Brevet FR2002182A1 — publié le 19691017

i 2002182 La présente invention concerne un engrenage démultiplicateur particulièrement adaptable aux turbines de forage, de dimensions réduites, pouvant fonctionner dans des conditions de températures et de pressions élevées, et assurant une large gamme de 5 vitesses de rotation et d^éouples ce qui permet de l'utiliser aux régimes modernes de forage. On connaît des engrenages démultiplicateurs dans lesquels la transmission se fait en partant d'un arbre axial central, par l'intermédiaire de cames axiales ayant six profils doubles dispo-10 sés en forme d'étoile, qui agissent sur six corps, leur imprimant un mouvement radial alternatif vers l'extérieur et vers le centre ce mouvement radial étant provoqué par les fentes de guidage prévues sur un corps cylindrique annulaire coaxial, ayant un arbre central, et par les cannelures intérieures d'un cylindre annulai-15 re périphérique. Les extrémités profilées des corps qui se déplacent dans les fentes de guidage, pénétrant et sortant alternativement des cannelures du cylindre annulaire périphérique, transmettent à celui-ci un mouvement de rotation avec une vitesse angulaire ré-20 duite, coaxialement avec le mouvement de rotation dQ^'arbre central. Ce type de réducteur présente l'inconvénient que, à cause du grand nombre de pièces en friction, il se produit d'une part, une usure rapide de ces pièces et que, d'autre part, la transmission s'accomplit avec une grosse perte d'énergie, ce qui en fait 25 beaucoup baisser le rendement. On connaît aussi des engrenages démultiplicateurs pour les turbines de forage, dans lesquels la démultiplication est réalisée par l'intermédiaire de pignons à denture cylindrique intérieure et extérieure, ou des engrenages démultiplicateurs avec 30 des satellites de forme cylindrique ou conique. Ces types de réducteurs présentent l'inconvénient qu'ils n'assurent pas une grande sûreté d'exploitation à cause de leur résistance moindre aux moments de torsion à des régimes intensifs de forage, ceci étant dû aux petits modules des dentures, imposés par le gabarit 35 réduit du trou de sonde. Le but de la présente invention est d'éliminer ces inconvénients. L'engr^enage démultiplicateur selon l'invention élimine ces inconvénients en ce que pour obtenir une large gamme de vitesses 40 de rotation et de couples dans un dispositif de petites dimen 69 04074 2 2002182 sions pouvant fonctionner dans des conditions de pressions et de températures élevées, le mouvement de rotation de l'arbre de commande se transmet par des cames placées sur cet axe et dont le coté d'attaque a une forme convenablement choisie, cames qui 5 actionnent des roulements montés sur des arbres fixés entre deux disques superposés qui, à leur tour, sont pourvus chacun d'un arbre en console, ces arbres en console étant eux-mêmes montés par l'intermédiaire de roulements, entre deux brides solidaires de l'arbre de sortie, l'action des cames étant transmise d'abord 10 aux roulements qui, à leur tour, impriment un mouvement de rotation aux paires de disques superposés, les obligeant à exécuter simultanément un mouvement de rotation autour de l'arbre principal du réducteur par suite des enclenchements successifs des roulements dans les sièges ménagés à la surface intérieure de la 15 carcasse et ayant une forme et une ouverture adaptées au profil des cames et au diamètre des roulements, le mouvement de rotation autour de l'arbre principal du réducteur, exécuté par les paires de disques, se transmettant par l'intermédiaire des brides directement à l'arbre de sortie avec un rapport de réduction du nom-20 bre de tours fonction du nombre de paires de cames et des sièges de repos de la carcasse intérieure du réducteur. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, l'engrenage démultiplicateur est formé d'une carcasse extérieure solidarisée à sa partie supérieure avec la turbine, la jonction entre sa partie 25 inférieure et le trépan étant rendue étanche à l'aide d'un joint et étant pourvue d'orifices pour la circulation du fluide de forage; à l'intérieur de cette carcasse, on a monté, par l'intermédiaire de pièces d'écartement, une carcasse munie à.l'intérieur de sièges dans lesquels s'engagent les roulements actionnés par 30 les cames de l'arbre principal qui est directement couplé avec l'arbre de la turbine, et reposant par des paliers à roulements sur deux brides solidaires de l'arbre de sortie centré à l'aide d'un palier à roulement radial sur un couvercle fileté solidaire de la carcasse intérieure, lequel couvercle supporte un presse-35 étoupe réservoir reliée par un canal et par un orifice avec l'espace interne de l'engrenage démultiplicateur qui est muni à sa partie supérieure d'une membrane pour égaliser les pressions; l'ensemble de l'engrenage démultiplicateur repose à l'intérieur de la carcasse par l'intermédiaire de paliers à roulements, l'ar-40 bre de sortie du réducteur étant muni d'un presse-étoupe, d'un 69 ©407t 3 2002182 ^ couvercle inférieur, de collets appartenant à cé couvercle, et reposant sur des roulements et sur line vis de repos prenant en charge lës sollicitations dues à la pression axiale s'exerçant sùr le Sfépan, sollicitations transmises par l'intermédiaire 5 - dlr'b'Oûvfrôle, de la carcasse intérieure, de l'engrenage démul-tiplic^éêur et des pièces de centrage à la carcasse extérieure de 1*engrènage démultiplicateur, solidaire de la turbine. S ' ' u ' 'Uilê' forme d'exécution de l'invention est représentée à t±tï*e d"ceS:èmple au dessin annexé dans lequel : 1D : " -îa figure 1 est une section longitudinale du corps de l"' engreîî'âge; " figure 2 est une section de détail de l'engrenage, et -*lâ figure 3 est une section transversale suivant la ligne A-ÎA de l'engrenage, représenté à la figure 1. 15 ' L'engrenage démultiplicateur selon l'invention, comprend "ùh "ârbîfé principal 1, qui est couplé à son extrémité supérieure a " "directement à l'arbre moteur de la turbine non représenté dans les figurés, et qui est soutenu à son extrémité inférieure, par tfès roulements radiaux 2 et des roulemants axiaux 3. L'arbre 1 2Û • est poufvu de cames 4 dont le profil d'attaque a une courbe adéquate, ces cames étant placées au même niveau ou à des niveaux différents et actionnant des roulements 5. Les roulements 5 peu-Venti'"être du type à aiguilles, ou d'un type adapté aux charges en f'bhdtiornement, et sont montés, dans un mode de réalisation, sur 25 un arbrë 6 dont les extrémités sont solidaires d'une paire de disques"'7 superposés, symétriques et coaxiaux; il peut y avoir • i& S'èUl"roulement ou plusieurs superposés. Mris un autre mode de réalisation, les roulements 5 peuvent être reliplacés par des boulons en acier supportés à leurs ex-3P tr'éïnit'és par des roulements engagés dans les disques 7. ' Pour égaliser les couples de transmission, le nombre de ; fttliieméhts 5, montés entre les disques 7, peut être porté à trois ou: qua'^re et les roulements sont montés respectivement sur deux, trois oti' quatre arbres entre chaque paire de disques 7. 35 ' Lès paires de disques 7 sont dotées d'arbres en console b Reposant" par l'intermédiaire de paliers à roulements 8 sur une "bride supérieure 9 et une bride inférieure 10. Les deux brides § et XOP s ont rendues solidaires l'une de l'autre à l'aide de tiges II démontables ayant un profil correspondant à l'espace 40 libre' entre deux paires voisines de disques 7. 