NO320242B1 - Aktuator - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en aktuator for bevegelse av en last, f.eks. en aktuator for undervanns strupere nede i hull. Oppfinnelsen angår dessuten en fremgangsmåte for drift av en aktuator for bevegelse av en last.

Slike aktuatorer benyttes vanligvis i undervannsomgiveiser for å bevirke styring av strupere i fluid-produksjonssystemer nede i hull. Slike strupere styrer strømmen av fluid inn i eller ut av borehull. Konvensjonelt har slike strupere vært enkle på/av-anordninger som bare åpnet eller lukket strømningsledningen fullstendig. Nylig har det oppstått et behov for variabel strømningsstyring, generelt i et begrenset antall styretrinn. Styringen har måttet være tilstrekkelig nøyaktig for å utligne trykk mellom forskjellige fluidkilder som gir tilførsel til et borehull eller i flere avgreninger fra et borehull. Dessuten har aktuatormekanismene måttet være selvsperrende i tilfelle av strømsvikt eller en nødsituasjon.

Konvensjonelt har det vært benyttet en hydraulisk aktuator av stempeltype. Et problem som kan oppstå med slike aktuatorer er at trinnstillingene som kan oppnås ved hjelp av den hydrauliske driften kan ha en forholdsvis dårlig nøyaktighet. Dessuten har denne typen aktuator ikke selvsperrende egenskaper i tilfelle av strømsvikt. Det har vært foreslått å anordne en elektrisk reserve-funksjon, som i tilfelle av strømsvikt driver utgangen fra aktuatoren til en forutbestemt sikkerhetsstilling. Dette har normalt medført at det hindres fortsatt drift av den primære hydrauliske drivanordningen etter bruk av den elektriske drivanordningen. Derfor har slike forslag hatt en tendens til å bli benyttet som på/av-nødmekanismer som krever kostbar utskifting og/eller manuell innstilling av aktuatoren etter at den er fjernet fra nødsituasjonen.

En aktuator som angitt i innledningen til det etterfølgende patentkrav 1 er kjent fra GB 2311838 og EP 0799672.

Aktuatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen omfatter et utgangsområde anordnet for å kobles til lasten og en første og en andre rotasjonsmotoranordning for å sette utgangsområdet i lineær bevegelse, idet den første og andre rotasjonsmotoranordningen frembringer rotasjon om en akse parallell med retningen til den lineære bevegelsen, og idet den første og andre rotasjonsmotoranordningen er uavhengig opererbare for å bevirke bevegelse av utgangsområdet, og aktuatoren kjennetegnes ved at den er slik anordnet at i en første driftsmåte setter den første rotasjonsmotoranordningen utgangsområdet i lineær bevegelse via en første skmeforbindelse og i en andre driftsmåte setter den andre rotasjonsmotoranordningen utgangsområdet i lineær bevegelse via en andre skmeforbindelse.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, for drift av en aktuator for bevegelse av en last, omfatter at et utgangsområde til aktuatoren settes i lineær bevegelse av første og andre rotasjonsmotoranordning, idet den første og andre rotasjonsmotoranordningen frembringer rotasjonsbevegelse om en akse parallell med retningen til den lineære bevegelsen, og den første og andre rotasjonsmotoranordningen er uavhengig opererbare for å gi bevegelse til utgangsområdet, idet utgangsområdet er anordnet for å kobles til lasten, og fremgangsmåten kjennetegnes ved at utgangsområdet settes i lineær bevegelse ved rotasjon av en første skmeforbindelse eller en andre skmeforbindelse bevirket av henholdsvis den første og andre rotasjonsmotoranordningen.

Anordningen av skrueforbindelser muliggjør at utgangsområdet kan gis en gradvis lineær bevegelse for å muliggjøre mer nøyaktig stillingsstyring av laster. Anordningen av to rotasjonsmotoranordninger muliggjør at aktuatoren kan fortsette å arbeide i tilfelle av svikt i en av motoranordningene.

Oppfinnelsen finner særlig anvendelse for å styre hylsene i undervanns strupeanordninger.

Fortrinnsvis er aktuatoren slik anordnet at i den første driftsmåten drives den første skrueforbindelsen mot et mellomliggende element som holdes av den andre skrueforbindelsen. På denne måten gis utgangsområdet lineær bevegelse.

Det kan også være en tredje driftsmåte, der utgangsmidlene kan drives lineært ved drift av både den første og den andre motoren via de respektive skrueforbindelser. Ved denne driftsmåten gis utgangsområdet ekstra kraft, og er dermed egnet for bruk i nødstilfeller.

Fortrinnsvis er den første og andre skrueforbindelsen aksialt innrettet, slik at utgangsområdet gis maksimal kraft.

En av motoranordningene kan være elektrisk og den andre hydraulisk. Alternativt kan begge motoranordningene være hydrauliske eller elektriske.

Den ene eller begge motoranordningene kan omfatte to rotasjonsmotoren I dette tilfellet vil en av motorene være anordnet for å bevirke lineær bevegelse av utgangsområdet i en første retning. Den andre motoren vil være anordnet for å bevirke lineær bevegelse av utgangsområdet i en andre retning. I det minste én av skrueforbindelsene kan omfatte en mutter som holder en sleide. Aktuatoren kan også omfatte føringer for sleiden. I det minste én av skrueforbindelsene kan være anordnet for å holde en kileaksel.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives ved hjelp av eksempler, med henvisning til de medfølgende tegninger.

Figur 1 er en snittavbildning av en aktuator konstruert i henhold til oppfinnelsen.

Figur 2 er en snittavbildning av en aktuator konstruert i henhold til en alternativ

utførelse av oppfinnelsen.

Figur 3 viser skjematisk, med partier fjernet, en struper som kan styres med

anordningen i figur 1 eller 2.

Figur 4 viser skjematisk et arrangement av aktuatorer i henhold til figur 1 eller 2,

anvendt i et undervannsborehull.

Like henvisningstall benyttes på like deler i hele beskrivelsen.

Med henvisning til figur 1 omfatter aktuatoren, generelt angitt med henvisningstallet 1, en første motor 2 og et utgangsområde i form av en utgangsstang 3. Utgangsstangen 3 kan f.eks. forbindes med en hylse i en struper. Motoren 2 er anordnet for å bevirke aksial bevegelse av utgangsstangen 3, slik at struperhylsen kan beveges lineært til ønsket stilling.

I henhold til oppfinnelsen er det anordnet en første skmeforbindelse som omfatter en utvendig gjenget aksel 4, på hvilken er montert et innvendig gjenget element. Det innvendig gjengede elementet 5 er i form av en mutter 6 med lav friksjon og som holder en sleide 7. Akselen 4 er understøttet av et lager 19 ved et endeparti og et lager (ved det andre endepartiet), beliggende inne i girkassen 8 til motoren 2. Lagrene holder akselen 4 på plass og muliggjør dreiebevegelse av akselen. Motoren 2 bevirker rotasjonsdrift av den gjengede akselen 4 ved hjelp av girkassen 8. Dette medfører lineær bevegelse av mutteren 6 med lav friksjon og således sleiden 7. Bevegelsen av sleiden 7 kan være i hvilken som helst aksial retning, avhengig av rotasjonsretningen til den gjengede akselen 4 bevirket av motoren 2. Huset 9 til aktuatoren 1 virker som føring for sleiden 7. Sleiden 7 er fastgjort til indre skyvestenger 10a, 10b, og de andre ender av disse er fastgjort til en andre, mellomliggende sleide 11.

Den mellomliggende sleiden 11 holdes av en andre aksel 12, og i det minste et parti av denne er utvendig gjenget. Et andre innvendig gjenget element 13 holdes av det utvendig gjengede partiet av akselen 12. Det andre innvendig gjengede elementet 13 omfatter en mutter 14 med lav friksjon og som holder en tredje sleide 15. Den tredje sleiden 15 er anordnet for å forbindes med utgangsstangen 3 via et andre sett av skyvestenger 27a, 27b. Rotasjon av den første gjengede akselen 4 ved hjelp av motoren 2 bevirker derfor lineær, aksial bevegelse av den første sleiden 7, som i sin tur utøver en kraft mot den mellomliggende sleiden 11 ved hjelp av stengene 10a, 10b. Arrangementet som omfatter den mellomliggende sleiden 11, den andre gjengede akselen 12 og den tredje sleiden 15 gis således lineær bevegelse. Den tredje sleiden 15 er koblet til skyvestengene 27a, 27b, og det bevirkes derfor lineær bevegelse av utgangsstangen 3.

Det er også anordnet en andre motor 16. Denne andre motoren 16 er anordnet for å bevirke rotasjonsdrift av en andre skmeforbindelse som omfatter den gjengede akselen 12 og mutteren 14, ved hjelp av en girkasse 17 som virker via en kileaksel 18. Den andre gjengede akselen 12 er ved et endeparti understøttet av et lager 20 som befinner seg i den mellomliggende sleiden 11. Det andre endepartiet av akselen understøttes av et lager (ikke vist) inne i girkassen 17. Rotasjonsbevegelse av den andre gjengede akselen 12 bevirker aksial, lineær bevegelse av mutteren 14 med lav friksjon og således av den tredje sleiden 15. Den tredje sleiden 15 beveges sideveis inne i huset, avhengig av rotasjonsretningen til den andre motoren 16. Huset 9 til aktuatoren 1 virker som en føring for denne sleiden 15. Bevegelsen av den tredje sleiden 15 overføres til utgangen 3 via stengene 27a, 27b. Rotasjon som bevirkes av den andre motoren 16 bevirker således at utgangsstangen 3 skyver eller trekker aksialt, avhengig av rotasjonsretningen som bevirkes av den andre motoren.

Hensikten med kileakselen 18 er å oppta forskjellig bevegelse av sleidene, mens det bevirkes positiv transmisjon fra den andre motoren 16 til den andre gjengede akselen 12. Kileakselen kan være tilknyttet den andre motoren, den første motoren eller begge motorene.

Enten den første motoren 2 eller den andre motoren 16 kan være den primære drivanordningen, mens den andre motoren er reserve. Dessuten kan begge motorene være anordnet for å arbeide sammen for å bevirke øket kraft ved utgangen 3.

En høy grad av nøyaktighet ved posisjoneringen av aktuatorens utgangsstang 3 kan enkelt oppnås med giringen i girkassene 8, 17 og den indirekte virkningen av de gjengede aksler 4, 12 i skrueforbindelsene.

Aktuatoren 1 er også selvsperrende. Dersom den ene eller begge motorene ikke er i drift er bakoverdrift av motorene ved utøvelsen av en kraft mot selve aktuatorstangen ikke mulig på grunn av flere faktorer, nemlig 1) den høye verdien til den indirekte transmisjonsvirkningen til skrueforbindelsene når de drives bakover, 2) øket friksjon gjennom girkassene 8, 17 når de drives bakover og 3) (om motoren er hydraulisk) isolasjon av hydraulisk fluid til motoren.

Et alternativt arrangement i henhold til oppfinnelsen er vist i figur 2. I denne utførelsen er den andre rotasjonsmotoren 16 montert på et mer sentralt sted i aktuatormekanismen. Kileakselen 18 inntar også en mer sentral stilling. Virkemåten til denne alternative aktuatoren er den samme som for aktuatoren vist i figur 1. Aktivering av den første rotasjonsmotoren 2 bevirker lineær bevegelse av sleiden 7 som holdes av den første skrueforbindelsen ( akselen 4 og mutteren 6). Sleiden 7 ligger mot skyvestenger 10a, 10b, som i sin tur ligger mot den mellomliggende sleiden 11. Lineær bevegelse som bevirkes for den mellomliggende sleiden 11 overføres til bevegelse av den gjengede akselen 12 og den tredje sleiden 15, og således til skyvestengene 27a, 27b som er forbundet med utgangsområdet (ikke vist i denne figuren).

Aktivering av den andre motoren 16 bevirker lineær bevegelse av den tredje sleiden 15 som holdes av den andre skrueforbindelsen (akselen 12 og mutteren 14). Dette bevirker bevegelse av skyvestengene 27a, 27b og dermed av utgangsområdet. Det antas at arrangementet i figur 2 kan muliggjøre fremstilling av kortere aktuatorer enn den som er vist i figur 1, men som gir den samme grad av lineær bevegelse.

Oppfinnelsen finner særlig anvendelse for styring av strupere i undervannsomgivelser nede i hull. Med henvisning til figur 3 er det vist en slik struper som omfatter en indre hylse 22 som kan utføre glidebevegelse inne i en ytre hylse 21. I strupestillingen i figur 3 ligger den ytre hylsen 21 utenpå slissene 23 i den indre hylsen 22. I denne stillingen er således struperen fullstendig stengt.

Utgangsanordningen 3 til aktuatoren 1 er også vist i figur 3. Utgangsanordningen 3 er festet til den indre hylsen 22.

Lineær bevegelse av utgangsanordningen 3 i retning som vist med pilen bevirker at hylsen 22 forskyves i den samme retningen. Hylsen 21 har slisser 24 rundt omkretsen, og slissene forløper aksialt langs hylsen. Slissene 24 i hylsen 21 begynner å overlappe slissene 23 i den indre hylsen 22, med det resultat at struperen delvis åpnes. Fortsatt bevegelse i retning av pilen medfører til slutt full overlapping av slissene 24 og 23, slik at struperen er helt åpen. Aktuatoren kan også styres slik at utgangsanordningen beveges i den motsatte retningen, hvorved graden av overlapping mellom slissene 23 og 24 vil avta, og struperen vil på nytt begynne å lukkes.

