ГИДРОДИНАМИЧЕСКИ СМАЗЫВАЕМОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА, ИМЕЮЩЕЕ УСТОЙЧИВУЮ К СКРУЧИВАНИЮ ГЕОМЕТРИЮ

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в целом к гидродинамически смазываемым уплотнениям вращающегося вала и, в частности, к гидродинамически смазываемому уплотнению вращающегося вала, имеющему выпуклую геометрию статичной уплотнительной поверхности раздела, которая минимизирует возможность скручивания уплотнения, что в противном случае может происходить в результате его радиального сжатия.
Уровень техники
В нефтепромысловой промышленности широко применяются гидродинамически смазываемые, кольцевые уплотнения сальникового типа вращающегося вала, реализующие принципы, изложенные в патенте США №4610319 и продаваемые фирмой Kalsi Engineering, Inc. of Sugarland, Tx. под торговой маркой Kalsi Seals. Гидродинамически смазываемые уплотнения используются для обеспечения удерживания смазки и исключения загрязнений в жестких абразивных условиях, таких как условия бурения скважин в нефтяном месторождении, и успешно используются в установках как с низким, так и высоким давлением смазки. Коммерческие применения, относящиеся к нефтепромыслу, включают вращающиеся конические долота, гидравлические забойные двигатели, высокоскоростные керноотборные вертлюги и вращающиеся бурильные головки. Все содержащиеся здесь ссылки на гидродинамически смазываемые уплотнения или гидродинамические уплотнения относятся к уплотнениям, реализующим принципы указанного выше патента США.
На фиг.11-18 данного описания показаны гидродинамические уплотнения, согласно уровню техники, которые поясняются здесь для облегчения понимания различий между этими уплотнениями, согласно уровню техники, и уплотнениями, согласно данному изобретению. Одним из первых реализованных в нефтяной промышленности применений гидродинамического уплотнения вращающегося вала является применение с низким давлением смазки, а именно во вращающемся коническом буровом долоте, который показан в качестве примера на фиг.11. Геометрия профиля гидродинамического уплотнения для вращающегося конического бурового долота обусловлена формой, длиной и относительным положением поверхности раздела вала и относительным
положением канавки уплотнения. Это приводит к динамической контактной геометрии, которая расположена приблизительно по центру геометрии статичного уплотнения. Уплотнение бурового долота задает статичную уплотнительную поверхность 1 раздела, сторону 2 окружения для контакта с буровой жидкостью и сторону 3 смазки для контакта со смазкой в камере смазки долота. Уплотнение образует также острую защитную кромку 4 и динамическую уплотнительную поверхность 5 раздела, которые находятся в контакте с цилиндрической уплотнительной поверхностью 6 вала и образуют не круговую гидродинамическую кромку 7, которая открыта для смазки. Сдвинутое в боковом направлении соотношение плоской поверхности 2 на стороне окружения или бурового раствора уплотнения и острой круговой защитной кромкой 4 диктуется радиусом кривизны вала 8. Этот признак приводит к тому, что динамическая уплотнительная поверхность раздела уплотнения бурового долота расположена по существу центрально относительно статичной поверхности раздела уплотнения. Следовательно, радиальное сжатие гидродинамического уплотнения вращающегося бурового долота не склонно вызывать скручивание уплотнения. Развитие цилиндрического контура уплотнительной поверхности раздела уплотнения бурового долота показано на фиг.13.
Тестирование уплотнений бурового долота
Проведенные обширные полевые испытания, которые включают образцы гидродинамических уплотнений бурового долота и обычные не гидродинамические уплотнения долота с овальным профилем, показали, что гидродинамические и защитные свойства гидродинамических уплотнений эффективно влияли на уменьшение износа уплотнения и сопряженной поверхности вращающегося вала. В некоторых случаях внутренние поверхности гидродинамических уплотнений были действительно без износа после продолжительного испытания; была еще видима чистовая обработка поверхности. При тех же условиях работы стандартные не гидродинамические уплотнения, которые использовались в качестве контрольных образцов, обычно проявляли значительное образование канавок на внутренней поверхности, а также приводили к образованию канавок на сопряженной с уплотнением поверхности вала. На основании анализа данных полевых испытаний изготовитель буров пришел к выводу, что «общий срок службы и надежность снабженного уплотнением шарошечного долота с опорой скольжения значительно улучшаются при использовании гидродинамически смазываемого уплотнения», и стал широко применять уплотнение во вращающихся конических буровых долотах.
Указанная геометрия гидродинамического уплотнения для бурового долота была подвергнута экстенсивному анализу методом конечных элементов при его разработке с
целью контролирования формы и положения динамической уплотнительной поверхности раздела, природы профиля контактного давления динамической поверхности раздела, и размещения полного профиля внутри сальниковой коробки. Толщина пленки уплотнения бура и прогнозируемое контактное давление между поверхностями показывают, что смазка, вызываемая клиновидным действием, является адекватной при обычных рабочих условиях, а также показывает, что распределение давления между поверхностями является очень желательным, поскольку оно резко повышается вблизи защитной кромки.
Форма контактной зоны между поверхностями уплотнения бура также тщательно экспериментально измеряли при различных условиях давления и температуры, которые встречаются в реальных условиях. Результаты показали, что хотя контактная зона между поверхностями уплотнения бура или контур, обозначенный позицией F на фиг.13, постепенно расширяется при увеличении температуры и давления, волна, заданная гидродинамической кромкой А, очень хорошо сохраняет свою высоту и форму, а острая защитная кромка В уплотнения сохраняет контакт с валом и не выпучивается сколь-нибудь заметным образом и не проявляет тенденции подъема от вала. Измерения ширины контура хорошо совпадали с прогнозируемой шириной указанного выше анализа методом конечных элементов.
Анализ уплотнения бура методом конечных элементов показал, что геометрия профиля уплотнения бура, смоделированная при средней высоте волны, является относительно устойчивой при сжатии и не проявляет большой тенденции к опрокидыванию в одном или другом направлении. Стабильность конструкции связана с тем фактом, что геометрия внутреннего динамического уплотнения приблизительно центрируется в осевом направлении относительно другой, статичной геометрии уплотнения.
Хотя гидродинамическое уплотнение бура является относительно устойчивым при применениях с низким давлением или без давления, оно не подходит для применений с высоким давлением, таких как смазываемые опоры гидравлического забойного двигателя с давлениями 500-1500 фунт-сила на квадратный дюйм (3,5-10,5 МПа), поскольку геометрия динамического уплотнения не поддерживается непосредственно стенкой сальниковой коробки. В гипотетическом случае, когда уплотнение бура подергается воздействию смазки высокого давления, уплотнение будет смещаться в направлении противоположной стенки сальниковой коробки. Первоначальное соприкосновение со стенкой сальниковой коробки происходило бы при диаметре, который значительно больше уплотнительной поверхности раздела на валу. Гидростатическое давление, действующее на не имеющую опоры зону между соприкосновением со стенкой и
соприкосновением с валом, оказывало огромное усилие на внутренний диаметр уплотнения. В результате, внутренний диаметр уплотнения сильно бы искажался под действием смазки, принудительно смещающего его к противоположной стенке сальниковой коробки. Такое сильное искажение гидродинамической геометрии исключало бы гидродинамическую смазку поверхности раздела и тем самым приводило бы к быстрому выходу из строя уплотнения за счет износа от непосредственного контакта трения, расплавлению от фрикционного нагревания и быстрому выдавливанию за счет размягчения эластомера.
Гидродинамическое уплотнение общего назначения
Гидродинамическое уплотнение общего назначения было также разработано внутри объема указанного выше патента США. На фиг.12 и 12а показано уплотнение, согласно уровню техники, при этом на фиг.12 показано сжатое состояние уплотнения внутри сальниковой коробки, а на фиг.12А - не сжатое состояние уплотнения. На фиг.12 показано типичное уплотнение Е общего назначения вращающегося вала, установленное в круговой канавке корпуса, которая имеет размеры для удерживания упругого кругового уплотнительного элемента с радиальным прижиманием к цилиндрической уплотнительной поверхности вала, создавая тем самым статичное уплотнение с корпусом и динамическое уплотнение с вращающимся валом, как и обычное уплотнение сальникового типа, такое как кольцо с круглым поперечным сечением. При вращении вала гидродинамическое уплотнение остается неподвижным относительно корпуса и сохраняет статичную уплотнительную поверхность раздела с указанным корпусом, в то время как поверхность раздела между уплотнением и валом становится динамической уплотнительной поверхностью раздела.
