книги / Поршневые буровые насосы
..pdfв цилиндре одностороннего действия. Нагнетание жидкости проис ходит при движении поршня в обоих направлениях, как в цилинд ре двустороннего действия.
Поэтому в насосе с двумя цилиндрами дифференциального дей ствия нагнетание происходит достаточно равномерно, а всасыва-
Рис. 10. Поршневой буровой насос с тремя дифференциальными цилиндрами.
а — внешний вид; |
б — схема |
устройства; |
в — диаграмма |
подачи |
жидкости из |
цилиндров |
|
насоса; 1 — пневматический |
компенсатор; |
2 — крышка |
цилиндра; |
3 — корпус |
цилиндра; |
||
4 — всасывающий |
патрубок; |
5 — нагнетательный патрубок; |
6 — корпус приводной части; |
||||
7 — смазочный насос; 8 — шкив; |
9 — крышка |
корпуса приводной части. |
|
ние — с остановками жидкости в подводящем трубопроводе. Такие насосы имеют ухудшенную всасывающую способность.
Всасывающий и нагнетательный клапаны пропускают весь объем жидкости за один двойной ход поршня, т. е. работают так же, как в цилиндре одностороннего действия. В цилиндре двусто роннего действия каждый клапан пропускает вдвое меньший объем жидкости, диаметр клапанов должен быть меньшим, чем в цилин дре дифференциального действия, а число клапанов — вдвое большим.
Поршень нагружен перепадом давления при движении в на правлении от камеры С к камере Е. Давление действует на ман
жету, обращенную к камере Е. С другой стороны поршня — всасы вание.
При движении в обратную сторону давление жидкости на пор шень, прижимающее резину поршневых колец к цилиндровой втулке, с обеих сторон поршня одинаковое, резина не выдавли вается в уплотняемый зазор.
Усилие по штоку (без учета силы трения) при всасывающем и нагнетательном ходах поршня равны соответственно (F—f)p и /р, т. е. шток нагружен рабочим усилием почти так же, как в насосе с цилиндрами двустороннего действия.
Если площадь поперечного сечения штока равна половине пло щади поперечного сечения поршня, то усилие по штоку и нагрузка приводного механизма одинаковы независимо от направления дви жения поршня в цилиндре.
При сравнении одинаковых по гидравлической характеристике насосов с тремя цилиндрами дифференциального и одностороннего действия видно, что вес первого из них меньше, так как нагрузка деталей его приводного механизма на каждой линии (штока, ша туна, ползуна, подшипников и коренного вала) одинаковая при всасывающем и нагнетательном ходе поршня, вдвое меньше, чем у насоса с цилиндрами одностороннего действия. В этом особен ность насоса с цилиндрами дифференциального действия. Однако изготовление и эксплуатация этого насоса значительно сложнее, чем насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия.
При необходимости изменять подачу и давление нагнетания с помощью сменных цилиндровых втулок для сохранения соотно шения площадей потребовалось бы иметь набор не только соответ ствующих поршней с цилиндровыми втулками, но и штоков с их уплотнениями, площадь поперечного сечения которых вдвое мень ше поршней, и одновременно с поршнями и цилиндровыми втулка ми заменять штоки.
Штоковая камера Е — непроточная, так как она постоянно за полнена одной и той же порцией промывочного раствора, переме щающегося в нагнетательный отвод при движении поршня в на правлении камеры Е и снова возвращающегося в камеру Е при движении поршня в сторону камеру С. Поэтому в камере Е нака пливаются отложения утяжелителя, зерен абразивов, что вызы вает ускоренное изнашивание уплотнений.
Работы над созданием насоса не вышли из стадии исследования опытно-промышленного образца.