69 04074 n 2002182 La bride inférieure 10 est solidaire d'un arbre de sortie 12 supporté par des paliers à roulements radiaux 13 et 14. A l'extrémité inférieure de l'arbre de sortie 12 est monté un raccord 15 se raccordant au trépan et pourvu d'orifices d 5 pour la circulation du fluide de forage. Un roulement axial 16, fixé sur l'arbre 12, prend en charge, avec un écrou 17, les sollicitations causées par la pression axiale sur le trépan. Un roulement axial 18 empêche la sortie de l'arbre 12, et un roulement axial 19 limite le déplacement vers le haut de l'arbre 1, 10 les sollicitations étant transmises à un écrou 20 fixé sur l'arbre 1 et à un couvercle fileté 21 fixé sur la bride 9. Une carcasse inférieure 22 est prévue à l'intérieur d'une couronne comportant des sièges c , qui servent à soutenir les roulements 5. La forme des sièges c,ainsi que leur ouverturepont déterminées 15 en fonction du diamètre des roulements 5 et du profil des cames 4. Le nombre de sièges est fonction du rapport de réduction des vitesses de rotation et du nombre de cames 4. La carcasse intérieure 22 est rendue solidaire, par des pièces d'écartement 23 d'une carcasse intérieure 24 qui est soli-20 darisée elle-même par vissage avec la carcasse de la turbine de forage. La carcasse 22 ferme de manière étanche tout le système cinématique, ayant un couvercle fileté supérieur 25 pourvu de canaux e pour la circulation du fluide de forage et un couvercle inférieur 26 qui est monté par vissage à la carcasse 22 et qui 25 est pourvu d'un collet f sur lequel s'appuient les roulements 16. Un presse-étoupe réservoir, pourvu d'une membrane pour équilibrer les pressions 28, appuie sur une garniture d'étanchéi-té 29 à la partie supérieure de l'engrenage démultiplicateur. Ce presse-étoupe réservoir comporte dans ses parois des 30 orifices g qui communiquent avec les canaux e. Un presse-étoupe inférieur 30 fixe une garniture d'étanchéité 31 à la partie inférieure de l'engrenage démultiplicateur. Une garniture d'étanchéité 32 empêche la fuite du fluide de forage par le raccord 15. Pour réduire le nombre de tours du trépan, l'engrenage dé-35 multiplicateur est monté entre la turbine de forage et le trépan^ l'arbre 1 recevant le mouvement de rotation directement de l'arbre de la turbine de forage. Le mouvement est transmis par la pression des cames 4 sur les roulements 5, ce qui diminue considérablement les frottements 40 et communique aux roulements 5 un mouvement de rotation autour 69 04074 5 2002182 de leur propre axe, autour des axes des disques 7 et autour de l'arbre 1 en se logeant successivement dans les sièges c de la surface intérieure de la carcasse 22. Par suite de ces mouvements, les disques 7 sont mûs en ro-5. tation autour de leurs axes, ainsi qu'autour de l'arbre 1 de l'engrenage démultiplicateur. La vitesse de rotation des disques 7 autour de l'arbre 1 Bst réduite dans un rapport exprimé par la relation : où : m représente le nombre de sièges c et n représente le nombre de cames 4. • Le mouvement de rotation des disques 7 autour de,l'arbre 1 ;"se "transmet au trépan par l'intermédiaire des brides 9 et 10 de 15 -l'arbre 12 et du raccord 15» ■ La circulation du fluide de forage se fait par l'espace entre la carcasse intérieure 22 et la carcasse extérieure 24, les canaux de circulation d et le raccord réducteur 15, et arrive au trépan. 20 ' " Le lubrifiant à l'intérieur de l^èarcasse 22 est maintenu ^en permanence à la même pression que le fluide de forage, grâce "*a"'la membrane d'équilibrage de pression 28, aux orifices g et • aux canaux e . L'engrenage démultiplicateur selon l'invention, présente les 25 -avantages suivants : - - il permet des rapports de réduction couvrant une vasfc-e - " gamme de tours et de couples dans un dispositif de faibles dimen sions ayant une grande résistance à l'usure; - il permet d'obtenir un rendement de transmission supé-30* "rieur à celui des engrenages démultiplicateurs connus par le - fait qu'il réduit les frottements de l'engrenage; - - il peut fonctionner à des pressions et températures éle-- vées sans sollicitation excessive des garnitures d'étanchéité. 