Brevet FR2458719A1 — publié le 19810102

i La présente invention est relative à un dispositif de transmission pour relier un élément effectuant une rotation et une giration excentrique à un autre élément tournant sur son axe. Des moteurs fonctionnant suivant les principes inventés par R.J.L. Moineau depuis de nombreuses années sont maintenant tot à fait bien connus. Dans tous les cas, ils comportent un élément extérieur pourvu d'un filetage hélicoïdal intérieur et un élément intérieur pourvu d'un filetage hélicoïdal extérieur,l'élé- ment extérieur comportant un filet hélicoïdal intérieur de plus que les filets hélicoïdaux extérieurs de l'élément intérieur. En consé - quence,si l'élément extérieur est maintenu stationnaire ou bien est entraîné en rotation autour de son axe,l'élément intérieur tourne à l'intérieur de l'élément extérieur. Si la rotation de l'élément intérieur doit être transmise à un arbre exactement centré,ou bien si l'élément intérieur doit être entraîné par un ar- bre exactement centré, il est alors nécessaire de prévoir entre l'élément intérieur du moteur ou pompe et l'arbre d'entrée ou de sortie,qui tourne de façon exactement centrée,une tige de liaison pourvue d'ut/joint universel à chaque extrémité. Cette structure a été décrite dans un grand nombre des brevets Qe R.J.L. Moineau. Dans les brevets US 3.932.072, US 3.951 097, US 4 051.910 et US 4.059.165, on décrit différents moyens pour éviter le double joint universel et les tiges de liaison. Ces brevets revendiquent l'utilisation d'une rotule ou d'un cylindre fixé à l'extrémité de l'élément interne du moteur ou pompe en étant dirigé perpendicu- lairement à l'axe de l'élément intérieur et obligée de se déplacer à l'intérieur d'un tube ou bien entre deux flasques. Selon ces brevets,on supprime l'excentricité effective du train d'entraînement et on utilise la puissance d'un bras à rotule pour maintenir ou pour entraîner un arbre creux supporté concentriquement,par exemple dans un pivot hydraulique, Avec cet agencement,la rotule suit un trajet elliptique et elle ne pivote pas quand elle tourne dans le tube ou dans le demi-tube ou bien entre les flasques,et elle ne peut pas couper l'axe du moteur. Conformément à la présente invention,non seulement on élimine la tige de liaison et le double joint universel mais également le bras à rotule orienté perpendiculairement à l'élément intérieur et fonctionnant dans un tube ou entre des flasques (ou bien à l'inté- rieur d'un demi-tube). On remplace tous ces dispositifs connus soit par une rotule soit par un cylindre,l'un ou l'autre de ces organes pouvant être massif et pouvant être recouvert d'un palier d'appui et d'un chapeau pour absorber l'usure,ledit élément étant disposé coaxiale- ment à l'axe de l'élément intérieur et opérant entre des flasques, ou bien à l'intérieur d'une boîte fixée sur une plaque d'entraîne- ment ou en faisant partie. Conformément à ce principe,l'élément intérieur tourne sans transmettre de l'énergiemais de l'énergie est produite seulement par sa giration et théoriquement la rotule ou cylindre fonctionne au même point du demi-tube ou entre les flasques, ou bien dans la boîte0 En conséquence l'énergie de rotation d'un moteur Moineau est engendrée dans une directiot/6pposée à la rotation de l'élément intérieur. Conformément à la présente invention,le bras excentré est éliminé et l'élément d'entraînement est disposé sur l'axe de rotation sur lui-même de l'élément intérieur. Le palier peut être un palier lubrifié hermétique, ce qui correspond à une lubrification mieux appropriée qu'avec de la boue de forage,en disposant une double coquille autour du cylindre d'entraînement de façon que la surface du cylindre ne tourne pas dans le demi-tube à section carrée. L'extrémité arrière de l'élément intérieur peut être supportée radialement d'une manière un peu semblable à ce qui est représenté et décrit pour l'extrémité de tête de l'élément intérieur. Le monta- ge de la bille sur l'extrémité de queue du rotor est un peu plus % difficile du fait de l'obligation d'apporter des modifications pour rendre possible l'assemblage du dispositif. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description,donnée à titre d'exemples non limitatifs,en référence aux dessins annexés dans lesquels; Fig.l est une vue en coupe longitudinale fragmentaire repré- sentant un mode de réalisation du dispositif de transmission selon l'invention; Fig.lA est une vue en coupe faite suivant la ligne lA-lA de la figure 1; Fig.2 est une vue,semblable à la figure 1 et représentant un autre.mode de réalisation de l'invention; Fig.2A est une vue en coupe faite suivant la ligne 2A-2A de la figure 2 Fig.3 est une vue,semblable aux figures 1 et 2,et représentant encore un autre mode de réalisation de l'invention; Fig.3A est une vue en coupefaite suivant la ligne 3A-3A de la figure 3; Fig.4 est une vue semblable à la figure 1 et montrant l'utili- sation d'une botte à la place de flasques; Fig.4A est une vue en coupe faite suivant la ligne 4A-4A de la figure 4; Fig.5 est une vue, semblable à la figure 2 et montrant l'u- tilisation d'une boîte en coopération avec une bille,à la place des flasques de la figure 2; Fig.5A est une vue en coupe faite suivant la ligne 5A-5A de la figure 5; Fig06 est une vue semblable à la figure 3 et montrant l'utilisation d'une boîte à la place de la fente en T de la figure 3; Fig.6A est une vue en coupe faite suivant la ligne 6A-6A de la figure 6; Fig.7 est une vue à échelle réduite montrant la structure supportant l'extrémité de queue de l'élément intérieur; Fig.8 est une vue en coupe fragmentaire d'une setructure semblable à celle de la figure 5 mais montrant les éléments de la paire d'engrenages Moineau,la figure montrant également une tige de forage et un trépan utilisables dans une opération de forage dans le sol;et Fig.9 est une vue un peu schématique d'une partie d'un derrick de forage montrant comment les différentes parties sont utilisées. On a représenté schématiquement une table tournante fixée sur la tige de forage de manière que cette tige puisse être entraînée en rotation dans la même direction ou dans une direction opposée à celle du trépan de forage,dans un but qui Sera précisé dans la suite. Comme indiqué ci-dessus,dans des situations o une paire d'engrenages hélicoïdaux à dentures internes du type Moineau fonctionne en pompe ou en moteur,et lorsque l'élément intérieur de la paire d'engrenages exécute un mouvement de giration au cours de sa rotation et lorsque cet élément en giration ou en rotation, doit être accouplé à un élément tournant autour de ses propres centres,il est toujours nécessaire d'utiliser une tige de liaison, avec joint universel,à chaque extrémité. Cela est clairement mis en évidencelpar exempleisur la figure 4 du brevet US 3.112 801. Ces doubles joints universels sont sujets à des ruptures et à toutes sortes d'incidents et il n'a pas fallu attendre le brevet US 3.932.072 pour envisager autre chose que la tige de liaison. On a alors fait intervenir un bras fixé sur l'élément interne tournant qui exécute également un mouvement orbital ou de giration et on a fixé sur cet élément une bille ou un cylindre se déplaçant dans un tube. 2458 719 Cette structure utilise l'énergie du bras à bille pour maintenir ou entraîner un arbre creux supporté concentriquement,comme par exemple dans un pivot hydraulique. Une telle conception est claire- ment décrite et représentée dans les brevets US 3.951 097, US 4.051.910 et US 4.059.165. La transmission du couple est assurée par le bras à bille et la gi*ation de l'élément sur lequel le bras à bille est fixé est engendrée par le mouvement alternatif de la bille dans le tube. Cet agencement diminue l'effet de l'excentricité intrinsèque de l'élément intérieur de la paire d'engrenages héli- coidaux. Conformément à la présente invention,au lieu d'essayer de réduire ou de supprimer cette excentricité,on utilise exclusive- ment l'excentricité pour transmettre un couple. En se référant d'abord à la figure lon voit qu'on a désigné par 10 dans son ensemble la tête de rotor prévue à l'extrémité de l'élément intérieur d'une paire d'engrenages du type Moineau.Sa position excentrée par rapport à l'axe du tube de forage 11 met en évidence l'excentricité de la tête de rotor 10. Conformément à la présente invention,le trépan de forage est fixé sur un arbre l2a se terminant à son extrémité supérieure dans une roue d'entraînement 12. Cette roue d'entraînement est pourvue de trous 13 de passage de lubrifiants (par exemple boues de forage) et elle comporte deux flasques qui définissent des plans parallèles, dont l'un est désigné par 14. Sur l'axe de la tête de rotor 10 est fixé un cylindre 15, et un coussinet 16 est maintenu en position sur le cylindre par l'intermédiaire d'un chapeau 17 fixé dans l'élément 15, par exemple à l'aide de la vis 18. Puisque le stator de la paire d'engrenages hélicoïdaux à l'intérieur duquel le rotor se terminant dans la tête 10 exécute un mouvement de rotation et orbital est généralement formé de caoutchouc ou d'un matériau semblable,un mésalignement peut se produire et, pour cette raison et pour donner une liberté de mouvementl'espacement entre les flasques 14 est de préférence très légèrement supérieur au diamètre extérieur du coussinet 16. Cela permet de tenir compte,en même temps que la liberté de mouve- ment radial qui est établie par l'ensemble de flasques,d'un mésali- gnement possible. La description faite ci-dessus montre clairement que,lorsque l'élément intérieur ou rotor de la paire d'engrenages hélicoïdaux exécute un mouvement de rotation et de giration,comme cela est classique pour des paires d'engrenages du type Moineau,le cylindre 15 décrit théoriquement un trajet circulaire à l'intérieur du tube de forage 11 et, lorsqu'il décrit ce parcoursil s'appuie contre l'un ou l'autre des flasques 14,en fonction du sens de rotation,et il transmet un couple de l'élément 10 à la roue d'entraînement 12. Le coussinet 16 peut tourner librement sur le cylindre 15 et un chapeau 19 exerce une réaction de poussée contre le fond 20 de la rainure existant entre les flasques 14. Sur la figure 2,on a représenté un mode de réalisation légèrement modifié de l'invention,o il est prévu,à la place du cylindre 15 et de son coussinet 16,une rotule 21 et o les flasques 14 de la figure 1 sont remplacés par un demi-cylindre 14a. La base du demi-cylindre a été à nouveau désignée par 20.L'axe de la rotule 21 est également placé sur l'axe du rotor qui se termi- ne dans la tête 10. Si on a déterminé qu'il était nécessaire d'empêcher le cylindre 15 de la figure 1 de se dégager d'entre les flasques 14, l'élément 15 peut se terminer par une partie profilée en T,comme le montre clairement la figure 3. Dans ce cas,les flasques 14 sont évidés comme indiqué en 14b de façon à recevoir les prolongements a prévus sur l'élément 15. Il est évident que les évidements 14b s'étendent entièrement dans la plaque d'entraînement 14 de sorte que la tête de rotor et les parties associées peuvent être assem- blées avec la plaque d'entraînement ou démontées de celle-ci. Si les impératifs d'utilisation du système selon l'invention nécessitent la prévision d'un support plus résistant pour l'élé- ment d'entraînement 15,15a ou 21,les rainures formées par les flasques 14, 14a,14b peuvent être remplacées par ce qu'on peut appeler une boite. Une telle boîte a été désignée par 22 sur la figure 4. Dans le cas de l'élément cylindrique d'entraine- ment 15,la boîte peut avoir la forme d'un cylindre d'un diamètre légèrement supérieur à celui du coussinet 16 entourant l'élément" d'entraînement 150 Comme sur la figure 5,la boîte 22 peut avoir une forme cylindrique ou hémisphérique,d'un diamètre légèrement supérieur à celui de la rotule 21. De même, figure 6,la boîte peut se présenter sous-la forme d'un évidement cylindrique ou carré ménagé dans l'élément 12c mais,dans ce cas,on doit fixer un organe de retenue 12d sur l'élément 12c,par exemple à l'aide des boulons 23. Cette structure est nécessaire pour permettre l'assemblage de l'élément 15a sur l'élément 12c. Il est à noter que,dans tous les cas décrits ci-dessus,le cylindre 15 ou la rotule 21,ou l'élément 15a,ne se déplacent pas radialement mais agissent à la façon d'une manivelle en coopéra- tion avec l'élément 12,12a ou 14a, et il est clair que la structure des figures 4,5 et 6 constitue un meilleur support radial que la structure des figures 1, 2 et 3. Il peut être avantageux