Brevet FR2558519A1 — publié le 19850726

La présente invention concerne le matériel de forage et a notamment pour obJet un moteur de taille à hélice. Il est avantageux d1appliquer le moteur de taille proposé en tant que moyen d'entrainement d'un outil pour la destruction des roches lors du forage de puits, en particulier de puits de petrole et de gaz. Le moteur revendiqué peut aussi être utilisé avec le maximum de succès pour le forage de puits tant ver ticawx qu'inclinés. On connait un moteur de taille à hélice compre- nant un stator et un rotor montés avec une excentricité déterminée. Le stator et le rotor comportent plusieurs filets, le nombre de filets du stator étant supérieur d'un filet à celui du rotor, Quand ces pièces sont engagées l'une dans l'autre, les filets mutuellement opposes du stator et du rotor forment une chambre à haute pression et une chambre à basse pression par lesquelles circule un fluide. Le fluide refoulé sous pression remplit les chambres à haute et à basse pression et agit sur lesdits filets du rotor en le faisant tourner. Le rotor du moteur possède une cavité dans laquelle est engagée un arbre lié au rotor et à l'arbre de la broche par l'intermédiaire de transmissions par dentures (manchons) pouvant se déplacer angulairement (cf., par exemple, certificat d'auteur URSS n 237596) Dans le moteur de taille à hélice décrit ci-dessus, les forces hydrauliques engendrées dans les chambres agissent sur son rotor en provoquant un moment de gau chissement qu dêstabilise le mouvement du rotor dans le stator De ce fait, la géométrie calculée de l'engre- nage se modifie, les fuites volumiques et les pertes ncéce.niques augmentent, ce qui diminue la durée de vie et la puissance du moteur transmise à l'outil dVattaque. De plus, lors du fonctionnement des manchons dentés gauchis, la charge se répartit sur les dents des demi-manchons d'une manière irrégulière du fait que les dents soumises aux plus fortes charges sont celles qRi se trouvent dans le plan perpendiculaire au plan de gauchIssement et dont les bords sont en contact mutuel, ce contact aboutissant à leur déformation et à leur destruction. On contact également des mécanismes a hélice utilisés comme moteurs pour le forage de puits. Ce moteur comprend un stator à deux filets et un rotor à un filet. Le rotor est réalisé creux. Dans sa cavité est logé un arbre flexible dit "barre de torsion", un bout duquel est renau solidaire de l'arbre de la broche, l'autre étant lié rigidement au rotor. L'endroit où le rotor est fixé à l'arbre flexible se trouve dans la zone de contact des filets du rotor et du stator (plus bas que la moitié de la longueur du rotor) (cf., par exemple, brevet USA nO 2.028.407). Dans le moteur décrit ci-dessus, le stator est soumis à l'action des forces hydrauliques créées dans les chambres et provoquant un moment de gauchissement qui dFstabilise le mouvement du rotor dans le stator, tandis qu'à l'endroit où la barre de torsion est fixée au rotor est engendrée une force d'élasticité qui, par suite de sa direction et de son point d'application, augmente le moment agissant sur le rotor. Le moment de gauchissement serre la partie supérieure du rotor contre le stator dans la zone du pôle d'engrenage et repousse sa partie inférieure par rap- port à cette zone, c'est-à-dire qu'il modifie la germé trie calculée de l'engrenage et l'orientation dans l'espace. On s'est donc proposé de mettre au point un moteur d'attaque à hélice dans lequel le rotor serait fixé à la barre de torsion de manière que la force d'élas- ticité de la barre de torsion s'oppose au moment de gauchissement du rotor, en permettant ainsi de diminuer les pertes mécaniques dues au frottement dans le couple rotor-stator, de réduire les fuites volumiques et d'augmenter ainsi la durée de vie du moteur de taille à hélice. Ce problème est résolu en ce que le moteur de taille à hélice comportant un rotor et un stator mon- tés avec une excentricité prédéterminée et formant une chambre à haute pression et une chambre à basse pression pour la circulation d'un fluide, et une barre de torsion dont un bout est rendu solidaire du rotor, son autre bout étant lié rigidement à la broche du moteur, est caractérisé, suivant l'invention, ce ce que la liaison de la barre de torsion au rotor est réalisée plus haut que la zone de contact des filets du rotor et du stator. Pour relier le rotor à la barre de torsion, il est avantageux de pratiquer dans le rotor un orifice conique allant en se rétrécissant vers le haut et une rainure débouchante disposée au-dessus de cet orifice, perpendiculairement à son axe, et communiquant avec lui, et d'utiliser une barre de torsion comportant une