Brevet FR2607882A1 — publié le 19880610

L'invention concerne des douilles de palier servant supporter des organes annulaires rotatifs ou des arbres rotatifs. Dans le domaine du forage, il y a de nombreuses circonstances ou il est désirable que de l'énergie électri- que soit engendrée dans le puits par un turbogénérateur entraîné par le courant de boue de forage ou que de l'éner- gie mécanique, nécessaire à une partie mobile placée dans le puits, so6t engendrée directement par un rotor entrai- né par le courant de boue. Les brevets GB 2 CS2 653A et 2 087 951A, au nom de la demanderesse, décrivent des dis- positifs dans lesquels un rotor annulaire er.trainé 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 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. 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 servi- ce 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-deL:à d'une extrémité, ou des deux extrémités de la coquille pour former une surface de palier de butée dépassant ladite ou lesdites extrémités de la cocuille. L'invention fournit aussi une douille de palier présentant à une extrémité ou aux deux extrémités, de multi- ples saillants régulièrement espacés angulairement, formant des surfaces axiales de palier de butée séparées par des rainures dirigées radialement, chaque surface de palier ayant un côté d'entrée et un côté de sortie condidérés par rapport à la directicn selon laquelle, en service, du fluide lubrifiant s'écoulant circonférentiellement passe sur la surface de palier, et la surface de palier étant plus étroite à son côté d'entrée qu'à son côté de sortie. Afin que l'invention puisse être plus complètenent comprise, on décrira raintenant à titre d'exemple des nodes d'exécution préférentiels de l'invention avec référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue latérale d'une partie d'un émetteur de signaux à descendre dans un puits, utilisant deux de ces paliers, la partie supérieure de la figure étant en coupe axiale; la figure 2 est une vue du palier prise par une extrémité; la figure 3 est une coupe axiale prise suivant la ligne III-III de la figure 2; la figure 4 est un détail de la figure 3 montrant le profil de couronne; les figures 5A et 5B sont des vues prises respec- tivement 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 respecti- vement par une extrémité et suivant la ligne B-B de la figu- re6A, d'un plat de palier d'une autre variante d'exécution. Avant de décrire en détail le palier à douille, on donnera, à propos de la figure 1, une brève description d'un émetteur de signaux comportant deux de ces paliers, 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 1 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 mojulant 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'étrar- glement qui peut se déplacer axialement par rapport à un orifice d'étranglement pour faire varier la section d'écoz- leTent 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 2, peut tourner dans le courant de boue. Il est couplé magné- tiquement à un organe d'entrainement placé à l'intérieur du carter 10 de manière à entraîner l'organe d'entrainemer.n. qui, à son tour, entraîne à la fols une pompe et un généra- teur électrique pour fournit de l'énergie électrique au fond du puits. La pompe est prévue pour déplacer linéairement l'organe d'étranglement, le sens de déplacement étant déterminé par un organe d'actionnement à solénoïde sous la commande d'un signal électrique d'entrée. On comprendra qu'un certain nombre des composants mentionnés ci-dessus ne sont pas visibles sur la figure 1. Toutefois, on peut 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 direc- tion 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 de manière à pDuvoir 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 6Z 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 fixés à l'enveloppe 10. En ou;tre, 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-apres. Co=me 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 for- mer 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 sail- lants axiaux 78 régulièrement espacés sont formes 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 formés 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 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 figure 1. Afin d'optimiser les propriétés de support des surfaces axiales des paliers 56 ou 58 tournant par rapport à l'élézent porteur 60 ou 62, il est iu:ortant que les saillan.ts radiaux 82 aient un profil critique oue l'on voit le mieux sur-la figure 4. Ce profil est conçu pour assurer une dis- tributior. préférentielle de pression de contact qui permet eu 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 celui des surfaces d'appui de l'élémen: porteur associé ou 62, c'est-à-dire avec une surface plane dans le cas d'une surface d'appui plane. Un tel prcfil assure en outre que l'usure de la surface du saillant 82 n'affecte pas excessivement le rendement du palier.:l présente une plus grande tolérance à l'usure qu'un palier similaire de profil classique (géométriquement complémentaire) pour lequel le rendement dépend du maintien du rayon de coin sur le côté d'entrée du profil, tel qu'on le voit dans le sens de rota- tion. Comme on le verra par la figure 4, le profil préféré comprend une partie centrale 84, incurvée, c'est-à-dire convexe vers l'extérieur, à rayon de courbure relativement grand, rejoignant circonférentiellement à ses deux extrémi- tés 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 nécessaireent sous la forme d'un arc exactement circulaire, et le profil dans son ensemble n'est pas nécessairement exactement symétri- que autour de l'axe 94. Dans le cas bo le palier à douille a un diamètre extérieur d'environ 65 mm, un diamètre inté- rieur d'environ 45 mm et une longueur axiale totale d'envi- ron 35 m., la partie 84 peut avoir un rayon de courbure de 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 mmn. 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 mn. La conception du profil est choisie e 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 r=yon moyen de la douille (c'est-à-dire de la moyenne des rayvcns intérieur et extérieur de la douille)et, plus préférentieLlement, elle a un rayon approximativement égal au rayon moyen de la douille. En outre, les parties 86 et 88 ont de préférence un rayon de courbure de 0,1 à 0,5 et, plus préférentielle- ment, 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 à 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 en- tre la coquille 70 et le doublage 72. Cela assure une sur- face 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'extrémi- té de la coquille 70 et s'étendre radialement vers l'inté- 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 repré- sentée en 95 sur les figures 5A et 5B de manière à rendre la surface de palier 96 du saillant 82 plus étroite à son ctté d'entrée qu'à son coté de sortie, en considérant le sens 99 dans lecuel 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 crée un coin de fluide et assure une action hydrodynamique positive à la périphérie 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 côté d'entrée au c8të de sor- tie et que la figure 5B montre le degré moyen de chanfrei- 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 dispo- 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 chanfreinage sera d'augmenter l'épaisseur de pellicule de la boue lubrifiante entre la surface de palier 96 et la surface d'appui de l'élémernt 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 être 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 côtés 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 palier_ de rotor, on pourrait utiliser des paliers similaires dEns des moteurs descenius dans le puits. REVEEDICATIONS 1. Douille de palier, caractérisée en ce qu'elle présente, à ses extrémités ou à l'une d'entre elles, 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 c8té d'entrée et un c8té de sortie, en considérant le sens (99) o, en service, du fluide lubrifiant s'écoulant circonfé- rentiellement passe par dessus la surface de palier, et la surface de palier étant plus étroite à son c8té d'entrée qu'à son côté de sortie. 2o Douille de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une coquille annulaire (70) relativement rigide et un doublage (72) de matière élastomère sur la paroi intérieure de la coquille. 3. Douille de palier selon la revendication 2, caractérisée en ce que le doublage (72) s'étend axialezent au-delà d'une extrémité, ou des deux extrémités de la coquille (70) pour former lesdites surfaces axiales de palier de butée (82) dépassant ladite ou lesdites extrémités de la coquille. 4. Douille de palier selon la revendication 3, caractérisée en ce que la ou les parties (74) du doublage qui s'étendent 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'extré- mité de la coquille. 5. Douille de palier selon l'une des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque saillant (82) a, en direction circonférentielle, un profil formant une surface axiale de palier de butée incurvée vers l'extérieur. 6. Douille de palier selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface axiale de palier de butée (82) a un rayon de courbure de 0,5 à 1,5 fois le rayon moyen de la douille. 7. Douille de palier selon l'une des revendi- cations 5 ou 6, 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 extrémité de la partie centrale (84), une partie (86, 88) courbée davantage vers l'extérieur, ayant un rayon de courbure relativement petit. - 8. Douille de palier selon la revendication 7, 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. 9. Douille de palier selon la revendication 2 ou l'une des revendications 3 à 8 quand elles sont ratta- chées directement ou indirectement à la revendication 2, 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) dirigées axialement. 10. Douille de palier selon la revendication 9, caractérisée en ce que des rainures axiales sont formées dans la paroi intérieure de la coquille (70), aux empla- cements des rainures axiales (76) de la paroi intérieure du doublage (72).