de prévoir un support semblable pour l'extrémité de queue de l'élément intérieur et, à cet égard on peut se référer à la figure 7 o l'élément intérieur a été désigné par 30. La queue de l'élément intérieur est supportée par une tête 31,qui est de préférence vissée au centre de la section droite de l'élément intérieur 30,comme indiqué en 32. La rotule 33 est vissée dans la tête 31,comme le montre la figure. La seule difficulté consiste en ce que la tête doit se trou- ver sur l'axe de rotation de l'élément 30 et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de visser ou de dévisser légèrement l'élément 31,comme indiqué en 32,et de ménager suivant l'axe de rotation de l'élément 30 sur lui-même un trou 34 destiné à servir de trou de palpage. On peut engager une broche 35 dans un trou percé dans l'élément 31 et faire tourner lentement cet élément 31 jusqu'à ce que la broche 35 puisse pénétrer dans le trou de palpage 34. A ce moment,la position de l'élément 31 est lb correcte et correspond à l'axe de rotation de l'élément 30. Pour le fixer dans cette position,on peut insérer des cales comme indiqué en 36 et on peut déposer une matière de verrouillage sur les filets. Par ce processus,on est assuré que la rotule 33 est située sur l'axe de rotation de l'élément intérieur 30 Comme décrit plus haut,la rotule 33 opère de préférence dans une boîte 37 placée dans un élé- ment 38 qui peut tourner librement quand la rotule 33 exécute un mouvement orbital. Des billes de roulement 39 prévues entre l'élé- ment 38 et la plaque 40 absorbent les poussées radiales et axiales. On peut remplacer l'élément 33 et la boîte 37 par l'élément 15 et les flasques 14 de la figure l,par la rotule 21 et les flasques 14a de la figure 2,ou bien par une structure semblable à celle de la figure 6. Il est évident que le palier 39 peut être un palier hermé- tique de butée radiale de type classique. On a indiqué en 41 le support sur lequel est fixée la tige de forage. Il est prévu en 42 des ouvertures d'écoulement de fluide. Bien qu'on ait décrit ci-dessus le dispositif de transmission sans tenir compte de sa condition d'utilisation,il est particuliè- rement utile de l'employer pour un forage dans le sol et de l'utili- ser alors comme un moteur placé au fond d'un forage exécuté en vue de l'extraction de pétrole ou de gaz. A cet égard,il est à noter qu'une caractéristique d'une paire d'engrenages du type Moineau consiste en ce que le mouvement orbital de l'axe de rotation de l'élément intérieur de la paire s'opère dans un sens opposé au sens de rotation de cet élément intérieur sur son axe.Par exemple,si, dans une application classique de moteur en'fond de forage,l'élément intérieur ou rotor de la paire d'engrenages tourne dans le sens des aiguilles d'une le fond du forage), ce qui nécessite que la paire d'engrenages de Moineau soient tion orbitale est orientée dans le sens d'une montre. D'autre part,avec un entraînement dessus,les pas des spirales de la paire doivent être à droite pour produire une et en conséquence une rotation orbitale montre (en regardant vers les spirales des filets de à pas à gauche,leur rota- contraire des aiguilles orbital comme décrit ci- d'engrenages de Moineau rotation vers la gauche, vers la droite. Autrement, il faudrait prévoir dans l'ensemble de la tige de forage des liai- sons filetées à pas à gauche,ce qui n'est pas classique. Cela est évidemment possible,mais indésirable. Ces facteurs deviennent importants pour des opérations de forage du sol, o de nombreux tronçons de tige de forage sont vissés ensemble avec des filetages à pas à droite,qui sont utilisés couramment dans l'industrie pétrolière. Le moteur et le trépan de forage situés au fond du trou peuvent être éloignés de plusieurs kilomètres de l'extrémité de la tige de forage se terminant à la surface du sol dans une table tournante. Cela a été représenté un peu schématiquement sur la figure 9 o le derrick est désigné dans son ensemble par 50 et la table tournante par 51. La tige de forage 11 est soit empêchée de tourner,soit entraînée en rotation à l'aide du mandrin polygonal 53,qui tourne dans une ouverture correspondante ménagée dans la