МУФТА ГИБКАЯ
FLEXIBLE COUPLING

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию, а именно к соединительной арматуре установки электроцентробежного насоса (ЭЦН), в частности для соединения ЭЦН с погружным электродвигателем для добычи нефти и газа из наклонно-направленных и искривленных скважин.
Известен секционный насос с шарнирным сочленением (патент на изобретение РФ №2159870, F04D 13/10, F04D 29/62, дата публикации 27.11.2000 г.), нижний конец верхней секции которого снабжен сферическим элементом, а верхний конец нижней секции - сферическим гнездом, при этом сочленение выходного конца вала верхней секции с выходным концом вала нижней секции осуществляют с помощью зубчатой муфты, состоящей из обоймы с прямыми зубьями на внутренней поверхности и находящейся с ней в зацеплении бочкообразной головки с наружными зубьями, а сочленение муфты с выходными концами валов соседних секций осуществляют с помощью шлицевых соединений.
Недостатком известного устройства является ограниченность ресурса работы зубчатой муфты, в частности бочкообразной головки с наружными зубьями из-за неравномерности угловых скоростей ее зубьев, возникающей при изгибе осей шарнирного сочленения, что создаёт дополнительные инерционные пульсирующие нагрузки в соединяемых деталях и приводит к повышенному износу и дальнейшему разрушению деталей шарнирного соединения. Недостатком устройства также является низкая ремонтопригодность изделия ввиду невозможности локальной замены шарнирного сочленения установки ЭЦН в полевых условиях.
Известна гибкая шарнирная муфта (патент на изобретение РФ № 2230233, F04D 29/62, F04D 13/10, дата публикации 10.06.2004г.), взятая в качестве прототипа, содержащая два корпуса, соединенных между собой посредством кольца со сферической наружной поверхностью. Корпуса муфты расположены внутри герметичного гофрированного металлорукава, а кольцо выполнено с крестовиной из пальцев, посредством которых кольцо соединено с корпусами. Для сочленения валов секций погружного электронасоса внутри крестовины установлен промежуточный вал с двумя шарнирными муфтами, равноудаленными от центра симметрии крестовины.
Недостатком известной гибкой муфты является низкая надежность узла передачи крутящего момента, что обусловлено использованием двухзвенной конструкции, а именно промежуточного вала с двумя шарнирными муфтами, что предполагает использование большого количества трущихся деталей (крестовины, пальцы, втулки, штифты), которые повышают риск заклинивания и разрушения подвижных элементов конструкции. Кроме того, использование в известном устройстве промежуточного вала и двух шарнирных муфт увеличивает габаритные размеры гибкой муфты, в частности, её длину, что приводит к удлинению установки электроцентробежного насоса в целом, уменьшению допустимого угла кривизны скважины для спускоподъёмных операций и работы установки в искривленных скважинах.
Задача полезной модели - разработка муфты гибкой, обеспечивающей эксплуатационную надежность, с малогабаритным узлом передачи крутящего момента валов.
Технический результат, получаемый в результате реализации предложенной конструкции, состоит в повышении надёжности работы устройства, увеличении срока эксплуатации за счёт исключения заклинивания и разрушения подвижных элементов конструкции, ремонтопригодности и уменьшении габаритов изделия в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в муфте гибкой, содержащей два корпуса, соединенных между собой посредством сферического кольца, в которых установлен узел сочленения валов погружного электродвигателя и электроцентробежного насоса, согласно изобретению, узел сочленения валов содержит ведущий и ведомый валы, соединенные между собой с помощью кулачково-дискового шарнирного соединения, при этом ведущий и ведомые валы снабжены радиальными отверстиями, оси которых смещены относительно торцов соответствующих валов в сторону их центра масс с образованием на торцах прямоугольного профиля, в радиальных отверстиях установлены цилиндрические кулачки, торцы которых ограничены от продольного перемещения пластинами, закрепленными на ведущем и ведомом валах, при этом в кулачках выполнены продольные круговые пазы прямоугольного профиля для размещения поперечно установленного диска, ось которого расположена перпендикулярно оси каждого из радиальных отверстий, ширина прямоугольного профиля которых меньше диаметра радиальных отверстий, но больше толщины диска, центр масс которого совпадает с центром масс сферического кольца.
Соединение входного и выходного валов в муфте с помощью кулачково-дискового шарнирного соединения позволяет повысить запас прочности устройства за счет увеличения контактных поверхностей деталей, воспринимающих усилия, что повышает надёжность изделия в целом.
Выполнение на ведущем и ведомом валах муфты радиальных отверстий для установки кулачков, оси которых смещены относительно торцов соответствующих валов в сторону их центра масс с образованием на торцах прямоугольного профиля, позволяет уменьшить количество узловых соединений и деталей шарнирного соединения по сравнению с прототипом, повысить надёжность и технологичность изготовления изделия.
