, в зависимости от диаметра проходного отверстия ротора, а число шаров и их диаметр — в зависимости от величин действующих нагрузок. Долговечность подшипников определяется по эквивалентным нагрузкам, по которым затем находят условную нагрузку, действующую на подшипник.

Для роторов динамический коэффициент k1 = 2÷2,5.

3.2 Определение  частоты вращения стола ротора  при приводе от вала буровой  лебедки ЛБУ-1400

Число зубьев ведущего цепного колеса лебедки трансмиссии ротора zбз=27.

Частота вращения этого колеса (в об/мин):

на 1-й скорости n1 = 211,

на 2-й n2=324,

на 3-й n3=513.

Частота вращения стола ротора (в об/мин) соответственно будет

                                                                    

 

     -число зубьев звездочки на роторном валу; up = 2,76— передаточное отношение конической передачи ротора;

 

 

 

Меняя соответственно величину частоты вращения звездочки на трансмиссионном  валу, можно определить nP2 и nP3:

 

 

 

 

Если при ловильных работах необходимо уменьшить частоту вращения роторного стола до 50 об/мин, то, чтобы не изменять кинематическую схему лебедки, надо увеличить число зубьев на цепном колесе приводного вала ротора (в нашем случае на колесо с большим числом зубьев). Определяем, с каким числом зубьев следует поставить новое цепное колесо:

                                                                                       

 

 

Откуда:

 

   

 

3.3 Расчет главной  опоры ротора

Подшипник стола ротора так  же, как и зубчатая передача, является основным элементом, определяющим долговечность  и надежность ротора.

В опорах ведущего вала применяются  стандартные роликоподшипники качения, их расчет аналогичен расчету опор валов общего машиностроения. Для  выбора подшипников и определения  их срока службы сначала рассчитывают действующие на опоры усилия (рис. 5). Для этого надо найти усилия, действующие в зацеплении: окружное усилие Р, радиальные Q и осевые N.

                  

Рис. 5 – Расчетная схема ротора

При расчете роторов обычно условно принимают, что привод ведущего вала всегда осуществляется цепной передачей  при минимальном диаметре ведущей  звездочки, к. п. д. ротора η = 0,9, коэффициент  запаса kз =2÷4. За расчетный режим принимается частота вращения стола np =100 об/мин, срок службы Lh = = 3000 ч при длительно действующем эквивалентном моменте на столе ротора M2.

Для определения долговечности  опор ротора устанавливают исходные параметры для расчета.

Расчетная частота вращения стола ротора np =100 об/мин; расчетный крутящий момент на столе ротора M2, Н•м.

Например, для бурения  скважины глубиной 5000 м с использованием ротора У7-560-6 необходима мощность N=500кBт. Крутящий момент на столе ротора при  частоте вращения np = 100 об/мин:

 

 

Здесь           — угловая скорость вращения стола ротора. Усилия (в Н), действующие в зубчатом зацеплении: