Brevet FR2596474A1 — publié le 19871002

i L'invention concerne des douilles de palier servant à supporter des organes annulaires rotatifs ou des arbres rotatifs. Dans le domaine du forage, il y a de nombreuses circonstances o il est désirable que de l'énergie électrique soit engendrée dans le puits par un turbogénérateur entrainé par le courant de boue de forage ou que de l'énergie mécanique, nécessaire à une partie mobile placée dans le puits, soit engendrée directement par un rotor entrai10 né par le courant de boue. Les brevets GB 2 082 653A et 2 087 951A, au nom de la demanderesse, décrivent des dispositifs dans lesquels un rotor annulaire entraîné par la boue entoure un carter allongé et entraîne un générateur électrique placé dans ce carter, ainsi qu'un organe d'étranglement pour engendrer des impulsions de pression dans le courant de boue dans le but de transmettre des données de mesure à la surface. En outre, selon la demande de brevet GB-A- 8523453, au nom de la demanderesse, un stator à aubes est disposé immédiatement en amont du rotor 20 de manière à agir sur le courant de boue avant qu'il n'atteigne le rotor, les aubes étant inclinées sous un angle tel qu'il n'apparaisse qu'une faible poussée sur les paliers du rotor. 20 30' Un but de l'invention est de fournir une douille de palier qui soit capable de supporter le rotor dans un tel dispositif et qui soit capable d'une longue durée de service dans les conditions hostiles résultant de la boue en circulation. Selon l'invention, on prévoit une douille de palier comprenant une coquille annulaire relativement rigide et un doublage de matière élastomère sur la paroi intérieure de la coquille, le doublage s'étendant axialement au-delà d'une extrémité, ou des deux extrémités de la coquille pour former une surface de palier.e butée dépassaht ladite ou lesdites extrémités de la coquille. L'invention feurnit aussi une douille de palier présentant à une extrémité ou aux deux extrémités,-de multiÀl i N ples saillants régulièrement espaces angulairement, formant des surfaces axiales qe palier de butée séparées par des rainures dirigées rad alement, chaque surface de palier ayant un côté d'entré%et un côté de sortie condidérés par rapport à la direction!selon laquelle, en service, du fluide lubrifiant s'écoulant birconférentiellement passe sur la surface de palier, et la surface de pKlier étant plus étroite à son côté d'ent7ée qu'à son côté de sortie. Afin que l'inv tion puisse être plus complètement comprise, on décrira maintenant à titre'.d'exemple des modes d'exécution préférentiÀ s de l'invention aveclréférence aux dessins annexés sur le4uels: la figure 1 est une vue latérale' d'une partie d'un émetteur de signaux à descendre dans unLpktts, utilisant deux dé ce' paliers, dû partie supérieure-de la figure étant en coupe axiale; la figure 2 est une vue du palier prise par une extrémité; la figure 3 ligne III-III de la la figure 4 est une coupe axiale prise suivant la figure 2; est un détail de la figure 3 montrant le profil de couronne; les figures 5A et 5B sont des vues prises respectivement par une extrémité et suivant la ligne B-B de la figure 5A, d'un plat de palier d'une variante d'exécution et les figures 6A et 6B sont des vues prises respectivement par une extrémité et suivant la ligne B-B de la figure 6A, d'un plat de palier d'une autre variante d'éxécution. Avant de décrire en détail le palier à douille, on 10 donnera, à propos de la figure 1, une brève description d'un émetteur de signaux comportant deux de ces palier$, afin que la fonction prévue du palier puisse être comprise. L'émetteur de signaux, qui est destiné à être installé à l'intérieur d'une masse-tige disposée à l'extrémité d'un 15 train de tiges dans un puits, pendant le forage, sert à transmettre à la surface des données de mesures sous la forme d'impulsions de pression, en modulant la pression de la boue qui descend le long du train de tiges. L'émetteur comprend, à l'intérieur d'un carter 10, un organe d'étran20 glement qui peut se déplacer axialement par rapport à un orifice d'étranglement pour faire varier la section d'écoulement de l'orifice et ainsi engendrer des impulsions de pression dans le courant de boue passant à travers cet orifice. Un rotor annulaire 30 entoure l'enveloppe 10 et peut tourner dans le courant de boue. 11 est couplé magnétiquement à un organe d'entraînement placé à l'intérieur du carter 10 de manière à entraîner l'organe d'entrainement qui, à son tour, entraîne à la fois une pompe et un générateur électrique pour fournir de l'4nergie électrique au fond 30 du puits. La pompe est prévue pour déplacer linéaireme#t l'organe d'étranglement, le sens de déplacement étant déterminé par un organe d'actionnament à solénoïde sous la commande d'un signal électrique d'entrée. On comprendra qu'un certain nombre des composants mentionnés ci- dessus ne 55 sont pas visibles sur la figure i. Toutefois, on peut :: \ : : \: > :: 0 : :: : L -5 .. :: : 0 -a.. * " T f, D:::: D;.',: 0:,.: 0 0,.0 2; 0 15 A. A:. ,: . 7 ':. . . 2e d' : : : 0 u ';5 . V. -t : _, ' + - -;03o * 0 -::' . . A: f::: * X - -.: :: À: : > . : : 0 : : X f déterminer la structure détaillée et le fonctionnement d'un tel émetteur de signaux en se référant au brevet GB 2 123 458A de la demanderesse. Un stator annulaire 32 entoure aussi-le carter 10 en amont du rotor 30 et est fixé sur le carter. Le stator 32 a des aubes 34 inclinées dans un sens par rapport à la direction d'écoulement de la boue tandis que le rotor 30 a des aubes 36 parallèles à la direction d'écoulement de la boue. Le rotor 30 est monté demanière à pouvoir tourner par rapport au carter 10 au moyen de paliers à douille supérieur et inférieur 56 et 58. Chaque palier 56 ou 58 entoure un élément annulaire porteur 60 ou 63 définissant des surfaces axiales et radiales d'appui 64, 65, 66, 67. Les paliers 56 et 58 sont fixés au rotor 30 et les éléments porteurs 60 et 62 sont fixées à l'enveloppe 10. En outre, les paliers 56 et 58 sont lubrifiés par le courant de boue et sont de la forme voulue pour absorber une poussée aussi bien axiale que radiale, d'une manière que l'on décrira plus en détail ci-aprèes. Comme le montrent les figures 2 et 3, le palier 56 ou 58 comprend une coquille extérieure 70 en laiton marin et un doublage intérieur 72 lié à la surface intérieure de la coquille 70 et formé de caoutchouc nitrile d'une dureté Shore A de 65 à 80. Comme on le voit plus particulièrement par la figure 3, le doublage intérieur 72 s'étend axialement au delà d'une extrémité de la coquille 70 de manière à former une partie annulaire 74 dépassant l'extrémité de la coquille 70 et rabattue par- dessus cette extrémité. En outre, le doublage 72 présente huit rainures axiales 76, régulièrement espacées, qui permettent l'écoulement de boue lubrifiante d'une extrémité à l'autre du palier. Huit saillants axiaux 78 régulièrement espacés sont formés entre ces rainures et servent de surfaces radiales de palier pour s'appuyer contre les surfaces radiales d'appui ou 67 de l'élément annulaire porteur 60 ou 62 placé à l'intérieur du palier 56 ou 58 dans la disposition de la figure 1. En outre, huit évidements radiaux 80 régulièrement espacés angulairement sont formes dans la partie axiale de palier 74 dépassant une extrémité de la coquille 70, la position radiale de ces évidements correspondant à la position radiale des rainures axiales 76. Huit saillants 82 espacés d'angles égaux sont situés entre les évidements 10 radiaux 80, dans des positions radiales correspondant aux positions radiales des saillants axiaux 78, et définissent des surfaces axiales de palier coopérant avec les surfaces d'appui 64 ou 66 de l'élément porteur 60 ou 62 placé à l'intérieur des paliers 56 ou 58 dans la disposition de la 15 figure 1. Afin d'optimiser les propriétés de support des surfaces axiales des paliers 56 ou 58 tournant par rapport à l'élément porteur 60 ou 62, il est important que les saillants radiaux 82 aient un profil critique que l'on voit Ieledux. 