Figur 4 viser et typisk arrangement av et borehull med flere avgreninger. Borehullet er foret med et foringsrør som omfatter et stålrør 28, sementert på plass inne i hoved boringen. Et produksjonsrør 29 forløper fra munningen 30 av boringen til oljereservoarer. Rommet, eller ringrommet, mellom foringsrøret 28 og røret 29 er lukket i punkter langs lengden av røret ved hjelp av anordninger kjent som pakninger 25. Mellom nabopakntnger 25 er strupere 26 som hver drives av aktuatorer, slik som den som er vist i figur 1 eller 2. Under bruk kommer olje inn i produksjonsrøret 29 enten gjennom de åpne, nedre ender ved endene av avgreningene, eller gjennom slissene i strupeanordningen 26, dersom disse er åpne. Valget av og drift av motorene som er tilknyttet struperaktuatorene skjer ved at operatøren velger ved hjelp av et skjermbilde på overflaten. Følere (ikke vist) kan benyttes for å gi operatøren nøyaktig informasjon angående stillingen og tilstanden til struperne 26.

Oppfinnelsen muliggjør finregulering av struperne 26, eller andre laster, for å oppnå utligning av trykkene og/eller strømningene i systemet. Dessuten er oppfinnelsen pålitelig på grunn av de uavhengige reserve-strømkilder. Dessuten medfører oppfinnelsen økte drivkrefter dersom dette trengs i et nødstilfelle.

Fortrinnsvis er en av motorene hydraulisk og den andre elektrisk, selv om begge motorene kan drives hydraulisk eller elektrisk. Naturligvis kan det benyttes andre typer motorer.

Andre variasjoner kan gjøres uten å avvike fra omfanget av oppfinnelsen. For eksempel gir noen to-retningsmotorer forskjellig utgangskraft, avhengig av rotasjonsretningen. Det kan således være en forskjell i kraften som bevirkes ved utgangen, mellom skyve- og trekkeretningen. For å unngå dette, kan to-retningsmotoren 2 eller 16 erstattes av to en-retningsmotorer som vender innbyrdes motsatt. Dessuten kan to-retningsmotoren 2 (eller 16), som er vist i figur 1 og 2, erstattes av 2 to-retningsmotorer som er montert i innbyrdes forskjellige vinkler. Dette arrangementet minsker virkningen av svingninger i motorenes dreiemoment, hvilket er typisk kjennetegn for motorer av typen med positiv fortrengning. Slike motorer har også normalt en sinusvariasjon av det utgående dreiemomentet med rotasjonsvinkelen, slik at det vil være minsket utgående dreiemoment i noen vinkelstillinger av motorakselen. Montering av motorene innbyrdes motsatt slik at sinussvingningene for det utgående dreiemomentet er 180° ute av fase med hverandre medfører en stor minskning av minimumsmomentet og optimaliserer således det utgående momentet til motorparet, særlig ved oppstarting. Dette gir aktuatorene den beste mulighet til å overvinne friksjonen ved oppstarting av den anordningen som den aktiverer, for eksempel en struperhylse nede i et hull. Både to-retningsmotorene og en-retningsmotorene kan gis tilførsel fra separate strømkilder, for ytterligere å øke påliteligheten til systemet som benytter aktuatoren.

Begge motorene kan være hydrauliske, eller alternativt kan begge være elektriske, slik at en reserve-drivmulighet er dannet fra to uavhengige, hydrauliske eller elektriske energikilder.

Det kan være anordnet mer enn én utgangsstang 3.

En innvendig gjenget sleide kan være en erstatning for den ene eller begge arrangementene av sleide og mutter, 6, 7 og 14,15. Alternativt kan den ene eller begge sleidene være anordnet for å løpe på valser i anlegg mot de utvendige gjenger på den respektive aksel. De innvendige gjengede elementer 5,13 kan erstattes av hvilket som helst arrangement for å bevirke lineær bevegelse ved samvirke med en roterende, utvendig gjenget aksel.

Oppfinnelsen kan også anvendes for hvilke som helst andre verktøy og produksjonsanordninger nede i hull med hensyn til skyve- og trekkeoperasjon, i et borehull. Oppfinnelsen kan også anvendes for styring av fly.