partie conique correspondant à 1'orifice conique du rotor et se terminant par une queue de forme rectangulaire logée dant ladite rainure et dont les dimensions de la section transversale correspondent à celles de la rainure débouchante. Une telle liaison entre le rotor et la barre de torsion est simple du point de vue conception et d'un fonctionnement sQr. Il nest pas moins avantageux de réaliser sur la partie conique de la barre de torsion, une gorge annulaire dans laquelle est disposé un élément d'étanchéité. Ledit élément d'étanchéité protège les surfaces coniques conjuguées contre l'effet destructeur du fluide pendant le travail. Il est recommandé que la hauteur de la rainure débouchante soit telle qu'un espacement soit formé entre son extrémité et la face extrême de la queue de la barre de torsion. La présence dtun tel espacement permet, lors du démontage du moteur à hélice, de séparer d'une manière facile et simple le rotor de la barre de torsion en se servant d'un coin engagé dans cet espacement. Il est possible d'utiliser un rotor constitué par deux parties assemblées l'une à l'autre et dans l'une desquelles est ménagé un orifice conique avec une rainure débouchante pour son accouplement à la barre de torsion, tandis que d dans l'autre part le sont réalisés des filets coopérant avec les filets du stator. Ce mode de réalisation du rotor est le plus avantageux au point de vue de la technologie de sa fabrication. Il est avantageux que la barre de torsion soit montée dans le rotor de sorte que la face extrAeme de sa queue soit disposée plus haut que la face extrême du stator. Une telle disposition de la barre de torsion permet de la disjoindre d'avec le rotor sans séparer le stator de la broche, ce qui est particulièrement important quand il s'agit de démonter un moteur de taille dont le rotor et le stator sont engorgés par la boue. Le moteur de taille à hélice-exécuté-selon la présente invention assure une parfaite stabilisation du mouvement du rotor dans le stator, réduit les pertes mécaniques et assure par conséquent au moteur une puissance et une durée de vie plus élevées. De plus, le moteur proposé est amélioré au point de vue de la technique de sa fabrication et de son utilisation. L'invention sera mieux comprise-et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents mode de réalisation donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références aux dessirs annexés dans lesquels - la figure 1 représente un moteur de taille à hélice conforme à l'invention, en coupe longitudinale la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1, à échelle agrandie - la figure 3 est une vue å plus grande échelle de la partie encerclée A du moteur de la figure - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV e la figure 3 - la figure 5 est une vue en coupe, à plus grande échelle. suivant V-V de la figure 1, sans raccord supérieur mais avec un coin pour la séparation du rotor d'avec la barre de torsion - la figure 6 est une vue schématique illustrant les efforts agissant sur le rotor pendant le fonction nement Le moteur de taille à hélice comporte un stator 1 et un rotor 2 montés avec une excentricité prédéterminée tel (figures 1, 2). On détermine l'excentricité "e" d'après la distance entre les axes 1 et 02 (figure 2) du stator 1 et du rotor 2, respectivement. Le stator 1 comprend un corps métallique 3 à la surface intérieure duquel est fixé par vulcanisation un revêtement élastique 4 sur lequel sont réalisés des filets. ta surface extérieure du rotor 2 est elle aussi filetée mais son nombre de filets est inférieur d'un çilet à celui de la surface conjuguée du revêtement élastique (4) du stator. Le filets du rotor 2 et du stator n forment une chambre à h::tS pression et une chambre à basse pression pour la circulation d'un fluide sous pression qui crée le couple moteur. Dans la cavité 5 du rotor 2, est engagée une barre de torsion 6 fixée rigidement audit rotor et servant à transmettre le couple moteur du rotor 2 à arbre creux 7 (figure 1) de la broche 8. Le bout inferieur de la barre de torsion 6 est rigidement assemblé au manchon 9 monté sur l'arbre 7 de la broche 8. Dans le manchon 9 sont menagés des orifices débouchants 9a par lesquels le fluide arrive dans la cavité de l'arbre 7. La barre de torsion 6 est montée de sorte que son bout inférieur soit disposé coaxialement à l'axe Oi (figure 2) du stator 1 et que son bout supérieur soit coaxial à l'axe 02 du rotor 2. De ce fait,l'axe 03 de la barre de torsion 6 est disposé entre les axes 1 et 02. a broche 8 du moteur de taille à hélice est cons titué par un bottier 10 (figure 1) dans lequel sont montés un palier 11 et l'arbre 7 auquel