20 sur la figure 4. Ce profil est conçu pour assurer une distribution préférentielle de pression de contact qui permet au palier de supporter une charge qui est typiquement d'un ordre de grandeur supérieur à ce qui serait réalisable avec un profil conçu pour être exactement complémentaire de 25 celui des surfaces d'appui de l'élément porteur associe ou 62, c'est-à-dire avec une surface plane dans le cas d'une surface d'appui plane. Un tel profil assure en outre que l'usure de la surface du saillant 82 n'affecte pas excessivement le rendement du palier. Il présente une plus 50 grande tolérance à l'usure qu'un palier similaire de profil classique (géométriquement complémentaire) pour lequel le rendement dépend du maintien du r3yon de coin sur le côté d'entrée du profil, tel qu'on le voit dans le sens de rotation. Comme on le verra par la figure 4, le profil préféré comprend une parìe centrale 84, incurvée, c'est-à-dire convexe vers l'extérieur, à rayon de courbure relativement grand, rejoignant circonférentiellement à ses deux extrémités des parties incurvées 86 et 88, à rayon de courbure relativement petit, qui rejoignent à leur tour des parties incurvées vers l'intérieur 90 et 92, elles aussi à rayon de courbure relativement petit. Pour un rendement optimal, chaque partie de profil n'est pas nécessairement sous la forme d'un arc exactement circulaire, et le profil dans son ensemble n'est pas nécessairement exactement symétrique autour de l'axe 94. Dans,le cas o le palier à douille a un diamètre extérieur d'environ $5 mm, un diamètre intérieur d'environ 45 mm et une lôngueur axiale totale d'environ 35 mm, la partie 84 peut avoir un rayon de courbure de 15 22,2 mm, les parties 86 et 88, un rayon de courbure de 2,4 mm et les parties 90 et 92 un rayon de courbure de 3,0 mm. Dans le profil de la figure 4, les distances maximale et minimale D et d du profil à l'extrémité de la coquille sont respectivement d'environ 4,7 et 1,0 mm. La conception du profil est choisie de manière à maximiser la pression moyenne de la zone de contact pour une pression maximale donnée et à minimiser le gradient de pression sur le côté d'entrée en considérant le sens de rotation de la surface de palier. Dans le cas général, la partie 84 a de préférence un rayon de courbure de 0,5 à 1,5 fois le rayon moyen de la douille (c'est-àa-dire de la moyenne des rayons intérieur et extérieur de la douille)et, plus préférentiellement, elle a un rayon approximativement égal au rayon moyen de la - 30 douille. En outre, les parties 86 et 88 ont de préférence un rayon de courbure de 0,1 à 0,5 et, plus préférentiellement, de 0,2 à 0,3 fois le rayon royen de la douille, et la distance D (ce qu'on appelle l'épaisseur de patin) est de préférence de 0,05 d 0,4 et, plus préférentiellement, de 0,1 à 0,25 fois le rayon moyen de la douille. Dans une variante du palier décrit ci-dessus, la surface intérieure de la coquille 70 présente aussi des gorges axiales correspondant, par leur position, aux gorges axiales 76 du doublage 72, afin d'améliorer la liaison en5 tre la coquille 70 et le doublage 72. Cela assure une surface annulaire radialement discontinue à l'extrémité de la coquille 70 pour supporter la partie axiale de palier 74. En alternative, un rebord peut être formé à l'extrémité de la coquille 70 et s'étendre radialement vers l'inté10 rieur pour supporter la partie axiale de palier 74. Dans une autre variante, l'angle extérieur de chaque saillant radial 82 est chanfreiné d'une façon représentée en 95 sur les figures 5A et 5B de manière à rendre la surface de palier 96 du saillant 82 plus étroite à son 15 côté d'entrée qu'à son côté de sortie, en considérant le sens 99 dans lequel la boue lubrifiante s'écoule entre la surface de palier 96 et la surface d'appui de l'élément porteur associé 60 ou 62. Cela crie un coin de fluide et assure une action hydrodynamique positive à la périphérie 20 extérieure du palier de manière à combattre les fuites latérales de boue lubrifiante et les pertes centrifuges vers l'extérieur de la douille. On comprendra que le degré de chanfreinage diminuera du c8té d'entrée au côté de sortie et que la figure 5B montre le dégré moyen de chanfrei25 nage. Dans une autre variante, les angles aussi bien extérieur qu'intérieur de chaque saillant radial 82 sont chanfreiné comme indiqué en 95 et 97 sur les figures 6A et 6B..On obtient un effet similaire à celui de la dispo30 sition des figures 5A et 5B si ce n'est que dans le cas présent, une action hydrodynamique est aussi assurée à la périphérie intérieure du palier de manière à lutter contre les fuites latérales vers l'intérieur de la douille. Dans chaque cas, l'effet du chanfrePnlge sera d'augmenter l'épaisseur de pellicule de la boue lubrifiante entre la : V: : 0. R . : ,- j: 7: :: 1 0:: D:: - 15 \ :S , ::: : 0 f 0 0T20 - : D i 7..... : :' a:: :: ' 0 0 D: :.:; : -: g :: C:: D: 0' -:' S: : :: v 0 :: 0: f surface de palier 96 et la surface d'appui de l'élément porteur associé 60 ou 62, de manière à assurer une lubrification plus efficace du palier. La surface de palier 96, telle qu'indiqué sur la figure 6A, peut 8tre considérée comme ayant la forme d'un trapèze qui a été déformé de telle sorte que sa médiane est devenue une courbe 98 et que ses côtés obliques forment respectivement les bords intérieurs et extérieurs de la surface de palier 96. Les c8tés du trapèze sont de préférence inclinés d'un angle de 3 à 15 et le plus préférentiellement d'environ 5 , par rapport à la médiane du trapèze. Bien que les paliers décrits ci-dessus soient décrits en des dispositions dans lesquelles la douille de palier peut tourner sur un support fixe, il faut comprendre que de tels paliers pourraient aussi être utilisés dans des dispositions o la douille de palier est fixe et un arbre tournant passe à travers la douille. En outre, bien que les paliers décrits soient des paliers de rotor, on pourrait utiliser des paliers similaires dans des moteurs descendus dans le puits. REVENDICATIONS 1. Douille de palier comprenant unn coquille annulaire (70) relativement rigide et un àoublage (72) de matière élastomère sur la paroi intérieure de la coquille, caractérisée en ce que le doublage (72) s'étend axialement au delà d'une extrémité, ou des deux extrémités de la coquille pour former une surface axiale de palier de butée dépassant ladite ou lesdites extrémités de la roquille. 2. Douille de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parties (74) du doublage qui s'étendent 10 au-delà de ladite ou desdites extrémités de la coquille (70) sont rabattues par-dessus l'extrémité de la coquille de manière à être supportées par l'extrémité de la coquille. 3. Douille de palier selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la partie (74) du dou15 blage (72) qui s'étend au-delà de ladite ou desdites extrémités de la coquille (70) comprend 3e multiples saillants (82) régulièrement espacés angulairement, séparés par des évidements diriges radialement (80). 4. Douille de palier selon la revendication 3, carac20 terisEe en ce que chaque saillant (82) a, es direction circonférentielle, un profil formant une surface axiale de palier de butée incurvée vers l'extérieur. 5. Douille de palier selon la revendication 4, caractérisée en ce que la surface axiale de palier de butée 25 (82) a un rayon de courbure de 0,5 à 1,5 fois le rayon moyen de la douille. 6. Douille de palier selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le profil de chaque saillant (82) comprend une partie centrale (84) courbée vers l'extérieur ayant un rayon de courbure relativement grand et formant une surface axiale de palier de butée et, à chaque extrémite de la partie centrale (84), une partie (86, 88) courbée davantage vers l'extérieur, ayant un raon de courbure relativement petit. 7. Douille de palier selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque partie courbée davantage vers l'extérieur (86, 88) a un rayon de courbure de 0,1 à 0,5 fois le rayon moyen de la douille. 8. Douille de palier selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la paroi intérieure du doublage (72) comprend de multiples saillants radiaux de palier de butée (78), régulièrement espacés angulairement, séparés par des rainures (76) dirigés axialement. 9. Douille de palier selon la revendication 8, caractérisée en ce que des rainures axiales sont formées dans la paroi intérieure de la coquille (70) , aux emplace!ent des rainures axiales (76) de la paroi irntérieure du doublage - (72). 10.Douille de palier caractérisée en ce qu'elle présente, à une extrémité ou à chaque extrémité, de multiples saillants (82) régulièrement espacés angulairement, formant des surfaces axiales de palier de butée séparées par des rainures dirigées radialement (80), chaque surface de palier ayant un côté d'entrée et un côté de sortie, en considérant le sens (99) o en service du fluide lubrifiant s'écoulant circonférentiellement passe par dessus la surface de palier, et la surface de]alier étant plus étroite à son côté d'entrée qu'à son côté de sortie.