Насосы с двумя цилиндрами последовательного действия
Имеется несколько типоразмеров поршневых двухлинейных на сосов с цилиндрами последовательного действия французской фирмы «Мареп». Их основные параметры следующие.
|
л т а х * |
^ ш а х ' |
^ т а х • |
|
о б / м и н |
ДМ»/С |
к г с / с м 1 |
GC30-4 1 /2" х 4" |
180 |
9,15 |
35 |
DA45-5" Хб" |
140 |
13,25 |
27 |
DB45-5"X6" |
140 |
13,25 |
75 |
DB110-5 1/2"х 8" |
150 |
22,4 |
114 |
Ш225-6 3/4" X 10" |
125 |
36,4 |
159 |
Марка насоса |
включает |
буквенное обозначение, |
МОЩНОСТЬ в |
с., наибольший |
диаметр |
цилиндровой втулки и |
длину хода |
поршня в дюймах. |
(см. рис. 3 е) расположены |
ступенчато: вни |
Клапаны насоса |
||
зу — всасывающие 6, |
над ними — промежуточные |
7 и выше всех — |
нагнетательные 8. |
|
|
Рис. 11. Поршневой буровой насос с двумя ци линдрами последовательного действия.
а — с х е м а у с т р о й с т в а ; б — д и а г р а м м а т е о р е т и ч е с к о й п о д а ч и ж и д к о с т и ц и л и н д р а м и ; в — д и а г р а м м а р а с х о д а ж и д к о с т и ч е р е з к л а п а н ы .
На схеме (рис. 11, а) видно, что бесштоковая камера СА пра вой линии А соединена патрубком 1 с бесштоковой камерой Св левой линии В. Аналогично этому штоковые камеры Ел и Ев соединены между собой патрубком 2. В обоих соединительных патрубках установлены промежуточные клапаны З с и 3Еу одина ковые со всасывающими 4 и нагнетательными 5.
Кривошипы или эксцентрики ОЬ0 и Оа0 на коренном валу это го насоса смещены по направлению вращения на 120° относитель но друг друга.
При такой конструктивной схеме насос работает по циклу, названному именем его изобретателя Жандена.
Начиная отсчет движения кривошипа Оа0 из положения 0 0 ,
нетрудно показать, что нагнетание жидкости происходит на личных участках из следующих камер.
Угол поворота
Подающие каме ры
Угол поворота
Подающие каме ры
0°—60° |
60°—120° |
120°—180э |
СА + Св |
Сл |
СА + ЕА |
180°—240° |
240°—300° |
300°—360° |
+ ЕВ |
е а |
ЕА + СВ + СА |
Всасывание на различных участках происходит в следующих камерах.
Угол поворота |
0°_60° |
60°—120° |
|
120°—180° |
Всасывающие |
е а + е в |
Ел “Ь ^в + |
Ев |
|
камеры |
СВ |
|||
Угол поворота |
180°— 240° |
24 0°— 300° |
|
300°— 360° |
Всасывающие |
СА + СВ |
СА “Ь Ев + |
Ев |
Ев |
камеры |
Подача жидкости через нагнетательные клапаны 5С и 5Е изо бражается кривыми с и е (см. рис. 11, в). Нагнетательные кла паны остаются открытыми во время поворота коренного вала на 240°, а не на 180°, как у приводных насосов ранее рассмотренных типов.
Степень неравномерности подачи насосов, работающих по циклу Жандена, почти такая же, как у трехлинейных насосов с цилиндрами двустороннего действия.
На диаграмме (рис. 11,6) кривые а и b смещены друг отно сительно друга вдоль оси абсцисс на 120° соответственно смеще нию кривошипов на коренном валу. На линии А поршень одновре менно нагружен давлением нагнетания с обеих сторон на участ ках 120°—180° и 300°—360°
Фирма считает, что применение цикла Жандена позволяет эк сплуатировать насосы на повышенных числах двойных ходов поршня в 1 мин. Действительно, неравномерность подачи жидко сти цилиндрами последовательного действия несколько меньше, чем двумя цилиндрами двустороннего действия, но число циклов на гружения поршневых колец, а соответственно и абразивное изна шивание с одновременным усталостным вырыванием резины в уплотняемом зазоре ускоряется. Большая продолжительность пре бывания клапанов в открытом состоянии не уменьшает интенсив ности их изнашивания, которая определяется числом циклов посад ки клапана в единицу времени. Эксперименты показали, что ис правный клапан не изнашивается в открытом или закрытом со стоянии. Только при посадке происходит сдавливание и раздроб ление зерен абразива на посадочном пояске и его постепенное разрушение, приводящее к нарушению уплотнения и эрозии де талей.