Как показано на фиг.12 и 12а и как показано в виде графика на фиг.13, внутренняя периферийная поверхность D гидродинамического уплотнения включает геометрию, которая способствует длительному сроку службы уплотнения за счет гидродинамической смазки динамической зоны между уплотнением и валом и за счет исключения проникновения загрязнений из уплотнения на поверхность раздела вала. Внутренняя периферийная геометрия гидродинамического уплотнения включает волнистую, изменяющуюся в осевом направлении кромку А на стороне смазки внутреннего диаметра, и прямую или острую защитную кромку В на стороне С окружения. При относительном повороте вала форма волны на стороне L смазки, которая имеет постепенно сужающуюся в осевом направлении форму G, создает гидродинамическое расклинивающее действие (за счет нормальной составляющей Vn вращательной скорости V), как показано на фиг.13, что приводит к вхождению пленки смазки между уплотнением Е и валом Н. Эта
смазывающая пленка физически разделяет уплотнение и вал и тем самым предотвращает обычный износ сухого трения, связанный с обычными не гидродинамическими уплотнениями сальникового типа, что удлиняет срок службы уплотнения и сопряженной поверхности вала и допускает на практике более высокие рабочие давления. Прямая острая кромка В на стороне С окружения на поверхности раздела между уплотнением и валом не изменяется в осевом направлении и не создает гидродинамического расклинивающего действия, и поэтому действует в качестве защиты поверхности раздела между уплотнением и валом от загрязнений в виде частиц. Легкие осевые перемещения вала происходят во многих типах вращающегося машинного оборудования вследствие упругости компонентов и различных внутренних зазоров. Острый угол В у кромки не гидродинамической стороны уплотнительной поверхности раздела, которая обычно известна как защитная сторона или защитная кромка, исключает царапающее воздействие загрязнений на вал во время таких осевых перемещений вала. Таким образом, при возникновении относительного осевого перемещения между валом и уплотнением, накопившиеся загрязнения, обычно абразивный материал, соскребается с уплотняемой поверхности вала, так что динамическая уплотнительная поверхность раздела остается свободной от загрязнений. Дополнительно к этому, гидродинамическое расклинивающее действие, которое вызывается взаимодействием смазки и гидродинамической кромки А, создает управляемое действие нагнетания смазки со стороны смазки к стороне окружения динамической поверхности раздела, что приводит к небольшой степени утечки смазки; эта утечка или движение пленки смазки смывает загрязнения в виде частиц с поверхности раздела вала и уплотнения на сторону загрязнений уплотнения, если любые загрязнения проникают на динамическую уплотнительную поверхность раздела за защитную кромку В.
Форма профиля гидродинамического уплотнения вращающегося вала, которое используется в буровых долотах, значительно отличается от формы профиля, которая предлагается для других применений. Пространство сильно ограничено в буровом долоте по соображениям механической прочности, и геометрия профиля гидродинамического уплотнения долота диктуется формой и длиной поверхности раздела вала, и геометрией и относительным положением уплотнительной канавки. Эти ограничения для уплотнения приводят к геометрии динамической уплотнительной поверхности раздела, которая приблизительно центрирована относительно геометрии статичной уплотнительной поверхности раздела. В этой связи профиль уплотнения долота существенно отличается от профиля стандартного уплотнения Kalsi общего назначения, которое в отличие от уплотнения долота предназначено для применений как с высоким, так и низким
давлением. Уплотнения общего назначения имеют динамическую уплотнительную поверхность раздела, которая сдвинута относительно статичной уплотнительной поверхности раздела. В отличие от уплотнения долота, которое сконструировано для специального применения с низким давлением, гидродинамическое уплотнение общего назначения предназначено для использования при работе как с низким давлением, так и с высоким давлением. Поэтому форма профиля уплотнения общего назначения существенно отличается от формы профиля уплотнения долота; острая защитная кромка предпочтительно расположена на крайнем конце стороны окружения уплотнения. Положение острой защитной кромки на гидродинамическом уплотнении общего назначения диктуется необходимостью опоры на стенку сальниковой коробки при применениях с высоким давлением. Эта форма обуславливается тем, что когда существуют условия высокого давления смазки, то защитная сторона уплотнения отжимается к стенке сальниковой коробки за счет разницы давлений между смазкой и загрязнениями, как показано на фиг.12. Если бы защитная кромка была не на крайнем конце стороны окружения уплотнения, то уплотнение испытывало бы слишком большое искажение и исключались бы гидродинамические характеристики, как было описано ранее в гипотетическом случае воздействия на уплотнение высокого давления.
Поскольку конструкция гидродинамического уплотнения общего назначения такова, что острая защитная кромка находится на крайнем конце стороны окружения уплотнения, и поскольку форма конца уплотнения на стороне окружения является по существу одинаковой с формой стенки сальниковой коробки со стороны окружения, то уплотнение общего назначения имеет хорошую опору против давления смазки во всех местах, за исключением зазора I, который существует между корпусом и валом. Этот зазор, который часто называется зазором вытеснения, удерживается очень небольшим, так что материал уплотнения за счет упругости может перекрывать зазор и сопротивляться значительной деформации за счет результирующего гидростатического давления.
Описание проблемы
Хотя гидродинамическое уплотнение общего назначения вращающегося вала, показанное на фиг.12, работает очень хорошо для сдерживания смазки под давлением в абразивном окружении (что доказывается его широким использованием в качестве уплотнения для гидравлических забойных двигателей высокого давления), иногда оно проявляет преждевременный абразивный износ, когда оно используется для удерживания смазки без давления или смазки низкого давления в абразивном окружении.
Наиболее широко распространенным использованием при низком давлении гидродинамического уплотнения общего назначения вращающегося вала является
использование в уплотнительных опорных узлах гидравлических забойных двигателей при бурении нефтяных скважин, которые используются для бурения твердых и скальных пород, и которое представляет особенно сложное применение уплотнения вала.
Уплотнения низкого давления в гидравлическом забойном двигателе должны работать при следующей комбинации вредных условий:
1. Высокие уровни колебаний бокового отклонения вала.
2. Повышенная температура окружения за счет тепла, создаваемого геотермальными факторами, опорой и уплотнением.
3. Сильно абразивное окружение бурового раствора.
4. Ограниченный объем резервуара для жидкости.
5. Жесткие ограничения радиального и осевого пространства.
6. Статичная несоосность вала и корпуса.
7. Высокий уровень вибраций.
8. Осевое движение вала за счет внутренних механических зазоров и эластичности компонентов.
9. Осевое движение уплотнения по соображениям выравнивания давлений.
Хорошее уплотнение низкого давления для гидравлических забойных двигателей должно быть способно работать при комбинации указанных выше вредных условий с низкой утечкой и длительным временем службы. Уплотнение высокого давления для гидравлических забойных двигателей должно также выдерживать давление смазки 3,5-10,5 МПа дополнительно к указанным выше проблемам.
Гидравлический забойный двигатель, который расположен на нижнем конце бурильной колонны, является объемным гидродинамическим двигателем, который приводит во вращение буровое долото. Он приводится в действие циркулирующим буровым раствором, который используется также для вымывания выбуренной породы из скважины.
Гидравлический забойный двигатель состоит из трех принципиальных подузлов: гидродинамического двигателя, универсального шарнира и опорного узла. Циркулирующий буровой раствор приводит во вращение ротор гидродинамического двигателя. Универсальный шарнир передает вращательное движение от двигателя на вращающийся вал опорного подузла, с которым соединено буровое долото с помощью резьбового соединения. Вес бурильной колонны передается на буровое долото через упорный подшипник опорного подузла.
При вращении долота оно упирается в геологическую формацию и разрушает ее за счет действующего на долото веса, который с этой целью концентрируется с помощью
режущей структуры долота. Радиальные подшипники опорного подузла служат для ориентации и направления долота относительно бурильной колонны.
В управляемых системах используется изогнутый корпус между подузлом двигателя и опорным подузлом. Управление направлением осуществляется посредством моментального поворота изогнутого корпуса в желаемом направлении бурения. Вертикальное бурение осуществляется посредством непрерывного вращения бурильной колонны. Изогнутые корпуса добавляют боковую нагрузку на радиальные подшипники опорного подузла как при прямом, так и при направленном режиме бурения, и в совокупности с изменениями частоты осевой нагрузки приводят к большому уровню колебаний отклонения вала.
Все корпуса уплотненного опорного узла гидравлического забойного двигателя заполнены смазкой для опор, которая удерживается с помощью вращающихся уплотнительных элементов на каждом конце системы опорных корпусов. Давление смазки уравновешивается с давлением буровой жидкости; в большинстве конструкций давление смазки уравновешено с давлением в скважине бурильной колонны. Выравнивание давления обычно осуществляется с помощью выравнивающего давление поршня, который выполнен с возможностью скольжения с уплотнением в корпусе и вращения с уплотнением вместе с валом. Вращающееся уплотнение выравнивающего давление поршня является одним из двух мест, где обычно используются гидродинамические уплотнения общего назначения в качестве уплотнений низкого давления в уплотненных опорных подузлах гидравлических забойных двигателей.
После прохождения бурового раствора через полый вал уплотненного опорного подузла, он проходит затем через сопла бурового долота и входит в кольцо скважины, его давление падает до уровня, которое примерно на 3,5-10,5 МПа ниже давления скважины бурильной колонны. Поскольку давление смазки внутри опорного узла гидравлического забойного двигателя выравнивается с давлением бурильной колонны или с давлением кольца, то одно из вращающихся уплотнений должно иметь падение давления в 3,5-10,5 МПа между смазкой и окружением. Поскольку давление смазки обычно выравнивается с давлением бурильной колонны, то уплотнение высокого давления обычно находится у нижнего конца узла.
Опыт показал, что целесообразно защищать уплотнение высокого давления и окружающую механическую структуру от абразивного окружения бурового раствора за счет предусмотрения барьерной жидкости и вращающегося барьерного уплотнения. Система барьерного уплотнения, которая является вторым местом, где применяются гидродинамические уплотнения общего назначения в качестве уплотнений низкого
давления в уплотненных опорных узлах гидравлических забойных двигателей, обеспечивает чистое окружение смазки на обеих сторонах уплотнения высокого давления.
Если барьерное уплотнение не используется, то уплотнение высокого давления и окружающая механическая структура могут подвергаться абразивному износу; этот износ может ухудшать характеристики уплотнения высокого давления различными путями. Абразивные частицы присутствуют в зазоре вытеснения между корпусом и валом, которые вызывают значительный износ вала и сопрягающего отверстия корпуса, что приводит к увеличению зазора вытеснения, что уменьшает сопротивление выдавливания вращающегося уплотнения высокого давления. Абразивный износ вала проявляется в виде локальной канавки. Когда происходит относительно осевое движение между корпусом и валом в результате внутренних зазоров узла и упругости опорных компонентов, то передняя кромка уплотнения высокого давления может быть повреждена при прохождении над канавкой. Некоторые среды бурового раствора могут также воздействовать химически на материал уплотнения высокого давления, когда не используется барьерное уплотнение.
Барьерные уплотнения обычно устанавливаются в выравнивающем давление плавающем поршне, который выполнен с возможностью уплотненного скольжения внутри корпуса и уплотненного вращения вместе с валом. Задачей плавающего поршня является выравнивание давления барьерной смазки с окружающим давлением; барьерная смазка является смазкой, заключенной между барьерным уплотнением и уплотнением высокого давления.
Исследование износа гидродинамического уплотнения гидравлических забойных двигателей
Изучение используемых гидродинамических уплотнений низкого давления множества различных конфигураций уплотненных опорных подузлов гидравлических забойных двигателей показывает, что часто происходит преждевременный абразивный износ уплотнений низкого давления.
В одном хорошо документированном случае износ в виде канавки был очевиден на стороне окружения внутренней периферии уплотнений низкого давления после менее чем 70 часов работы, хотя оба уплотнения были все еще эффективными. Эта характеристика износа очевидно вызвана всасыванием абразивного материала на динамическую уплотнительную поверхность раздела, т.е. абразивных частиц, которые попадают на динамическую уплотнительную поверхность раздела через защитную кромку уплотнения. В другом случае уплотнение низкого давления было абразивно изношено, но все еще эффективно после более 200 часов работы в барьерном уплотнении гидравлического
забойного двигателя. Хотя эта характеристика выглядит хорошей, было отмечено много других уплотнений низкого давления из гидравлических забойных двигателей, которые имели полностью гладкий износ на внутренней периферии, без признаков оставления первоначальной изменяющейся в осевом направлении формы.
В результате явного доказательства преждевременного абразивного износа гидродинамических уплотнений общего назначения при использовании при низком давлении в гидравлических забойных двигателях, было проведено испытание для исследования проблемы в контролируемых лабораторных условиях. Испытание проводилось с гидродинамическим уплотнением общего назначения, бегущим по поверхности тонко измельченного карбида вольфрама в присутствии смазки с минимальным давлением. Перед вращением на уплотнение воздействовали моментальным давлением смазки, достаточным для ориентации уплотнения параллельно стороне окружения сальниковой коробки. Сторона окружения уплотнения была открыта для воздействия абразивного бурового раствора, содержащего песок. Во время испытания температуру смазки поддерживали внутри диапазона температур, ожидаемого при работе гидравлических забойных двигателей.
Во время процесса испытания узел вскрывали приблизительно каждые 24 часа для наблюдения признаков износа. Перед повторной сборкой уплотнение и вал тщательно очищали. После сборки на уплотнение снова воздействовали мгновенным давлением смазки для ориентации уплотнения у стороны окружения стенки сальниковой коробки.
Хотя уплотнительную поверхность раздела очищали каждый день, и хотя износ вала был небольшим, уплотнение начало проявлять полосу абразивного износа при около 100 часах работы. При около 140 часах, полоса абразивного износа заметно увеличилась по ширине. При около 160 часах, крутящий момент резко увеличился более чем в два раза. Увеличение крутящего момента сопровождалось соответствующим уменьшением степени утечки. При около 170 часах, крутящий момент упал до почти своей первоначальной величины, сохранял этот уровень в течение около 24 часов, а затем начал увеличиваться. При около 200 часах испытание было остановлено из-за высоких уровней крутящего момента. При завершении испытания уплотнение было все еще эффективным, однако проявляло узор износа, показанный на фиг.14. Следует отметить, что на динамической уплотнительной поверхности раздела на стороне С загрязнений уплотнения образовалась круговая канавка J износа.
От примерно 100 часов до завершения испытания на валу в месте расположения поверхности раздела постепенно развивался видимый узор износа. При около 100 часах
узор износа вала был едва виден и не ощущался. При около 200 часах, узор износа вала имел матированную текстуру, которая легко определялась на ощупь.
Первоначально считалось, что матированная текстура узора износа вала или всасываемые абразивные частицы были ответственны за увеличение крутящего момента. Это было опровергнуто, когда очищенное изношенное уплотнение показало большой крутящий момент при вращении на поверхности нового вала. Аналогичным образом, новое уплотнение не показывало большого крутящего момента при вращении на вале с узором износа. Был сделан вывод, что увеличенный крутящий момент, который возникает при около 150 часах испытания, является результатом частичной потери гидродинамической смазки, вызываемой износом уплотнения. Этот вывод подтверждается уменьшением степени утечки, которое происходит одновременно с увеличением крутящего момента.
Хотя уплотнение было все еще эффективным в конце 200 часов испытания, барьерные уплотнения не выдерживают так долго при реальном применении за счет более жестких условий, таких как больший динамический износ, а также отсутствие чистки каждые 24 часа.
Наряду с индикацией серьезного ухудшения гидродинамической смазки и соответствующего увеличения степени износа уплотнения, резкое увеличение крутящего момента в указанном выше испытании имеет другое серьезное следствие. Многие уплотнения низкого давления в гидравлических забойных двигателях устанавливаются в плавающих поршнях. Единственным средством против поворота поршня является трение наружного, скользящего уплотнения на уплотнительной поверхности раздела между поршнем и корпусом. Наружное, скользяще уплотнение обычно является кольцом круглого поперечного сечения или комбинированным уплотнением, таким как изготавливаемое и продаваемое фирмой Parker Seal под торговой маркой PolyPak. Резкие увеличения крутящего момента могут вызывать поворот поршня и скользящего уплотнения внутри корпуса. Такой поворот может быть весьма разрушительным для наружного уплотнения, поскольку оно находится в сухом истирающем контакте с отверстием корпуса. Это приводит к сильному износу наружного уплотнения; о таком износе сообщали многие клиенты, и такой износ наблюдали изобретатели данного изобретения. Резкое увеличение крутящего момента может приводить также к вращению гидродинамического уплотнения внутри сальниковой коробки, что приводит к износу уплотнения и сальниковой коробки за счет сухого скользящего контакта. Для предотвращения этого многие сальниковые коробки подвергают пескоструйной обработке для увеличения фрикционной стойкости для статичного удерживания уплотнения.
Когда существует условие эксцентриситета между валом и сальниковой коробкой, то радиальное сжатие уплотнения уменьшается на приблизительно половине окружности уплотнения и увеличивается на противоположной половине. Для обеспечения сохранения герметичности уплотнения в таких условиях эксцентриситета, необходимо обеспечить достаточное предварительное сжатие, так чтобы обеспечивать достаточный уровень сжатия в сдвинутом состоянии. Одновременно, испытываемое максимальное сжатие не должно отрицательно влиять на характеристики уплотнения. Поэтому желательно, чтобы уплотнение могло выдерживать давления, изменяющиеся в широком диапазоне.
Анализ методом конечных элементов гидродинамических уплотнений общего назначения
Хотя анализ методом конечных элементов не использовался при первоначальном конструировании существующего гидродинамического уплотнения общего назначения, он широко применялся позже для исследования исключения, наблюдаемого в лаборатории, когда узор контакта на валу указывал, что часть уплотнения на крайнем смазываемом конце профиля несколько терся об вал во время вращения. С тех пор были идентифицированы другие примеры соприкосновения смазываемого конца вала с уплотнением в образцах уплотнений низкого давления, взятых из гидравлических забойных двигателей, используемых в полевых условиях.
Анализ методом конечных элементов был выполнен на представительном гидродинамическом уплотнении и использовался для оценки деформированной формы уплотнения и результирующего давления контакта между поверхностями в широком спектре условий температуры, сжатия и давления смазки. Анализ предсказал увеличивающееся искажение и скручивание уплотнения общего назначения при увеличении уровня радиального сжатия и возможное соприкосновение крайней смазываемой кромки уплотнения с валом. На фиг.15 показан график смещения не сжатого уплотнения общего назначения, согласно уровню техники, полученный с помощью анализа методом конечных элементов, при этом уплотнение было смоделировано на половине высоты волны при сжатии 11% и увеличении температуры на 180°Ф (82°С). Показанный пунктирной линией контур М представляет не деформированную форму уплотнения. Показанный сплошной линией контур N представляет предсказанную деформированную форму уплотнения при радиальном сжатии. График смещения показывает, что в условиях моделирования уплотнение скручивается на такую величину, что внутренний круговой угол F смазываемого конца уплотнения приходит в соприкосновение с поверхностью Q вала. Контактные узоры вала с уплотнением низкого давления, указывающих на такое соприкосновение, наблюдались
на образцах для лабораторного испытания и на использованных уплотнениях низкого давления гидравлических забойных двигателей, отработавших в полевых условиях.
Анализ методом конечных элементов не сжимаемого уплотнения показал также другую нежелательную тенденцию; поскольку уплотнение скручивается внутри сальниковой коробки, то острая выдавливающая кромка  В уплотнения поднимается действительно от вала даже при относительно низком первоначальном сжатии. Эта склонность к подъему усугубляется при увеличении сжатия. На фиг.18 показана в увеличенном масштабе часть защитной кромки не сжатого уплотнения общего назначения, смоделированного на половине высоты волны при сжатии 11% и повышении температуры на 180°Ф (82°С), график смещения которой показан на фиг.15. На фиг.18 показана острая защитная кромка R уплотнения, поднятая от противоположной поверхности Q вращающегося вала в результате вызванного сжатием скручивания уплотнения. В результате уплотнение имеет постепенно сужающуюся форму S на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности Т раздела. Плавно сужающаяся форма уплотнения отражается в профиле контактного давления между поверхностями, предсказанному с помощью анализа методом конечных элементов.
В идеальном случае профиль контактного давления на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности раздела должен резко подниматься у острой кромки уплотнения, поскольку острая кромка предназначена для обеспечения защитного соскабливающего действия. Соскабливающее действие отсутствует, когда гидродинамическое уплотнение общего назначения используется в применении без давления; вместо этого местная геометрия уплотнения принимает форму указанного выше постепенного сближения с валом, которая является идеальной для захвата абразивных частиц в случае осевого движения вала. Небольшое осевое движение вала присутствует в уплотненных опорных узлах гидравлических забойных двигателей и в других типах оборудования за счет зазоров в подшипниках и других механических зазоров и упругости компонентов. В результате подъема острой кромки уплотнения и образующейся плавно сужающейся местной геометрии уплотнения, осевое движение приводит к движению абразивных частиц на динамическую уплотнительную поверхность раздела. Это вызывает абразивный износ вала и уплотнения.
Степень скручивания уплотнения внутри сальниковой коробки зависит от локализованной высоты гидродинамической волны. Опрокидывание и соответствующий подъем острой кромки больше в нижней точке волны и меньше в верхней точке волны. Это означает, что действительная последняя точка контакта на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности раздела изменяет свое положение в осевом
направлении в зависимости от высоты гидродинамической входной волны. Это явление создает, к сожалению, ограниченное гидродинамическое действие защитной кромки, которая действует для вклинивания окружающего загрязнения в уплотнительную поверхность раздела и вызывает преждевременный износ уплотнения даже при отсутствии осевого движения вала, и тем самым ограничивает срок службы уплотнения. Этот вывод подтверждается изношенными уплотнениями из лабораторных испытаний, где отсутствовало осевое движение вала.
Указанная выше модель анализа методом конечных элементов с тем же сжатием 11% и приростом температуры 180°Ф (82°С) использовалась при разнице давлений 100 фунт-сила на квадратный дюйм (690 кПа), как показано на фиг.16. Этот случай нагрузки предсказывает, что давление на стороне смазки заставляет уплотнение распрямляться и упираться в сторону окружения стенки. Это приводит острую кромку в желаемое соприкосновение с валом, что приводит к желаемому резкому профилю контактного давления на стороне окружения уплотнительной поверхности раздела и желаемому защитному соскабливающему действию. Выпрямляющее действие давления смазки имеет также желательный эффект устранения контакта вала на смазываемом конце уплотнения, хотя предсказываемый зазор все еще мал.
Уплотнение общего назначения было смоделировано также при сжатии 15% и разнице температуры 180°Ф (82°С), как показано на фиг.17. При этом уровне сжатия, как показано сплошной линией, действительно вся внутренняя часть уплотнения стала плоской в соприкосновении с валом; модель уплотнения осталась действительно полностью плоской у вала даже при приложении разницы давлений 690 кПа к стороне смазки. Такое крайнее искажение гидродинамической геометрии жестко воспрещает или полностью исключает желаемое действие гидродинамического нагнетания уплотнения, поскольку гидродинамическая кромка G действительно изолируется от смазки за счет контакта круговой кромки F с валом.
По результатам анализа методом конечных элементов был сделан вывод, что первоначальное сжатие уплотнения общего назначения должно быть ограничено менее 9% при отсутствии давления, хотя необходимо использовать сжатие 12%, если присутствует давление смазки 690 кПа или больше. На основе анализа методом конечных элементов фирма Kalsi Engineering, Inc. начала рекомендовать номинальное первоначальное сжатие 7,5%. Ясно, что желательно иметь уплотнения, которые бы выдерживали более высокие уровни сжатия, поскольку такое уплотнение допускало бы несоосность, биение, допуски, остаточную деформацию сжатия и износ.
В качестве общего правила, уплотнения с меньшим профилем необходимо подвергать большему первоначальному сжатию, чем более крупные уплотнения, поскольку любая заданная степень несоосности, динамического биения, допусков, износа и т.д. соответствует более высокой процентной доле меньшего размера профиля уплотнений. Ограничения сжатия существующей конструкции уплотнения накладывают соответствующие ограничения на минимальный эффективный размер профиля уплотнения, который является практичным для изготовления.
В целом анализ методом конечных элементов предсказывает, что скручивающее действие не сжатых уплотнений, которое возникает при воздействии на уплотнение радиального давления, исключает желаемое соскабливающее действие защитной острой кромки и вызывает нежелательное гидродинамическое действие на поверхности раздела между уплотнением и валом на загрязненной стороне управления, которое проявляет тенденцию к нагнетанию абразивных частиц на уплотнительную поверхность раздела. Получающийся абразивный износ уплотнения из-за присутствия абразивных частиц и из-за минимизированного смывающего действия смазки, которое наблюдается в противном случае, ограничивает срок службы уплотнения.
Тенденция к подъему защитной кромки отсутствует в применениях с давлением, поскольку давление смазки прижимает уплотнение к противоположной стенке сальниковой коробки, что изменяет ориентацию уплотнения и прижимает защитную кромку к валу. Хотя сжимаемое уплотнение не чувствительно к скручивающему действию, наблюдаемому в не сжатых уплотнениях, оба уплотнения испытывают крайне высокое искажение при высоких уровнях сжатия и проявляют сопутствующее исключение гидродинамического действия. Было бы желательно иметь более высокие уровни сжатия, чем достигаемые в настоящее время.
Полевые испытания обычного гидродинамического уплотнения, работающего в условиях низкого давления жидкости и высокого механического сжатия, подтверждают чрезмерный абразивный износ после относительно короткого времени работы: следовательно, можно предполагать, что такие уплотнения искажаются и скручиваются при механическом сжатия так, что острая защитная кромка поднимается от уплотнительной поверхности вала, как показано на фиг.18, что позволяет абразивным частицам проникать под поднятую вверх острую кромку.
Конечный срок службы доступных гидродинамических уплотнений вала ограничивается также остаточной деформацией сжатия эластомера (постоянной деформацией) при монтаже с высокой температурой. Было установлено, что большинство остаточной деформации сжатия происходит обычно у выступающего динамического
уплотнительного выступа на внутренней периферии уплотнения, а не поперек основного прямоугольного корпуса уплотнения. Причина для этого явления является двоякой. Во-первых, выступ находится непосредственно у источника самогенерирующегося нагревания, т.е. сдвига смазки в уплотнительной поверхности раздела. Во-вторых, поскольку выступ намного меньше, чем основное тело уплотнения, то он сжимается в процентном отношении больше, чем основное тело, за счет разницы в жесткости. Сопротивление остаточной деформации сжатия уплотнения можно улучшить, если сжатие распределять более равномерно по телу уплотнения вместо его концентрации в выступающем выступе.
Сущность изобретения
Изобретение относится к гидродинамическому уплотнению вращающегося вала сальникового типа, которое устраняет проблемы, перечисленные выше относительно гидродинамического уплотнения общего назначения вращающегося вала, предназначенному для работы со смазкой под давлением и без давления в жестких абразивных условиях. Гидродинамическое уплотнение вращающегося вала, согласно данному изобретению, снабжено изменяющейся в осевом направлении формой на стороне смазки динамической уплотнительной поверхности раздела с целью гидродинамической смазки динамической уплотнительной поверхности раздела и имеет прямую, остроугольную, не изменяющуюся в осевом направлении защитную форму на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности раздела с целью исключения загрязнений. В частности, гидродинамическое уплотнение, согласно данному изобретению, относится к коммерчески доступному типу гидродинамического уплотнения вращающегося вала, которое изготавливается и продается фирмой Kalsi Engineering, Inc. of Sugarland, Tx. в соответствии с патентом США №4610319. В этом гидродинамическом уплотнении защитная кромка расположена на крайнем конце геометрии профиля с целью обеспечения механической опоры против давления смазки, действующего на гидростатическую площадь уплотнения, для создания геометрии профиля, которая совместима с применениями удерживающего смазку высокого давления вращающегося уплотнения.