69 04074 6 2002182 -REVENDICATIONS- 1.- Engrenage déraultiplicateur particulièrement adaptable aux turbines de forage, caractérisé en ce que, pour assurer une vaste gamme de nombre de tours et de grands moments de rotation 5 dans un dispositif de dimensions réduites qui peut fonctionner dans des conditions de pressions et de températures élevées, il consiste en un ensemble dans lequel le mouvement de rotation de l'arbre d'entrée (principal) (l) se transmet'par plusieurs cames (4) placées sur l'arbre principal (1), cames dont les cotés 10 d'attaque ont une courbe avantageusement choisie et qui agissent sur des roulements (5) montés par l'intermédiaire d'arbres (6) entre chacun des deux disques (7) superposés, les arbres (6) étant fixés dans ces disques (7)» qui à leur tour sont pourvus chacun d'un arbre en console (b), ces arbres étant montés eux-15 mêmes par l'intermédiaire de roulements (8) entre deux brides (9*10) solidaires de l'arbre de sortie (12); l'action des cames (4) se transmet initialement sur les roulements (5) qui, à leur tour, impriment xin mouvement de rotation aux paires superposées de disques (7) les obligeant à exécuter en même temps un mouve-20 ment de rotation également autour de l'arbre principal (1) de l'engrenage, grâce à l'appui successif des roulements (5) dans des sièges (c) pratiqués à la surface intérieure de la carcasse (22) et ayant une forme et une ouverture fonction du profil des cames (4) et du diamètre des roulements (5)* le mouvement de 25 rotation autour de l'arbre principal (1) de l'engrenage démultiplicateur, exécuté par la paire de disques (7) se transmettant par l'intermédiaire des brides (9#10) directement à l'arbre de sortie (12) avec un rapport de réduction du nombre de tours fonction du nombre des paires de cames (4) et des sièges (c) 30 d'appui/le la carcasse intérieure (22) de l'engrenage démultiplicateur. 2.- Engrenage démultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose d'une carcasse extérieure (24) solidarisée à sa partie supérieure avec la turbine et ren- 35 due étanche à sa partie inférieure par un raccord (15) du trépan, raccord pourvu d'orifices (d) pour la circulation du fluide de forage; à l'intérieur de cette carcasse (24) on a monté, par l'intermédiaire de pièces d'écartement (23) une carcasse intérieure (22) pourvue à l'intérieur de sièges (c) dans les-40 quels s'appuient les roulements (5) actionnés par les cames (4) 69 C407'4 , 2002182 de l'arbre principal (l) qui est couplé à l'arbre de la turbine qui s'appuie par des paliers à roulements (19, 3) sur deux brides (9,10) solidaires de l'arbre de sortie (12), cet arbre r ' x.. ■' .*/• . ■ étant centré par l'intermédiaire de paliers à roulements radiaux 5 (2) sur un couvercle fileté (21) solidarisé avec la carcasse intérieure (22) qui, à son tour, soutient un presse-étoupe ré-servoir (27), raccordé à l'espace interne de l'engrenage démulti-.plicateùr par un canal (e) et par un orifice (&), presse-étoupe qui a, à sa partie supérieure, une membrane (28) pour égaliser 10 les pressions ; l'ensemble de l'engrenage s'appuie à l'intérieur de la carcasse (22) par l'intermédiaire de paliers à roulements (3,16,19), l'axe de sortie (12) de l'engrenage étant muni d'un gresse-^étoupe (30) et d'un couvercle inférieur (26) à collets (f) et s'appuyant sur des roulements (16) par un écrou-support ï ~ ji fv s . 15 (17),. prenant en charge les sollicitations provoquées par la pression axiale sur le trépan, sollicitations transmises par i.' intermédiaire du couvercle (26) à la carcasse intérieure (22) dé l'engrenage démultiplicateur et des pièces de centrage (23) à „ la carcasse extérieure (24) de l'engrenage démultiplicateur qui 20 est solidaire de la turbine de forage. -v.. 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