Число циклов работы клапанов в единицу времени в насосах Жандена, изготовляемых фирмой «Мареп», повышено, соответст венно ускоряется и их изнашивание.
Подача насоса с двумя цилиндрами последовательного дей ствия меньше, чем* у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия с одинаковым объемом цилиндра и при одинаковом числе двойных ходов поршня в минуту, что объясняется существованием периодов, когда происходит перепуск жидкости из одного цилинд ра последовательного действия в другой. Без учета влияния штока и при равных геометрических размерах цилиндров подача насоса Жандена на 25% меньше, чем насоса с двумя цилиндрами дву стороннего действия, т. е.
Qo'x = 0,75(?ОД,
где (Зож и (2од — условная подача двух поршневых насосов (с оди наковыми размерами цилиндров), первый из которых работает по циклу Жандена, а второй представляет собой насос с двумя ци линдрами двустороннего действия.
В действительности величина подачи насосов Жандена и обыч ного с двумя цилиндрами двустороннего действия отличается не значительно:
<3ж = (0,8 ч- 0,85) Qa.
Применение цикла Жандена, как показывает изучение износо стойкости насосов, нецелесообразно.
Насосы с четырьмя цилиндрами одностороннего действия
Попытка создания серии плунжерных буровых насосов с че тырьмя цилиндрами одностороннего действия была предпринята фирмой «Кардуэлл» (США). В последнее время рекламные сооб щения о положительных результатах этой работы не публикуются.
Преимущество искали в компактности насоса (рис. 12, а) с V-об- разным расположением цилиндров (по типу поршневых авиаци онных двигателей) и в повышении быстроходности насоса.
Цель этой попытки — снижение веса на единицу гидравличе ской мощности насоса.
При принятой компоновке габариты насоса сократились, но за метно возросла длина подводящих каналов 1 и 2, в которых жид-
Рис. 12. Плунжерный буровой насос с четырьмя V-
образно |
расположенными цилиндрами одностороннего |
|
действия. |
а — схема |
устройства; б — диаграмма теоретической подачи |
|
жидкости цилиндрами. |
кость находится в неподвижном состоянии во время нагнетатель ного хода плунжера 3 в соответствующем цилиндре, когда всасы вающий клапан закрыт. Эта жидкость должна начать двигаться с максимальным ускорением в первый момент всасывающего хода, когда открывается всасывающий клапан. Например (см. рис. 4 з), жидкость неподвижна в коленчатом и достаточно протяженном канале 9 при ходе нагнетания в цилиндре 10. Жидкость, находя щаяся в этом канале, должна получить необходимое ускорение с началом всасывающего хода в цилиндре 10. Для преодоления инерционных сопротивлений при этом должен быть применен цент робежный подпорный насос, так как атмосферного давления, рав ного 1 кгс/см2, для сообщения жидкости необходимого ускорения не хватает, и цилиндры насоса не полностыо заполняются промы вочной жидкостью. Центробежный подпорный насос практически можно применять с давлением нагнетания от 3 до 7 кгс/см2, так
как при более высоком давлении срок его непрерывной безотказ ной работы существенно сокращается и возрастают эксплуатаци онные затраты.
Идея применения подпора для поршневых машин впервые была выдвинута в 1909 г. профессором МВТУ В. И. Гриневецким при менительно к двигателям внутреннего сгорания. Однако нагнета ние чистого воздуха в камеру сжатия двигателей внутреннего сго рания представляет собой задачу технически более легкую, чем подача промывочного бурового раствора в цилиндры поршневого* бурового насоса. Поршневые буровые насосы с подпором до на стоящего времени не получили широкого применения из-за ослож нений, связанных с эксплуатацией центробежного подпорного на соса, работающего на абразивосодержащей вязко-пластическои утяжеленной и горячей промывочной жидкости.