Выполнение в конструкции пластин закрепленных на ведущем и ведомом валах позволяет ограничить перемещение кулачков вдоль своей оси, что позволяет уменьшить износ трущихся поверхностей кулачков и радиальных отверстий, что увеличивает надежность и срок службы кулачково-дискового соединения.
Закрепление пластин с помощью разъёмного соединения позволяет упростить сборку/разборку узлов изделия, что повышает ремонтопригодность изделия в целом.
Выполнение ширины прямоугольного профиля радиальных отверстий меньше диаметра радиальных отверстий, но больше толщины диска, позволяет увеличить контактную поверхность кулачков с радиальными отверстиями, предохраняет кулачки от перемещения вдоль оси валов, что предотвращает заклинивание и разрушение шарнирного соединения, повышая его срок службы и надёжность изделия в целом.
Расположение центра масс диска, совпадающим с центром масс сферического кольца, позволяет исключить изгибающую нагрузку на валы, что повышает безотказность работы изделия.
Наличие указанных признаков позволяет сделать вывод о новизне технического решения.
При сравнении заявленного решения с другими техническими решениями в данной области техники не выявлена совокупность признаков, отличающих заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
Соответствие заявленного решения критерию изобретения «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения муфты гибкой.
На фиг. 1 приведен общий вид муфты гибкой, на фиг. 2 - разрез А-А, на фиг.3 - узел передачи крутящего момента в изометрии; на фиг.4 приведен вид муфты в рабочем положении в горизонтальной плоскости, на фиг.5 -вид муфты в рабочем положении в вертикальной плоскости.
Муфта гибкая (фиг.1) состоит из двух корпусов 1 и 2 соединенных между собой посредством сферического кольца 3 и гайки 4 со сферическим гнездом. В корпусах 1 и 2 установлены ведущий и ведомый валы 5 и 6 соответственно, выходные концы которых предназначены для сочленения валов погружного электродвигателя и электроцентробежного насоса, в частности вала гидрозащиты и вала входного модуля или газосепаратора ЭЦН (не показано). Вторые концы валов 5 и 6 соединены между собой с помощью кулачково-дискового шарнирного соединения равных угловых скоростей. Для этого на соединяемых концах валов 5 и 6 выполнены радиальные отверстия 7 и 8, оси которых перпендикулярны осям соответствующих валов и смещены относительно торцов валов в сторону центра масс соответствующего вала с образованием прямоугольного профиля на торцах валов (фиг. 2 и 3). В радиальных отверстиях 7 и 8 установлены цилиндрические кулачки 9 и 10 соответственно, торцы которых ограничены (заневолены) от продольного перемещения четырьмя пластинами 11, закрепленными разъёмным соединением на валах 5 и 6. В кулачках 9 и 10 выполнены продольные круговые пазы 12 и 13 прямоугольного профиля для размещения поперечно установленного диска 14 для передачи вращения от ведущего вала 5 к ведомому валу 6. Ось диска 14 расположена перпендикулярно оси каждого из радиальных отверстий 7 и 8, ширина прямоугольного профиля которых меньше диаметра радиальных отверстий 7 и 8, но больше толщины диска 14, а ширина круговых пазов 12 и 13 кулачков 9 и 10 равна толщине диска 14. Центр масс диска 14 совпадает с центром масс сферического кольца 3. Ведущий и ведомый валы 5 и 6 муфты могут быть соединены с валами погружного электродвигателя и электроцентробежного насоса соответственно, например, с помощью шлицевых соединений (не показано).
Устройство работает следующим образом.
При работе установки центробежного насоса на криволинейном участке скважины, муфта гибкая загнута на определенный угол а, образованный ведущим и ведомым валами. Передача крутящего момента, например, от вала гидрозащиты к валу входного модуля (не показано) происходит от ведущего вала 5 через кулачок 9, диск 14, кулачок 10 к ведомому валу 6. При этом каждый из кулачков 9 и 10 поворачивается одновременно относительно оси валов 5 и 6 соответственно и оси диска 14. В горизонтальной плоскости валы 5 и 6 (фиг.4) поворачиваются вместе с кулачками 9 и 10 соответственно вокруг диска 14, а в вертикальной плоскости валы 5 и 6 (фиг.5) поворачиваются вокруг кулачков 9 и 10 соответственно. Оси радиальных отверстий 7 и 8 лежат в одной плоскости, которая совпадает со средней плоскостью диска 14, и равноудалены от точки пересечения осей валов 5 и 6 и всегда перпендикулярны им. Точка пересечения осей радиальных отверстий 7 и 8, всегда расположена на плоскости делящей пополам угол а между осями валов 5 и 6 (фиг.5), что обеспечивает синхронную передачу крутящего момента от ведущего вала 5 ведомому валу 6.
Предложенная конструкция гибкой муфты, установленной между, например, гидрозащитой погружного электродвигателя и входным модулем установки ЭЦН, позволяет проходить интервалы искривлений скважины и работать электроцентробежному насосу на участке со сверхнормативной кривизной без заклинивания насосного оборудования.