Claims (19)

1. Aktuator (1) for bevegelse av en last, idet aktuatoren omfatter et utgangsområde (3) anordnet for å kobles til lasten og en første og en andre rotasjonsmotoranordning (2, 16) for å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse, idet den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) frembringer rotasjon om en akse parallell med retningen til den lineære bevegelsen, og idet den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) er uavhengig opererbare for å bevirke bevegelse av utgangsområdet (3), karakterisert ved at aktuatoren (1) er slik anordnet at i en første driftsmåte setter den første rotasjonsmotoranordningen (2) utgangsområdet (3) i lineær bevegelse via en første skmeforbindelse (4, 5), og i en andre driftsmåte setter den andre rotasjonsmotoranordningen (16) utgangsområdet (3) i lineær bevegelse via en andre skmeforbindelse (12, 13).

2. Aktuator som angitt i krav 1, anordnet for styring av en struper, idet utgangsområdet (3) er anordnet for å kobles til en hylse (22) i struperen.

3. Aktuator som er angitt i krav 1 eller 2, anordnet slik at i den første driftsmåten ligger den første skrueforbindelsen (4, 5) mot et mellomliggende element (11) i forbindelse med den andre skrueforbindelsen (12, 13), for derved å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse.

4. Aktuator som angitt i hvilket som helst av kravene 1-3, slik anordnet at i en tredje driftsmåte er både den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) anordnet for å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse via de respektive skrueforbindelser (4, 5, 12, 13).

5. Aktuator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken den første og andre skrueforbindelsen (4, 5, 12, 13) er aksialt innrettet.

6. Aktuator som er angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken den første eller andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) er hydraulisk og den andre av rotasjonsmotoranordningene er elektrisk.

7. Aktuator som angitt i hvilket som helst av kravene 1 - 5, i hvilken både den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) er hydraulisk.

8. Aktuator som angitt i hvilket som helst av kravene 1 • 5, i hvilken både den første og den andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) er elektrisk.

9. Aktuator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken den første rotasjonsmotoranordningen (2) omfatter to rotasjonsmotorer, av hvilke den ene er anordnet for å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse i en første retning og den andre er anordnet for å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse i en andre retning.

10. Aktuator som er angitt i hvilket som helst av kravene 1 - 8, i hvilken i det minste én av rotasjonsmotoranordningene (2, 16) omfatter to rotasjonsmotorer, av hvilke en er anordnet for å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse i en første retning og den andre er anordnet for å sette utgangsområdet (3) i lineær bevegelse i en andre retning.

11. Aktuator som angitt i krav 9 eller 10, i hvilken rotasjonsmotorene i de respektive rotasjonsmotoranordninger (2, 16) er aksialt innrettet.

12. Aktuator som angitt i krav 9 eller 10, i hvilken i det minste én av rotasjonsmotorene i de respektive rotasjonsmotoranordninger (2, 16) er forsatt fra aksen for lineær bevegelse.

13. Aktuator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken i det minste én av skrueforbindelsene (4, 5, 12, 13) omfatter en sleide (7).

14. Aktuator som angitt i hvilke som helst av kravene 1 -12, i hvilken i det minste én av skrueforbindelsene (4, 5, 12, 13) omfatter en mutter (6) som holder en sleide (7).

15. Aktuator som angitt i krav 13 eller 14, omfattende føringer for sleiden (7).

16. Aktuator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken i det minste én av skrueforbindelsene (4, 5, 12, 13) omfatter en kileaksel (18).

17. Aktuator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken utgangsområdet (3) under bruk er anordnet for å motstå bevegelse av lasten eller struperen med en ytre kraft.

18. Fremgangsmåte for drift av en aktuator (1) for bevegelse av en last, omfattende at et utgangsområde (3) til aktuatoren settes i lineær bevegelse av første og andre rotasjonsmotoranordning (2, 16), idet den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) frembringer rotasjonsbevegelse om en akse parallell med retningen til den lineære bevegelsen, og den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16) er uavhengig opererbare for å gi bevegelse til utgangsområdet (3), idet utgangsområdet (3) er anordnet for å kobles til lasten, karakterisert ved at utgangsområdet (3) settes i lineær bevegelse ved rotasjon av en første skmeforbindelse (4, 5) eller en andre skmeforbindelse (12, 13) bevirket av henholdsvis den første og andre rotasjonsmotoranordningen (2, 16),

19. Fremgangsmåte som angitt i krav 18, for å styre en struper, idet utgangsområdet er anordnet for å kobles til en hylse (22) i struperen.