Бесперебойная эксплуатация всей буровой установки зависит от надежности одного центробежного подпорного насоса, при по вреждении которого возникают простои во время бурения. С цельюповышения надежности устанавливают два центробежных под порных насоса, каждый из которых обвязывают для самостоятель ной работы, что излишне усложняет всасывающую линию и уве личивает расходы по обслуживанию. Необходимой надежности установки в целом часто при этом все же не достигают.
При промывке скважины водой создаются более благоприят ные условия применения центробежных подпорных насосов.
Коренной вал четырехцилиндрового V-образного бурового на соса состоит из двух частей 4 и 6 с двумя эксцентриками 5 на каждом из них. Эксцентрики смещены друг относительно друга на 90° по направлению вращения. Передача вращения каждому валу осуществляется независимой зубчатой передачей 7.
В насосах с четырьмя цилиндрами увеличено число деталей, усложнен технологический процесс изготовления, в частности обес печения соосности гидравлической и приводной частей.
При эксплуатации насоса фирмы «Кардуэлл» необходимо об служивать четыре цилиндра вместо двух, как у обычного насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия. Если буровая уста новка включает два или три насоса, то отрицательное свойство структурной схемы четырехцилиндровых насосов, заключающееся в увеличении числа их деталей и повышенной частоте циклов на гружения, сказывается сильнее.
При создании насоса предполагали, что изнашивание в плун жерной паре будет меньше, чем в цилиндро-поршневой. В буро вых насосах с резино-металлическими поршнями при давлении нагнетания более 100 кгс/см2 основным видом изнашивания явля ется усталостное вырывание поршневой резины при наличии абра зивной прослойки в уплотняемом зазоре. Изнашивание ускоряется тем, что при движении поршня в направлении нагнетаемой жидко сти давление нагнетания выдавливает резину в уплотняемый за-
зор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой, а сила тре ния, возникающая на боковой поверхности поршня, действует в том же направлении, усиливая затягивание резины в зазор.
В плунжерной паре сила трения направлена навстречу давле нию, вследствие чего можно так подобрать параметры уплотни тельного узла (в частности, его размеры и величину напряжений предварительного сжатия уплотнения), что выдавливание резины в уплотняемый зазор уменьшится. Кроме того, в неподвижное плунжерное уплотнение легко подавать смазку и его можно пе риодически подтягивать, компенсируя происходящее изнашивание и устраняя излишнюю утечку. Это теоретически приводит к уве личению срока службы плунжерной пары по сравнению с порш невой или позволяет увеличить число двойных ходов плунжера в 1 мин без снижения долговечности уплотнения по сравнению с 'более тихоходной цилиндро-поршневой парой. Однако эти потен циальные возможности плунжерной пары пока не удается реали зовать на практике. Кроме того, если и можно достигнуть необхо димой долговечности плунжерной пары в быстроходном насосе, то для увеличения срока службы клапанного узла нет каких-либо определенных перспектив, а преимущество несколько более рав номерной подачи четырехцилиндрового насоса несущественно.
Суммарная кривая 8 подачи жидкости четырьмя цилиндрами одностороннего действия получается в результате сложения че тырех одинаковых для всех цилиндров кривых 9 подачи, смещен
ных на |
графике (см. рис. 12, б) |
по оси |
абсцисс последовательно |
на 90° |
Степень неравномерности |
подачи |
6,^41^0,33, т. е. меньше, |
чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, но это не придает четырехцилиндровому насосу лучших эксплуатацион ных качеств, так как все равно необходим нагнетательный пневмо компенсатор.
Быстроходный плунжерный насос с четырьмя V-образно распо ложенными цилиндрами одностороннего действия не нашел про мышленного применения ввиду интенсивного изнашивания его смен ных деталей гидравлической части (плунжерной пары и клапан ного узла), а также в связи с усложнением насосной установки, в которую обязательно входит центробежный подпорный насос.