Данное изобретение резко улучшает уже исключительные характеристики указанных гидродинамических уплотнений общего назначения вращающегося вала, в частности, когда уплотнения используются в применениях сдерживания смазки без давления или смазки низкого давления. Улучшение достигается посредством исключения наблюдаемой в настоящее время тенденции к подниманию защитного выступа.
Улучшение характеристик защитного признака приводят к значительному увеличению срока службы при использовании уплотнения в абразивных условиях. Улучшение защитных характеристик делает также уплотнение менее чувствительным к сильным колебаниям крутящего момента, что приводит к вращению уплотнения внутри сальниковой коробки; когда уплотнение установлено в системе плавающего поршня, то уменьшается вероятность того, что улучшенное уплотнение вызывает вращение поршня в своем отверстии.
Изобретение также удлиняет срок службы уплотнений за счет обеспечения более высоких уровней первоначального сжатия без ухудшения признака гидродинамической смазки уплотнения; это дополнительное сжатие делает уплотнение значительно менее чувствительным к остаточной деформации сжатия, абразивному износу, механической несоосности, динамическим биениям и допускам изготовления.
Изобретение также уменьшает контактное давление между поверхностями вблизи входной геометрии гидродинамической смазки, что делает гидродинамическую смазку более полной и эффективной при малых скоростях.
Изобретение также обеспечивает умеренные дополнительные улучшения стойкости к остаточной деформации сжатия уплотнения за счет перераспределения сжатия по большой части уплотнения.
Изобретение обеспечивает все указанные выше преимущества за счет осуществления простой и компактной выступающей уплотнительной геометрии у не динамической уплотнительной поверхности раздела, которая обеспечивает противодействие нагрузке сжатия без вызывания соответствующего скручивания профиля уплотнения. Результирующее улучшенное уплотнение можно изготавливать с использованием существующих литейных форм лишь с небольшими модификациями инструмента. Улучшенное уплотнение требует меньше сырья для изготовления, и входит в ту же сальниковую коробку, что и существующее гидродинамическое уплотнение общего назначения, и поэтому не требует изменения существующего оборудования при замене.
Изобретение относится к гидродинамическому уплотнению для вращающегося вала, имеющему выпуклую геометрию статичной уплотнительной поверхности раздела и смежную геометрию профиля уплотнения, которая по существу повторяет и является зеркальной геометрии динамической уплотнительной поверхности раздела. При таком расположении форма общего профиля гидродинамического уплотнения приближается к условию двусторонней симметрии, которая имеет значительно меньшую тенденцию к скручиванию во время сжатия, поскольку искажение профиля, вызванное сжатием на
статичной уплотнительной поверхности раздела, приблизительно одинаково с искажением, вызываемым сжатием на динамической уплотнительной поверхности раздела. Эта симметричная конфигурация уплотнения не имеет склонности к вызыванию скручивания уплотнения в сальниковой коробке, когда уплотнение подвергается радиальному сжатию.
Стандартное гидродинамическое уплотнение общего назначения вращающегося вала, а также гидродинамическое уплотнение вращающегося вала, включающее выпуклую геометрию статичной уплотнительной поверхности раздела, были испытаны в лаборатории при работе с удерживающим давлением смазки 15 фунт-сила на квадратный дюйм (100 кПа) в условиях абразивного бурового раствора. Уплотнения были испытаны на раздельных частях одной и той же поверхности вала, с одинаковым биением, одинаковой сальниковой коробкой и одинаковыми температурой и скоростью. Испытания стандартного уплотнения общего назначения было подробно описано в разделе «Описание проблемы» данного описания. Кратко говоря, уплотнение общего назначения снимали для проверки каждые 24 часа, чистили и снова устанавливали на место. Оно проявляло абразивный износ в виде канавки при 110 часах и резкое увеличение крутящего момента и сопровождающее уменьшение степени утечки смазки при около 160 часах работы. В противоположность этому, уплотнение, которое включает выпуклый статичный уплотнительный выступ, согласно данному изобретению, разобрали в первый раз после 144 часов, при этом оно не имело преимущества каждодневной чистки, и тем не менее не проявляло абсолютно никакого износа. Испытание было завершено после 508 часов работы, а уплотнение и вал были тщательно проверены. Ни уплотнение, ни вал не проявляли каких-либо признаков износа. Крутящий момент оставался небольшим и постоянным во время всего испытания. Испытание подтвердило, что гидродинамическое уплотнение вращающегося вала, согласно данному изобретению, обеспечивает действительно чрезвычайное улучшение рабочих характеристик по сравнению со стандартным гидродинамическим уплотнением общего назначения.
Для лучшего пояснения и понимания указанных выше признаков, преимуществ и целей данного изобретения ниже приводится подробное описание изобретения применительно к вариантам выполнения, показанным на прилагаемых чертежах.
Однако следует отметить, что прилагаемые чертежи лишь иллюстрируют типичные варианты выполнения данного изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения, поскольку изобретение можно применять в других также эффективных вариантах выполнения.
Краткое описание чертежей
фиг.1 - частичный разрез системы корпуса и вращающегося вала, включающей гидродинамическое уплотнение вращающегося вала, выполненное в соответствии с данным изобретением;
фиг.2 и 2А - частичный разрез гидродинамического уплотнения вращающегося вала, согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, при этом на фиг.2А показано сжатое состояние уплотнения внутри сальниковой коробки, а на фиг.2А показано не сжатое состояние уплотнения;
фиг.3 - разрез гидродинамического уплотнения вращающегося вала, согласно альтернативному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.4 и 4А - частичный разрез системы корпуса и вращающегося вала, включающей гидродинамическое уплотнение вращающегося вала, согласно данному изобретению, при этом на фиг.4 уплотнение показано внутри внутренней канавки корпуса для уплотнения, и на фиг.4А показана не сжатая конфигурация уплотнения;
фиг.5 - разрез гидродинамического уплотнения вращающегося вала, согласно другому альтернативному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.6 и 6А - частичный разрез гидродинамического уплотнения, согласно альтернативному варианту выполнения данного изобретения, при этом на фиг.6 уплотнение показано радиально сжатым внутри канавки для уплотнения, имеющей наклонную наружную опорную поверхность, и на фиг.4А показана не сжатая конфигурация уплотнения;
фиг.7 и 7А - частичный разрез гидродинамического уплотнения, согласно альтернативному варианту выполнения данного изобретения, при этом на фиг.7 уплотнение показано в своем сжатом состоянии, и на фиг.7А показано не сжатое уплотнение;
фиг.8 и 8А - частичный разрез гидродинамического уплотнения, согласно другому варианту выполнения данного изобретения, при этом на фиг.8 уплотнение показано в своем сжатом состоянии, и на фиг.8А уплотнение показано в не сжатом состоянии;
фиг.9 и 9А - частичный разрез гидродинамического уплотнения, согласно другому альтернативному варианту выполнения данного изобретения, при этом на фиг.8 уплотнение показано в своем сжатом состоянии, и на фиг.8А показано не сжатая конфигурация уплотнения;
фиг.10 и 10А - частичный разрез гидродинамического уплотнения, согласно другому варианту выполнения данного изобретения, при этом на фиг.10 уплотнение
показано в своем сжатом состоянии, и на фиг.10А уплотнение показано в не сжатом состоянии;
фиг.11 - частичный разрез гидродинамического уплотнения бурового долота, согласно уровню техники;
фиг.12 и 12А - частичный разрез гидродинамического уплотнения общего назначения, согласно уровню техники, при этом на фиг.12 уплотнение расположено в сжатом состоянии внутри сальниковой коробки с образованием гидродинамической уплотнительной системы с вращающимся валом, а на фиг.12А показано уплотнение в не сжатом состоянии;
фиг.13 - конфигурация уплотнительной поверхности раздела гидродинамического уплотнения, которая иллюстрирует теоретический ход развития действия расклинивания или нагнетания;
фиг.14 - гидродинамическое уплотнение вращающегося вала общего назначения, согласно уровню техники, с узором износа, вызванного всасыванием абразивного материала со стороны загрязнений уплотнения;
фиг.15, 16, 17 - графики анализа методом конечных элементов гидродинамических уплотнений общего назначения, при этом не сжатое состояние уплотнения показано прерывистой линией, а состояние радиального сжатия показано сплошной линией;
фиг.18 - подъем защитной кромки уплотнения от вращающегося вала за счет опрокидывания или скручивания уплотнения в ответ на радиальное сжатие при низкой разнице давлений, в увеличенном масштабе.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения
На фиг.1, 2 и 2А показан разрез узла гидродинамического уплотнения вращающегося вала, обозначенного в целом позицией 10, включающего корпус 12, из которого выходит вращающийся вал 14. Корпус задает внутреннюю канавку для уплотнения, седло или сальниковую коробку 16, внутри которой расположено гидродинамическое уплотнение 18 вращающегося вала, которое выполнено в соответствии с принципами данного изобретения и которое показано более подробно в частичном разрезе на фиг.2 и 2А. Показанная на фиг.2А конфигурация представляет форму разреза улучшенного гидродинамического уплотнения вращающегося вала, согласно данному изобретению, в радиально не сжатом состоянии, в то время как на фиг.2 показана конфигурация разреза уплотнения, расположенного внутри канавки и радиально сжатого между вращающимся валом и радиально наружной стенкой канавки для уплотнения. Радиальный разрез, показанный на фиг.2 и 2А, выполнен в месте
периферии, которая представляет среднюю ширину контакта между поверхностями динамической уплотнительной поверхности раздела, которая соответствует средней точке высоты волны геометрии, которая создает действие вклинивания смазки, описанное в патенте США №4610319.
С точки зрения общей ориентации, конец уплотнения, который ориентирован в направлении смазки, является поверхностью 20. Эта поверхность может отличаться от плоской поверхности, показанной на фиг.2 и 2А, без отхода от идеи и объема данного изобретения. Конец уплотнения, который ориентирован в направлении жесткого абразивного или загрязненного окружения 22, является поверхностью 24. Эта поверхность также может отличаться от плоской поверхности, показанной на фиг.2 и 2А, без отхода от идеи и объема данного изобретения.
Согласно данному изобретению, круговой гидродинамический уплотнительный элемент 18 установлен внутри кругового седла или канавки 16 для уплотнения, и прижимается к вращающейся поверхности 28 вращающегося вала 14. Когда уплотнение устанавливается в круговую канавку или седло для уплотнения, то круговой радиально выступающий статичный уплотнительный выступ или выпуклость 30 прижимается к противоположной поверхности 32. На внутренней периферии кругового уплотнительного элемента 18 предусмотрена внутренняя окружная выпуклость 34, которая задает динамическую уплотнительную поверхность 36, которая прижимается к вращающейся противоположной поверхности 28, которая обычно, но не всегда, является круговой уплотнительной поверхностью вращающегося вала, такой как поверхность, обозначенная позицией 14. Гидродинамический уплотнительный элемент 18 поддерживается при достаточном радиальном сжатии для обеспечения герметичного относительно жидкости уплотнения на статичной уплотнительной поверхности раздела между статичным уплотнительным выступом 30 и сопряженной противоположной поверхностью 32 седла, и между динамическим уплотнительным выступом 34 и вращающейся относительно него противоположной поверхностью 28. Гидродинамическое уплотнение используется для разделения смазки в камере смазки или стороны 38 смазки уплотнения от загрязненной жидкости окружения 22 и для предотвращения смешивания смазки и загрязненного материала внутри окружения. В области бурения скважин загрязненной жидкостью обычно является буровая жидкость, называемая «буровым раствором», который содержит сильно абразивные частицы внутри жидкого носителя.
Кольцевой гидродинамический уплотнительный элемент может состоять из любого числа подходящих уплотнительных материалов, включая эластомерный или
резиноподобный уплотнительный материал и различные полимерные уплотнительные материалы.
Внутренняя и наружная радиальные выпуклости образуют конические поверхности 40 и 42, соответственно, которые направлены к стороне смазки уплотнения, при этом поверхность 40 имеет не круговую конфигурацию, в то время как поверхность 42 имеет круговую конфигурацию. Конические поверхности 40 и 42 задают каждая радиус, который определяет постепенную сходимость с валом и уплотнением, соответственно. Коническая поверхность 40 и внутренняя цилиндрическая динамическая уплотнительная поверхность 36 сопрягаются с радиусом 44. Поверхность 40 пересекает цилиндрическую поверхность 46 под острым углом 48 пересечения. Коническая поверхность 40 и радиус 44 образуют угловую, постепенно сужающуюся форму на стороне смазки динамической уплотнительной поверхности раздела, которая вызывает гидродинамическую миграцию пленки смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела, как описано в патенте США №4610319. Геометрия конической поверхности 40 может принимать любую из многих подходящих форм, которая обеспечивает постепенно сужающуюся форму на стороне смазки динамического уплотнительного выступа или выпуклости, без отхода от идеи и объема данного изобретения. Постепенно сужающаяся форма изменяет положение по периферии уплотнения так, что происходит гидродинамическое вклинивание пленки смазки в динамическую уплотнительную поверхность раздела при относительном поворотном движении между смазкой и  уплотнением.
Круговой угол или защитная кромка 50 представляет геометрию крутой соскабливающей кромки гидродинамического уплотнения, которая не развивает гидродинамического действия с окружением в ответ на относительное поворотное движение и которая соскабливает загрязнения с вращающегося вала при относительном поворотном движении между валом и уплотнением. Таким образом, уплотнение исключает вхождение абразивных частиц, присутствующих на стороне загрязнений уплотнения, на динамическую уплотнительную поверхность раздела.
Фиг.2 и 2А и показанное на них изобретение относятся, в частности, к обычному и привычному типу гидродинамического уплотнения общего назначения вращающегося вала, в котором расположение и конфигурация кромки 50 и конца 24 окружения уплотнения 18 таковы, что они в сильной степени опираются на стенку 52 сальниковой коробки так, что обеспечивается сопротивление выталкиванию материала уплотнения и другим связанным с этим повреждениям уплотнения в тех случаях, когда на уплотнение воздействует гидростатическая сила, вызываемая давлением смазки, действующим на
площадь между статичной уплотнительной поверхностью раздела и динамической уплотнительной поверхностью раздела.
Комбинация резкого защитного угла 50 и угловой постепенно сужающейся геометрией конической поверхности 40 и радиус 44 взаимодействуют с образованием выпуклого выступа 34, который выступает радиально внутрь из основного корпуса уплотнения 18 на крайнем конце уплотнения, который представляет сторону 24 окружения профиля уплотнения. Выпуклый выступ 34 при сжатии образует динамическую уплотнительную поверхность раздела во взаимодействии с вращающейся противоположной поверхностью 28, образуемой валом 14.
Принципиальным признаком геометрии предпочтительно варианта выполнения данного изобретения является выпуклый статичный уплотнительный выступ 30, который выступает радиально наружу из основного корпуса уплотнения 18 на крайнем конце 24 уплотнения, который представляет сторону окружения профиля уплотнения. Выпуклый статичный уплотнительный выступ 30 при сжатии создает статичную уплотнительную поверхность раздела во взаимодействии с противоположной поверхностью 32 круговой посадочной канавки.
В предпочтительном варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 2А, выпуклый статичный уплотнительный выступ 30, согласно данному изобретению, имеет по существу полную конфигурацию профиля одинаковую со средней конфигурацией профиля выпуклого динамического уплотнительного выступа 34, за исключением того, что общее выступание 54 статичного уплотнительного выступа 30 несколько меньше общего выступания 56 динамического уплотнительного выступа (ширина выпуклого статичного уплотнительного выступа 30 может также изменяться для согласования с изменяющейся шириной динамического выступа в любом заданном месте периферии). В идеальном случае выступание 54 статичного уплотнительного выступа должна быть равным или несколько меньше половины номинального радиального сжатия уплотнения, а выступание 56 динамического уплотнительного выступа должно быть несколько больше половины номинального радиального сжатия уплотнения.
Поскольку выступание 54 статичного уплотнительного выступа меньше или равно половине номинального радиального сжатия уплотнения, как показано на фиг.2, то большинство или вся поверхность уплотнения от круговых углов 58 до 60 приводится в непосредственный контакт с сопряженной противоположной поверхностью 32 посадочной канавки при сжатии уплотнения. Непосредственная близость и/или соприкосновение между уплотнением и посадочной канавкой вблизи кругового угла 58 обеспечивает устойчивость против скручивания по часовой стрелке уплотнения внутри
сальниковой коробки, при этом направление по часовой стрелке соответствует фиг.2. Этот признак стабилизации уплотнения является особенно важным в применениях, где прикладывается гидростатическая и/или механическая сила к концу 24 окружения уплотнения, например, во время переходных колебаний давления или же когда требуется защитная кромка 50 динамической уплотнительной поверхности раздела для активного соскабливания загрязнений с перемещающегося в осевом направлении вала.
Поскольку выступание 56 динамического уплотнительного выступа 34 больше, предпочтительно существенно больше половины номинального радиального сжатия уплотнения, то поверхность уплотнения у радиально внутреннего кругового угла 62 не приходит в соприкосновение с вращающейся относительно него противоположной поверхностью 28, угловая гидродинамическая входная геометрия от точки 48 до точки 44 не полностью является плоской на вращающейся противоположной поверхности и желательное гидродинамическое вклинивание смазки в динамическую уплотнительную поверхность раздела не задерживается каким-либо нежелательным искажением гидродинамической геометрией. Эта общая тенденция означает, что гидродинамические уплотнения, в которых применяется выпуклый статичный уплотнительный выступ, согласно данному изобретению, можно подвергать более высоким уровням первоначального сжатия по сравнению с гидродинамическими уплотнениями обычной конструкции. Более высокие уровни сжатия позволяют с помощью данного изобретения делать улучшенные гидродинамические уплотнения менее чувствительными к механической несоосности, динамическим биениям, остаточной деформации сжатия и механическим допускам, и делает более практичным выполнение уплотнений, имеющих меньшие профили.
В предпочтительном варианте выполнения, согласно фиг.2 и 2А, общая форма профиля выпуклого статичного уплотнительного выступа 30 почти идентична общей форме профиля выпуклого динамического уплотнительного выступа 34; поэтому при сжатии уплотнения профили сил контакта между поверхностями и деформация двух выступов весьма аналогична как по величине, так и местоположению, и в результате нет в целом тенденции к скручиванию уплотнения внутри сальниковой коробки для достижения равновесного состояния.