table tournante 51. Une alimentation en boue de forage est prévue en 54,la boue étant pompée à l'aide d'une pompe 55 dans un tuyau 56 de manière à pénétrer au travers du mandrin 53 dans le tube de forage 11. Le mandrin et le tube de forage sont supportés par un treuil par l'intermédiaire du crochet 57. Le moteur placé en fond de forage a été désigné schématiquement par 58 et la tige de forage inférieure,désignée par 59,est fixée sur le trépan de forage 60. Pour maintenir des filetages classiques sur tous les tron- çons de la tige de forage (et par conséquent pour empêcher un dévissage), les deux engrenages de la paire doivent comporter des filets de spirale à pas à droite et le trépan doit comporter un filetage à pas à droite pour assurer sa liaison avec la tige de forage inférieure 12a. Ces conditions permettent une rotation dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (en regardant vers le fond du trou) du rotor et par conséquent un mouvement orbital dans le sens des aiguilles d'une montre de la tête de rotor 10 (également en regardant vers le fond du trou). De cette manière, les nombreux tronçons de la tige de forage sont continuellement maintenus étroitement assemblés. Il est également important de savoir que,lorsque l'un des éléments de la paire de Moineau comporte un filet alors que l'autre élément comporte deux filets,et lorsqu'un élément est maintenu stationnaire,la vitesse du rotor et la vitesse orbitale sont égales. Si les éléments de la paire de Moineau comportent respectivement deux et trois filets,et si un élément est maintenu stationnaire,la vitesse orbitale prend une valeur double de la vitesse de rotation de l'autre élément,et ainsi de suite,la formule étant la suivante: vitesse orbitale = vitesse de rotation x plus petit nombre de filets de la paire. Bien qu'on ait représenté l'ensemble de la figure 8 équipé d'un dispositif essentiellement semblable à celui de la figure 5,il va de soi qu'on pourrait utiliser les structures de l'une quelconque des figures à la place de celle de la figure 5. La description faite ci-dessus montre que l'idée de base de l'invention concerne un dispositif de transmission qui est nouveau pour l'application du principe de Moineau,en vue d'éliminer la tige de liaison et les doubles joints universels des réalisations 1l connues,ainsi que le bras radial et la rotule des réalisations connues. Il est évident que l'invention peut être appliquée lorsque la paire d'engrenages de Moineau est utilisée comme pompe. Il est également bien connu qu'une paire d'engrenages de Moineau fonction- ne en pompe lorsqu'un des éléments de la paire est entraîné et, qu'elle fonctionne comme moteur lorsqu'on fait passer du fluide sous pression au travers d'une paire d'engrenages. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission pour transmettre une énergie de rotation entre un élément (10) exécutant une rotation et une giration excentrique et un autre élément (12) qui peut tourner autour de son propre axe,caractérisé en ce qu'il comprend un prolon- gement (15,21) placé sur ledit élément en rotation (10) et en giration excentrique et disposé sur l'axe de symétrie de cet élé- ment,et en relation d'entraînement avec un évidement (20) ménagé dans l'autre élément (12),ledit prolongement pénétrant dans l'évide- ment de manière qu'une transmission entre les éléments soit effec- tuée seulement par l'excentricité du premier élément au cours de sa giration. 2.Dispositif de transmission pour transmettre une énergie de rotation entre un élément intérieur (10) en rotation et en giration excentrique d'un moteur du type Moineau-et un arbre entraîné (12a) qui tourne autour de son axe réel,caractérisé en ce qu'il comprend un prolongement prévu (15,21)sur ledit élément intérieur et disposé sur son axe de symétrie,ainsi qu'un évidement (20) associé audit arbre entraîné, ledit prolongement pénétrant dans ledit évidement de manière qu'une transmission du mouvement de rotation entre l'élément intérieur et l'arbre soit effectuée seulement par l'excentricité de l'élément intérieur dans sa giration. 3. Dispositif de transmission selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que ledit prolongement se termine par une rotule (21). 