Насосы с пятью цилиндрами одностороннего действия
Все пять цилиндров одностороннего действия у пятиплунжерного насоса (рис. 13) располагаются в один ряд. Всасывающий коллек тор расположен в нижней части гидравлической коробки. Жид кость во всасывающем коллекторе почти на всех участках нахо дится в непрерывном одностороннем движении в направлении от приемного отверстия 1 к цилиндрам насоса. Всасывающий клапан не отделен от всасывающего коллектора каким-либо патрубком. Нагнетательный коллектор образован отверстием, идущим вдоль
гидравлической коробки 2 и соединяющим полости над нагнета тельными клапанами. Нагнетательный трубопровод присоединяется к гидравлической коробке фланцем 3.
Порядок работы цилиндров 1—3—5—2—4 обеспечивает равно мерную раздачу жидкости по цилиндрам и равномерное распреде
ление нагрузки |
между |
опо |
|
|
|
|
|
||||||
рами |
коренного вала насоса. |
|
|
|
|
|
|||||||
Хорошая |
|
всасывающая |
|
|
|
|
|
||||||
способность |
насоса |
позво |
|
|
|
|
|
||||||
ляет увеличить |
число |
двой |
|
|
|
|
|
||||||
ных ходов |
плунжера |
в еди |
|
|
|
|
|
||||||
ницу |
времени по сравнению |
|
|
|
|
|
|||||||
с насосами других типов без |
|
|
|
|
|
||||||||
снижения |
объемного |
коэф |
|
|
|
|
|
||||||
фициента. |
|
При |
бурении |
|
|
|
|
|
|||||
скважин |
диаметром прибли |
|
|
|
|
|
|||||||
зительно |
|
150 мм |
секцион |
|
|
|
|
|
|||||
ным малолитражным турбо |
|
|
|
|
|
||||||||
буром, |
например |
«ТС4-5», |
|
|
|
|
|
||||||
достаточно одного |
насоса на |
|
|
|
|
|
|||||||
буровой |
установке, |
с |
обслу |
|
|
|
|
|
|||||
живанием |
|
которого |
справ |
|
|
|
|
|
|||||
ляется |
один |
слесарь, |
успе |
|
|
|
|
|
|||||
вающий |
выполнить все |
не |
Рис. |
13. |
Плунжерный |
буровой |
насос с |
||||||
обходимые работы |
по |
теку |
пятью цилиндрами одностороннего действия. |
||||||||||
щему ремонту во время про |
а — схема |
устройства; б — диаграмма |
теоретиче |
||||||||||
ведения |
|
спуско-подъемных |
|
ской |
подачи жидкости |
цилиндрами. |
|||||||
операций. |
|
|
4 |
(см. рис. |
13, а) |
на |
коренном валу 5 располо |
||||||
Эксцентрики |
жены со смещением по направлению вращения вала на 72° в по следовательности, соответствующей принятому порядку работы цилиндров. Суммарная кривая 6 (см. рис. 13,6) подачи жидкости цилиндрами получается в результате сложения ординат кривых 7 подачи жидкости из отдельных цилиндров, отдельные кривые сме щены по оси абсцисс на 72° относительно друг друга. Неравномер ность подачи ôQT5i~0,l, ч т о значительно меньше, чем у насосов с шестью, четырьмя или меньшим числом цилиндров. Работа пятиплунжерного насоса без пневматического компенсатора не вызывает недопустимых колебаний давления и вибрации оборудо вания. Вследствие повышенной быстроходности вес пятиплунжер ного насоса снижается. Насос БН150 данного вида приводной мощностью 320 л. с. с числом ходов плунжера 160 в 1 мин и ве сом 5 т серийно изготовлялся в 1955—1960 гг. При плунжере диа
метром |
105 |
мм — подача |
12,5 |
дм3/с, давление нагнетания |
|
150 кгс/см2; |
при диаметре |
плунжера 125 мм подача |
равна |
||
18 дм3/с, давление нагнетания |
110 кгс/см2. |
вида |
|||
При производстве пятиплунжерных насосов данного |
|||||
наиболее |
сложной технологической |
операцией является достиже |