Поскольку тенденция к скручиванию внутри сальниковой коробки действительно исключается с помощью данного изобретения, то, соответственно, исключается любая тенденция к подниманию острой кромки 50 от вращающейся противоположной поверхности 28. Это означает, что резкая острая кромка 50 остается плотно прижатой к валу и может выполнять свою предусмотренную функцию соскабливания и защиты от
проникновения загрязнений из окружения на динамическую уплотнительную поверхность раздела. Улучшенное защитное действие означает, что значительно уменьшается проникновение абразивного материала на уплотнительную поверхность раздела и, соответственно, минимизируется абразивный износ уплотнения и сопряженной вращающейся противоположной поверхности. Поэтому, как подтверждают испытания, значительно увеличивается срок службы уплотнения, а крутящий момент и степень гидродинамической утечки остаются очень равномерными во время эффективного срока службы уплотнения, благодаря отсутствию износа. Относительное отсутствие износа вала означает, что нет необходимости в повторном требуемом покрытии и шлифовке вала, что приводит к значительной экономии средств. Поскольку крутящий момент является более стабильным с уплотнением, согласно данному изобретению, то минимизируются случаи вращения уплотнений внутри сальниковой коробки за счет трения между уплотнением и валом; и в результате нет больше необходимости в специальном улучшении трения сальниковой коробки, таком как пескоструйная обработка, выполняемая в настоящее время.
За счет значительного исключения тенденции к скручиванию уплотнения внутри сальниковой коробки уменьшается динамическое давление контакта между поверхностями вблизи постепенно сужающейся гидродинамической входной геометрии, поскольку материал уплотнения в этом месте больше не противодействует скручивающему действию всего профиля. Уменьшение давления контакта в этом критичном месте делает гидродинамическую смазку более полной и эффективной при более низких скоростях.
За счет наличия двух радиально противоположных выпуклых выступов, одного статичного и другого динамического, действительное сжатие динамического выступа уменьшается по сравнению со сжатием динамического выступа в существующем гидродинамическом уплотнении общего назначения. Это обеспечивает улучшение стойкости к остаточной деформации сжатия, поскольку большая часть остаточной деформации сжатия возникает в настоящее время в динамическом выступе за счет его близости к теплу, генерируемому на динамической уплотнительной поверхности раздела.
Гидравлические забойные двигатели с уплотнительными опорами все больше используются в «горячих» скважинах, в которых температура иногда превышает пределы рабочей температуры эластомеров, обычно используемых в гидродинамических уплотнениях. Эластомеры, используемые в настоящее время для гидродинамических уплотнений, выбираются в первую очередь на основе высокой абразивной  стойкости и обычно имеют максимальную рабочую температуру в диапазоне от 250°Ф до 320°Ф
(120-160°С). В гидродинамических уплотнениях, согласно данному изобретению, можно использовать эластомеры, которые имеют более высокие температурные пределы, но меньшую абразивную стойкость, такие как фторэластомеры, поскольку устойчивое к скручиванию уплотнение намного лучше защищает уплотнительную поверхность раздела от абразивных материалов.
Данное изобретение применимо там, где вращающийся вал герметизирован относительно корпуса, при этом корпус или вал является вращающимся элементом. Выпуклые выступы могут быть на внутренней или наружной стороне профиля уплотнения, когда уплотнение сжимается в радиальном направлении, при этом динамический выступ расположен на внутренней или наружной периферии. В качестве альтернативного решения, выпуклые выступы могут быть на противоположных концах формы профиля, когда уплотнение прижимается в осевом направлении к вращающимся относительно него плоским противоположным поверхностям.
Хотя динамическая и статичная выпуклости выступают полностью до конца загрязнений уплотнения, как показано на фигурах, это не является обязательным внутри идеи и объема данного изобретения. Необходимо лишь, чтобы эти выпуклости имели такое относительное положение, что радиальное сжатие уплотнения в условиях низкого давления не приводило к скручиванию уплотнения внутри сальниковой коробки.
Описание альтернативных вариантов выполнения
На фиг.3 показан альтернативный вариант выполнения, в котором показанное гидродинамическое уплотнение 66 по существу идентично варианту выполнения, показанному на фиг.2А, во всех отношениях, за исключением того, что резкий круговой угол 68 заменяет имеющий радиус закругления угол 64 уплотнения, показанного на фиг.2А. Острый круговой угол обеспечивает функцию защиты для помощи в предотвращении нагнетания смазки на статичную уплотнительную поверхность раздела в тех случаях, когда уплотнение перемещается туда и обратно внутри посадочной сальниковой коробки за счет колебаний и/или реверсирования условий давления, за счет чего дополнительно снижается тенденция к вращению уплотнения внутри сальниковой коробки.
Понятно, что упругий уплотнительный элемент сальникового типа является сам по себе неполным уплотнительным устройством и не может выполнять желаемую функцию уплотнения без взаимодействия с соответствующими функциями сальниковой коробки. Поэтому полное гидродинамическое уплотнительное устройство состоит из комбинации сальниковой коробки и упругого уплотнительного элемента. На фиг.4 и 4А показаны, соответственно, сжатое и несжатое состояние альтернативного варианта выполнения
изобретения. Как показано на фиг.4, уплотнительная геометрия сальниковой коробки 70, которая во взаимодействии с выпуклым статичным уплотнительным выступом 75 гидродинамического уплотнительного элемента 76 помогает предотвращать установку уплотнения в обратном направлении и перемещение уплотнения взад и вперед внутри сальниковой коробки. В этой системе радиальное выступание 72 статичного уплотнительного выступа значительно увеличено по сравнению с уплотнением, показанным на фиг.2, 2А и 3, что приводит к выступанию, которое больше половины первоначального сжатия. Соответствующая канавка 74 образована в посадочной сальниковой коробке для размещения выступа 75 статичного уплотнительного выступа и сжатия его в радиальном направлении до величины, которая составляет приблизительно половину полного радиального сжатия. В сжатом состоянии хвостовой конец 77 уплотнения сохраняет уплотнительный контакт с седлом в части 78, так что он помогает предотвращать скручивание по часовой стрелке уплотнения за счет внешней нагрузки, при этом круговой угол 78 обеспечивает взаимодействие против опрокидывания с цилиндрической опорной поверхностью 79. Если уплотнение, показанное на фиг.4, случайно установлено в обратном направлении, если его вообще можно установить так, то оно будет выступать из сальниковой коробки так далеко, что установка вала будет чрезвычайно затруднена или физически невозможна, привлекая тем самым внимание к тому, что уплотнение случайно установлено в обратном направлении. Дополнительно к этому, как геометрия статичного уплотнительного выступа, так и соответствующая геометрия сальниковой коробки дает визуальную подсказку для правильной ориентации перед установкой. После установки выпуклый статичный уплотнительный выступ 75 захватывается соответствующей геометрией 74, образованной в канавке для уплотнения. Сопряженная геометрия уплотнения 76 и канавки 70 для уплотнения вызывает также ограничение осевого перемещения туда и обратно в ответ на реверсирование давления. Кроме того, эта сопряженная геометрия уплотнения и канавки увеличивает структурную целостность уплотнения и тем самым допускает увеличение радиального сжатия уплотнения по сравнению с другими гидродинамическими уплотнениями.
На фиг.5 показан другой частичный разрез конфигурации профиля гидродинамического уплотнительного элемента 80, представляющего другой альтернативный вариант выполнения данного изобретения. Показанная на фиг.5 конфигурация уплотнения представляет легкую модификацию конфигураций уплотнения, показанных на фиг.2, 2А и 3, при этом выпуклый статичный уплотнительный выступ 82 выполнен в виде конической части уплотнения, которая образует фаску. Хотя и не такая эффективная, как профиль, показанный на фиг.2, 2А и 3, за счет большего различия
между геометрией статичного уплотнительного выступа 82 и динамического уплотнительного выступа 84, показанная на фиг.5 форма все же обеспечивает те же общие преимущества, что и уплотнение и варианты выполнения, показанные на фиг.2, 2А и 3, хотя, может быть, и в меньшей степени.
Как показано на фиг.6-10, управляемое радиальное сжатие гидродинамического уплотнения вращающегося вала можно осуществить с помощью взаимодействия конфигурации внутренней поверхности сальниковой коробки уплотнения с наружной конфигурацией гидродинамического уплотнения. В каждом из вариантов выполнения, показанных на фиг.6-10, радиальное сжатие гидродинамического уплотнительного элемента обеспечивается по существу симметричной его деформацией как на статичной, так и на динамической уплотнительной поверхностях раздела, так что радиальное сжатие не вызывает скручивания уплотнительного элемента внутри сальниковой коробки.