est assemblé l'outil de forage (non représenté). Le palier il est fixé sur l'arbre 7 par un écrou 12. Le stator 1 est assemblé au bottier 10 de la broche 8 à laide d'un raccord 13 dont les extrémités sont filetées. Le bout supérieur du stator 1 est fileté pour son assemblage à un raccord 14 servant à son tour à l'assemblage du moteur de taille à hélice aux tiges de forage (non représentées). La jonction de la barre de torsion 6 au rotor 2 se trouve au-dessus de la zone de contact des filets du rotor 2 et du stator 1. L'avantage de cette disposition de la liaison de la barre de torsion 6 au rotor 2 sera exposé lors de la description du fonctionnement du moteur de taille à hélice. Pour assembler le rotor 2 à la barre de torsion 6, on a pratiqué dans le rotor un orifice conique 15 (figure 3) allant en se rétrécissant vers le haut. Cet orifice est mis en communication avec la rainure débouchante 16 (figures 3, 4) ménagée dans le rotor 2 au-dessus de l'orifice 15, perpendiculairement à son axe, et communiquant avec ledit orifice. Sur le bout supérieur de la barre de torsion 6 est prévue une partie conique 17 dont la forme et les dimensions correspondent à celles de l'orifice conique 15. Cette partie s'engage dans ledit orifice pour l'assemblage du rotor 2 et de la barre de torsion. La partie 17 de la barre de torsion 6 se transforme en une queue 18 qui s'engage dans la rainure 16 du rotor 2. La forme de la section transversale de la queue 18 est rectangulaire. Son épaisseur "b" (figure 4) corres- pond à la largeur de la rainure 16. Une telle réalisation de la queue 18 prévient la rotation du rotor 2 par rapport à la barre de torsion 6 au moment initial du fonctionnement du moteur de taille à hélice. Pour protéger les surfaces coniques conJuguées du rotor 2 et de la partie 17 de la barre de torsion 6 contre l'effet destructeur du fluide circulant pendant le fonctionnement, un élément d'étanchéité 19 (figure 3) est disposé dans une gorge annulaire ménagée sur la partie conique 17 de la barre de torsion 6. Il est préférable de placer ledit élément d'étanchéité 19 dans la partie supérieure de la partie conique 17 de la barre de torsion 6. La hauteur de la rainure débouchante 16 est choisie de manière qu'après le montage de la queue 18 dans cette rainure, il se forme entre la face en bout de ladite queue et le fond de rainure 16 un intervalle "c" destiné à recevoir un moyen tel que notamment un coin 20 (figure 5) servant à disjoindre le rotor 2 d'avec la barre de torsion 6. Pour augmenter la surface de contact du moyen 20 avec la face en bout de la queue 18, ladite face comporte des biseaux dont l'angle est égal à l'angle de l'outil 20. Dans le but de simplifier la technologie de fabrication du rotor 2 (figure 3), celui-ci est constitué de préférence de deux parties 2a et 2b réunies par assemblage fileté. Afin de prévenir le risque de dévissage de cet assemblage, celui-ci est fileté à gauche. Dans ce cas, l'orifice conique 15 et la rainure débouchante 16 sont réalisés dans la partie 2a du rotor 2. Sur la partie 2b du rotor 2 sont prévus des filets coopérant avec les filets du stator 1. La barre de torsion 6 est montée de façon que la face en bout de sa queue 18 soit disposée plus haut que la face en bout 21 (figure 5) du stator 1, ce qui permet de séparer le rotor 2 de la barre de torsion 6 sans retirer le rotor 2 du stator 1. Le rotor 2 effectue un mouvement planétaire à l'intérieur du revêtement élastique 4 du stator 1. L'axe 02 du rotor effectue un mouvement d'entratnement par rapport à l'axe 01 du stator 1 en se déplaçant suivant une circonférence de rayon "e" dans le sens antihoraire, tandis que le rotor lui-m8me tourne par rapport à son propre axe 02 dans le sens horaire (rotation absolue). Le moteur-d'attaque à hélices faisant l'objet de l'invention fonctionne comme suit. La boue de forage (le fluide) refoulée par une pompe installée en surface circule à travers le train de tiges (non représenté), passe par le raccord 14, arrive dans la chambre à haute pression et met le rotor 2 en rotation. De la partie inférieure du stator 1, la boue de forage arrive à travers les orifices 9a du manchon 9 dans l'enceinte intérieure de l'arbre 7 et débouche à travers le trépan-(non représenté) vers le fond de puits. Il est à signaler que pendant le fonctionnement du moteur de taille à hélice, son rotor 2 est constamment décalé (excentricité "e") par rapport à l'axe 1 du stator 1 et effectue un mouvement planétaire, tandis que l'arbre 7 de la broche tourne à l'intérieur du palier Il coaxialement à l'axe 07 du stator 1 qui coïncide avec l'axe commun du moteur de taille à hélice. Le mouvement planétaire du rotor est transformé