Розділ 2
Теоретичні дослідження роботи трипоршневого бурового насоса
2.1. Фізичні процеси, які протікають в гідравлічній частині трипоршневого
бурового насоса. Вплив роботи клапанів на коефіцієнт подачі та ККД насоса
Основні фізичні процеси, які протікають у гідравлічній частині бурового насоса
під час його роботи, і основні закони їх моделювання відомі вже давно [95].
Через відмінності в конструкціях елементів гідравлічних частин бурового насоса,
умов їх роботи, вони протікають по-різному.
Для опису фізичної моделі сумісної роботи вхідного і вихідного клапанів
бурового насоса розглянемо більш детально процеси та явища, які проходять в
його гідравлічній частині.
Оскільки буровий розчин - рідина, то траєкторія його руху описується законами
гідравліки та гідродинаміки.
Основними характеристиками бурового розчину є: густина, r; в’язкість, n;
швидкість руху бурового розчину, vр; коефіцієнт стискання, K; домішки газів і
твердих включень (в %), які містяться в буровому розчині.
У попередніх розділах відзначено, що бурові розчини, які використовуються в
процесі буріння, мають різні значення r, n, містять різноманітні домішки
газової фази та твердої породи, які залежать від умов буріння.
Рух рідини описується відомими законами та характеристиками:
рівняннями нерозривності потоку (постійності витрати);
рівняннями Бернуллі, Нав’є Стокса, Вейсбаха.
- критерієм Рейнольдса (Re).
Рух бурового розчину в гідравлічній частині бурового насоса можна вважати
нерівномірним і турбулентним, тобто зміна швидкості потоку проходить від одного
перерізу до іншого [86, 89].
На характеристики руху потоку бурового розчину впливає простір, в якому він
поширюється, тобто форма та конструктивні розміри гідравлічної частини бурового
насоса і клапанного вузла. Найбільший вплив на опір руху потоку бурового
розчину чинять: тип гідравлічної частини; шорсткість її поверхонь; прохідний
діаметр клапана dкл; кут конусної частини тарілки та сідла b; висота підйому
тарілки h; конструкція хрестовини сідла. В процесі руху розчину виникають сили
тертя між ним та стінками гідравлічної частини, рухомими частинами клапана.
Принцип і цикл роботи вхідного та вихідного клапанів поршневого бурового насоса
подібні між собою. Робота вхідного та вихідного клапана взаємопов’язана.
Розглянемо процес роботи клапанів на прикладі вихідного клапана.
Вихідний клапан відкривається під дією тиску бурового розчину на нижню поверхню
тарілки, а закривається під дією тиску стовпа розчину, який знаходиться над
тарілкою, під дією ваги тарілки і пружини, сили пружини та зусилля попередньо
створеного стисненням пружини. На початку ходу нагнітання вихідний клапан
відкривається з запізненням, зумовленим його інерційністю, стисканням бурового
розчину та запізненням посадки тарілки вхідного клапана. В процесі роботи
насоса на клапані створюється позитивний перепад тиску, необхідний для його
відкривання і руху тарілки (надання їй імпульсу руху). В міру збільшення кута
повороту кривошипа змінюється перепад тиску на тарілці клапана DR, що зумовлює
її рух. Частина цього перепаду тиску витрачається на подолання дії ваги рухомих
частин клапанного вузла, сил тертя, гідродинамічної сили та сили пружини.
До моменту відкриття вихідного клапана в циліндрі поршневого насоса повинен
створитися тиск, який є більшим від тиску нагнітання на величину дещо більшу
від необхідного DR. Для створення величини такого тиску кривошип повинен
повернутися на деякий кут j і відповідно поршень повинен пройти деяку відстань
S, що зумовлює запізнення відкриття вихідного клапана. При подальшому
збільшенні кута повороту кривошипа змінюється DR і тарілка рухається за певним
законом.
Після відкриття вихідного клапана поршень рухається нерівномірно, тобто
збільшується його швидкість, а відповідно і збільшується кількість розчину,
який проходить через клапанний вузол. Таким чином, висота підйому тарілки
збільшується до тих пір, поки швидкість поршня не досягне максимального
значення. Після цього швидкість руху поршня починає зменшуватись і тарілка,
після деякого додаткового піднімання, починає опускатись на сідло.
Коли поршень доходить до крайнього положення (j = 180°), тарілка ще висить над
сідлом, тобто клапан закривається з запізненням. Це пояснюється інерційністю
тарілки клапана і тим, що потрібен деякий час на витіснення об’єму розчину,
який знаходиться між спряженими робочими поверхнями тарілки та сідла. Внаслідок
цього, при роботі поршневого насоса виникають кути запізнення відкривання та
закривання клапанних вузлів, які суттєво впливають на коефіцієнт подачі та інші
показники бурового насоса. Ці кути запізнення залежать від багатьох факторів та
фізичних процесів, які протікають в гідравлічній частині під час роботи насоса.
Кути запізнення відкривання та закривання клапанних вузлів пов’язані між собою,
тобто поки не закриється вхідний клапан, не може відкритися вихідний.
Наявність і величина цих кутів впливає на коефіцієнт подачі бурового насоса.
Згідно [94]:
де jз.з , jз.в – кути запізнення закривання та відкривання вихідного клапана,
що відраховані від заданої мертвої точки руху поршня.
Слід відмітити, що на траєкторію руху тарілки, яка рухається під дією потоку
розчину, впливають масово-інерційні характеристики рухомих частин клапанного
вузла.
На рух розчину, а відповідно і тарілки, впливають параметри конструкції і
технічні характеристики приводної частини, які визначають закон та
послідовність руху складових гідравлічної частини такі, як: r (радіус
кривошипа), w (кутова швидкість обертання кривошипа), l (довжина шатуна), j
(кут повороту кривошипа). Ці параметри визначають величину фактичної подачі
насоса. Крім перечисле
- Київ+380960830922