На фиг.6 и 6А показано, соответственно, радиально сжатая и не сжатая конфигурации уплотнения, при этом показан корпус 90 для задания сальниковой коробки 92, имеющей коническую или усеченную коническую радиальную поверхность 94. Гидродинамический уплотнительный элемент также образует коническую радиально наружную поверхность 98, имеющую более крутую конусность по сравнению с поверхностью 94. Уплотнение 96 входит в сальниковую коробку 92 в несжатом состоянии, так что радиально наружный угол 100 уплотнения 96 находится в плотном контакте с внутренним, радиально наружным углом 102 сальниковой коробки. Таким образом, когда вращающийся вал 104 вставляют через уплотнение, то уплотнение деформируется как у своей гидродинамической выпуклости 106, так и у части, которая радиально противоположна гидродинамической выпуклости, так что происходит по существу симметричное радиальное сжатие уплотнения. Когда уплотнение сжато таким образом, то у него нет тенденции к опрокидыванию или скручиванию внутри сальниковой коробки, и, таким образом, защитная кромка 108 остается в оптимально защищающем от загрязнений контакте с цилиндрической поверхностью вала 104. Дополнительно к этому, в показанном на фиг.6 сжатом состоянии наружный круговой угол 99 уплотнения расположен в контакте с опорной поверхностью 98 круговой канавки для уплотнения и тем самым получает структурную опору против вызываемого сжатием опрокидывания внутри канавки для уплотнения. За счет конусности поверхности 94, радиальное сжатие уплотнения пытается отжимать уплотнение в направлении внутреннего кругового угла 102 канавки для уплотнения, вызывая тем самым плотное прижимание стороны загрязнений уплотнения к опорной поверхности 103.
Конфигурация взаимодействия уплотнения 96 с крышкой 92 сальника предотвращает также установку уплотнения в обратном направлении внутри сальниковой коробки. При установке в обратном направлении, когда гидродинамические поверхности направлены к стороне загрязнений, уплотнение излишне сжимается в радиальном направлении так, что затрудняется или становится невозможной установка вала. Гидродинамическое уплотнение, согласно фиг.4 и 4А, также сложно или невозможно устанавливать в обратном направлении по той же причине.
Как показано на фиг.7 и 7А, корпус 130 снабжен внутренней сальниковой коробкой 132, которая задает внутреннюю поверхность 134 сжатия, создающую внутреннюю зону рельефа 136 сальниковой коробки относительно части 138 наружной поверхности гидродинамического уплотнения 140 вращающегося вала. Для облегчения понимания варианта выполнения, уплотнение 140 показано в своем радиально сжатом состоянии на фиг.7 и в несжатом состоянии на фиг.7А. На фиг.7А показана конфигурация гидродинамического уплотнения общего назначения, которая деформирована в другую конфигурацию под воздействием радиального сжатия. Поверхность 134 сжатия уплотнения расположена радиально противоположно гидродинамической внутренней выпуклости 142 уплотнения и имеет ширину, по существу равную сжатой средней ширине динамической уплотнительной поверхности 144 гидродинамической выпуклости.
Таким образом, после радиального сжатия уплотнения 140 внутри сальниковой коробки 132 при установленном вале 146, радиально наружная статичная часть уплотнения и радиально внутренняя гидродинамическая выпуклость 142 подвергаются по существу симметричному сжатию и деформации. Это симметричное радиальное сжатие обеспечивает отсутствие опрокидывания и скручивания гидродинамического уплотнительного элемента 142 в результате радиального сжатия. Таким образом, уплотнительный элемент можно подвергать значительно большему радиальному сжатию, чем было допустимо для коммерчески доступных гидродинамических уплотнительных элементов. Повышенная возможность сжатия, которая обеспечивается комбинированными конфигурациями гидродинамического уплотнительного элемента и сальниковой коробки уплотнения, обеспечивает удерживание защитной кромки 142 уплотнительного элемента в эффективном, исключающим проникновение частиц контакте с цилиндрической уплотнительной поверхностью вала 146. Кроме того, радиальная деформация уплотнения такова, что радиально наружный угол 139 уплотнения расположен в контакте с опорной поверхностью 141 сальниковой коробки для обеспечения опоры против опрокидывания уплотнения внутри сальниковой коробки.
Как показано на фиг.8, структура корпуса 150 задает внутреннюю сальниковую коробку 152 уплотнения, образующую коническую или усеченную коническую поверхность 154 сальниковой коробки, имеющую наименьший диаметр 156, соответствующий наружному диаметру 158 гидродинамического уплотнительного элемента 160. При воздействии на уплотнительный элемент радиального сжатия, как показано на фиг.8А, наружная периферийная часть уплотнительного элемента деформируется с прижиманием к конической поверхности 154 сальниковой коробки, а также деформируется гидродинамическая внутренняя выпуклость 162. Поскольку уплотнительный элемент деформируется лишь на стороне загрязнений с образованием статичного уплотнения с поверхностью 154, то деформация сжатия уплотнительного элемента является по существу симметричной, и уплотнительный элемент не имеет тенденции к опрокидыванию или скручиванию внутри сальниковой коробки 152. При отсутствии скручивания защитная кромка 164 сохраняет свое оптимальное сцепление с цилиндрической наружной уплотнительной поверхностью 166 вращаемого вала. Дополнительно к этому, наружный угол 151 уплотнения опирается на опорную поверхность 154, как показано на фиг.8.
Как показано на фиг.9 и 9А, гидродинамический уплотнительный элемент 168 по существу с той же конфигурацией, что и гидродинамическое уплотнение общего назначения вращающегося вала, такое как показанное на фиг.8, расположено, как показано на фиг.9, в радиально сжатом состоянии внутри внутренней канавки 170 для уплотнения корпуса 172. Структура корпуса, образующая канавку для уплотнения, задает по существу цилиндрическую часть 174 сжатия уплотнения, которая проходит в боковом направлении расстояние, по существу равное средней сжатой ширине гидродинамической уплотнительной поверхности 176. Сальниковая коробка включает коническую внутреннюю поверхность 178, которая взаимодействует с наружной периферийной поверхностью 180 уплотнительного элемента 168 для задания окружной зоны рельефа. При воздействии на уплотнение радиального сжатия между цилиндрической уплотнительной поверхностью 184 вращаемого вала и радиально противоположной поверхностью 174 сжатия, уплотнение деформируется по существу симметрично и не имеет тенденции к опрокидыванию или скручиванию внутри сальниковой коробки 170. Исключающая проникновение загрязнений кромка 186 остается в соскабливающем контакте с цилиндрической поверхностью вала и обеспечивает эффективную защиту от проникновения загрязнений на динамическую уплотнительную поверхность раздела. Радиально наружный угол 181 уплотнения опирается на опорную поверхность 178,
поддерживая тем самым уплотнение против скручивания по часовой стрелке внутри сальниковой коробки.
Под воздействием радиального сжатия гидродинамический уплотнительный элемент может деформироваться так, что его динамическая наружная периферия принимает оптимальную конфигурацию для эффективного вклинивания смазки и исключения проникновения загрязнений. На фиг.10 и 10А показана структура 188 корпуса, через которую проходит вращающийся вал 190. Корпус задает внутреннюю сальниковую коробку 192 уплотнения, внутри которой расположен кольцеобразный гидродинамический уплотнительный элемент 194. Не сжатая конфигурация уплотнительного элемента 194 показана на фиг.10А, в то время как сжатая конфигурация уплотнения показана на фиг.10. В показанном на фиг.10А состоянии гидродинамического уплотнения, внутренняя поверхность 195 и гидродинамическая уплотнительная поверхность 196 не сжатого уплотнения расположены под углом относительно горизонтали. Структура корпуса, образующая сальниковую коробку 192 уплотнения, задает в целом цилиндрическую радиальную наружную поверхность 198, которая смещает радиально наружную часть уплотнительного элемента, как показано на фиг.10. Одновременно это радиальное сжатие смещает уплотнительный элемент так, что его внутренняя периферия принимает конфигурацию вращающегося вала, как показано на фиг.10, что приводит к принятию внутренней периферией уплотнения желаемой конфигурации для эффективного гидродинамического вклинивания смазки и позволяет круговой кромке 197 находиться на расстоянии от вала, как показано на фиг.10. В этом случае следует учитывать, что конечная сжатая конфигурация уплотнения несколько скручена, однако эта скрученная конфигурация является оптимальной для гидродинамического перемещения смазки на динамической поверхности и для эффективного сжатия с целью эффективного уплотнения на динамической уплотнительной поверхности и для статичного уплотнения на радиально наружной части уплотнительного элемента. Дополнительно к этому, защитная кромка 200 уплотнительного элемента остается в эффективном соскабливающем контакте с цилиндрической поверхностью вала 190. Таким образом, хотя уплотнительный элемент подвергается скручиванию под воздействием радиального сжатия, внутренняя конфигурация уплотнительного элемента компенсирует это для удерживания острой защитной кромки в исключающем проникновение загрязнений контакте с уплотнительной поверхностью вала.
С учетом вышесказанного понятно, что данное изобретение хорошо пригодно для достижения указанных выше целей и признаков вместе с другими целями и признаками, присущими раскрытому здесь устройству.
Как понятно для специалистов в данной области техники, данное изобретение можно осуществлять в других специальных формах без отхода от идеи или существенных характеристик. Поэтому данный вариант выполнения следует рассматривать как имеющий иллюстративный, а не ограничительный характер, при этом объем изобретения определяется формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и поэтому все изменения, находящиеся внутри значения и предела эквивалента формулы изобретения, должны охватываться ею.