en rotation de l'arbre 7 à l'aide de la barre de tor- sion 6. La barre de torsion 6 transmet le couple moteur et lleffort axial à l'arbre 7 par l'intermédiaire du manchon 9. Le bout supérieur de la barre de torsion 6 est, comme le rotor 2, décalé par rapport à son bout infé- reur de la valeur de l'excentricité "e". Gracie à cette disposition de la barre de torsion 6, la force élasr tuque G (figure 6) de la barre de torsion 6 agit sur le rotor 2. Pendant le travail, le rotor 2 est sollicité par un moment de ganchissemellt M résultant des forces hy- drauliques non équilibrées et qui provoque le gauchissement du rotor 2 dans le revêtement élastique 4 du stator 1. Dans le moteur, le point de fixation de la barre de torsion 6 au rotor 2 se trouve plus haut que la zone de contact des filets du rotor 2 et du revêtement élastique 4 dU stator 1 . Cette disposition assure la stabilisation du mouvement du rotor 2 dans le stator 1 grâce au fait que la force d'élasticité G de la barre de torsion s'oppose au moment de gauchissement M résultant des forces hydrauliques non équilibrées. La stabilisation du mouvement du rotor 2 diminue les charges unitaires agissant sur le rotor 2 dans le revêtement élastique 4 du stator 1 et, par conséquent, accroît la durée de vie du moteur de taille à hélice. Pour séparer le rotor 2 de la barre de torsion 6, on opère comme suit. Pendant l'utilisation du moteur de taille à hélice, il peut se produire un engorgement des chambres formées par le rotor 2 et le stator. Dans ce cas, il est nécessaire dc démonter le moteur de taille à hélice. A cet effet, on sépare le raccord 14 du corps 3 du stator 1. Ensuite, on engage le coin 20 dans la rainure 15 et, en appliquant à celui un effort, on disjoint le rotor 2 d'avec la barre de torsion 6. Ensuite le démontage du moteur de taille à hélice s'opere de la manière habituelle. Un modele d'essai d'un moteur de taille à hélices de 85 mm de diamètre conçu selon la présente invention a été soumis à des essais de forage de puits. Ces essais ont fait apparaître que la durée de vie du rotor 2 et du stator 1 est de 30 à 35 % supérieure à la durée de vie moyenne du rotor et du stator des moteurs de taille à hélice connus. REVENDICATIONS 1.- Moteur de taille à hélice, du type comportant un rotor (2) et un stator (1) montés avec une excentricité prédéterminée "e" l'un par rapport à l'autre et formant une chambre à haute pression et une chambre à basse pression pour la circulation d'un fluide, et une barre de torsion (6) dont un bout est rendu solidaire du rotor (2), son autre bout étant lié rigidement à arbre(7) de la broche du moteur, c a r a c t é r i s é en ce que la jonction de la barre de torsion (6) au rotor (2) est réalisée plus haut que la zone de contact des filets du rotor (2) et du stator (1). 2.- Moteur de taille à hélice selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que, pour l'assemblage du rotor (2) à la barre de torsion (6), le rotor (2) comporte un orifice conique (15) allant en se rétrécissant vers le haut et une rainure (16) débouchant dans cet orifice et disposée au-dessus de ce dernier et perpendiculairement à son axe, tandis que la barre de torsion (ó) comporte une partie conique (17) correspondant à l'orifice conique (15) du rotor (2) et se terminant par une queue (18) de forme rectangulaire logée dans ladite rainure (16) du rotor (2) et dont les dimensions en section transversale correspondent à celles de la rainure débouchante (16). 3.- Moteur de taille à hélice selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une gorge annulaire destinée à recevoir un élément d'étanchéité (19) est pratiquée sur la partie conique (17) de la barre de torsion (6). 4.- Moteur de taille à hélice selon l'une des reven dications îj 2 et 3, caractérisé en ce que la hauteur de la rainure débouchante (16) est choisie de manière à ménager un intervalle (c) entre la face en bout de la queue (18) de la barre de torsion (6) et le fond de cette rainure. 5.- Moteur de taille à hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor(2) est constitué par deux parties (2a,2b) assemblées l'une à l'autre, et en ce que, pour l'assemblage dudit rotor à la barre de torsion (6), l'une (2a) desdites parties comporte un orifice conique (15) prolongé par une rainure (16) débouchant dans celui-ci, tandis que dans l'autre partie (2b) est réalisé un filetage destiné à coopérer avec un filetage réalisé sur le rotor (2). 6.- Moteur de taille à hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la barre de torsion (6) est montée dans le rotor (2) de telle manière que la face en bout de sa queue (18) se trouve plus haut que la face en bout (21) du stator (1).