4.Dispositif de transmission selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit évidement (20) est constitué par un.tube demi-cylindrique. 5. Dispositif de transmission selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que ledit prolongement se présente sous la forme d'un cylindre (15) comportant un palier radial (16) qui est en contact avec ledit évidementainsi qu'un palier de butée (19)qui est en contact avec le fond dudit évidement. 6. Dispositif de transmission selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit évidement (20)comporte des surfaces planes parallèles et écartées d'un intervalle permettant de rece- e voir ledit palier,et en ce que le fond dudit évidement est une surface plane orientée perpendiculairement auxdites surfaces parallèles et espacées. 7. Dispositif de transmission selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit évidement (20)présente une partie dépouillée (14b) et en ce que ledit prolongement comporte une bride (15a) pénétrant dans ladite partie dépouillée de façon à main- tenir assemblés lesdits éléments quand une force de séparation axia- le est exercée sur un des éléments. 8. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que ledit évidement est constitué par une boîte (22) ayant des dimensions permettant de recevoir ledit prolon- gement avec un petit jeu entre ce prolongement et les parois de la boite. 9. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 ou 2,et dans lequel ledit prolongement se termine par une rotule, caractérisé en ce que ledit évidement est constitué par une boîte ayant des dimensions permettant de recevoir la rotule avec un petit jeu entre ladite rotule et les parois de ladite boîte. , Dispositif de transmission selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit prolongement se présente sous la forme d'un cylin- dre comportant un palier radial caractérisé en ce que ledit évidement a une forme cylindrique,un petit jeu étant prévu entre ledit évidement et ledit palier radial et le cylindre comportant un palier de butée qui est en contact avec le fond dudit évidement cylindrique. 11. Dispositif de transmission selon la reven-dication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un support à rotule et bottier sur l'extrémité de queue-de l'élément intérieur en rotation et en giration excentrique,ce support comprenant une tête qui est vissée sur l'extrémité de queue de l'élément intérieur au centre de la section droite de l'extrémité de queue mais excentriquement par rapport à ladite tête,cette tête portant une rotule en son centre axial,et un moyen pour placer la rotule de façon que son centre soit situé sur l'axe de symétrie de l'élément intérieur. 12. Dispositif de transmission selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un trou axial ménagé suivant l'axe de symétrie dudit élément intérieur et un trou axial ménagé au centre de ladite tête de façon que la tête puisse être tournée sur le filetage de l'élément intérieur jusqu'à ce que lesdits trous soient alignés,ladite rotule étant alors placée sur l'axe de symétrie dudit élément intérieur. 13. Dispositif de transmission selon la revendication.12, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs cales sont disposées entre la tête et l'élément intérieur pour assurer un contact étroit entre eux. 14. Dispositif de transmission selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un trépan de forage de sol est fixé sur ledit arbre entraîné,en ce que l'élément-extérieur du moteur du type. Moineau est fixé sur une section d'un tube de forage,en ce que les éléments du moteur du type Moineau et le trépan de forage compor- tent des filetages à pas à droite et des filets en spirales de manière que l'élément intérieur tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et que la tête de l'élément intérieur exécute un mouvement orbital dans le sens des aiguilles d'une montre,en regardant vers le bas dans le trou de forage,si bien que Ious /les tronçons du tube de forage qui comportent des filetages classiques à pas à droite sont continuellement assemblés de façon serrée.