2 Расчет подачи насоса

Теоретическая подача одноцилиндрового насоса простого действия

(1)

где: F – площадь, определяемая по внутреннему диаметру втулки цилиндра или наружному диаметру плунжера;

S = 2R — ход поршня или плунжера;

R — радиус кривошипа;

n — частота вращения коренного вала насоса, об/мин.

В насосе двойного действия объем жидкости, нагнетаемой штоковой частью цилиндра за один оборот кривошипного вала,

а общая подача одноцилиндрового насоса

(2)

где: f— площадь сечения штока.

Действительная подача насоса простого действия

(3)

двойного действия

(4)

где z — число цилиндров;

= 0,85 - 0,95 — объемный к.п.д. насоса, учитывающий утечки жидкости через зазоры в уплотнениях клапанов, поршней и штоков, запаздывание закрытия клапанов, а также наличие воздуха или газа в жидкости.

Из формулы (4) следует, что подачу насоса можно регулировать тремя способами: изменением диаметра плунжера или цилиндровой втулки, длины хода вытеснителя, а также частоты вращения коренного вала.

Недостатками первого способа регулирования являются значительные затраты времени на замену рабочих пар, поэтому его обычно используют только в тех случаях, когда насос должен обеспечивать заданную подачу в течение длительного времени.

Способ регулирования подачи путем изменения длины хода вытеснителя обеспечивает необходимую оперативность, однако при уменьшении длины хода объемный к.п.д. насоса снижается вследствие увеличения объема вредного пространства рабочих камер.

Другим недостатком является неравномерный износ рабочих пар по длине, в связи с чем при переходе с меньшей длины хода на большую и повышении давления в нагнетательной линии возможно уменьшение подачи против расчетного значения.

Из-за этих недостатков, а также из-за конструктивной сложности механизмов регулирования насосы с изменяемой длиной хода вытеснителя распространения не получили.

Регулировать подачу путем изменения частоты вращения коренного вала насоса можно, применяя коробки передач и электродвигатели постоянного тока, обеспечивающие стабильность задаваемой частоты вращения при переменном крутящем моменте, а также регулируемый гидропривод с объемными гидродвигателями.

Указанные методы обеспечивают необходимую оперативность и широкий диапазон регулирования, стабильность подачи при переменном давлении в нагнетательной линии. Наиболее простым и доступным является метод регулирования числа ходов вытеснителя при помощи коробок передач, который в настоящее время широко используется в насосах к установкам геологоразведочного бурения.

При применении насосов с нерегулируемой подачей расход подаваемой в скважину жидкости изменяют путем сброса части ее на слив через трехходовые краны или выключением отдельных камер насоса за счет удаления из них клапанов. Первый способ обеспечивает оперативное изменение подачи, отличается простотой и небольшой стоимостью средств регулирования. Его главные недостатки - зависимость расхода жидкости от гидравлических сопротивлений в скважине и возрастание удельной мощности пропорционально количеству сбрасываемой жидкости.

Регулирование расхода жидкости удалением клапанов сопровождается снижением равномерности подачи насоса, что приводит к увеличению нагрузки на приводной механизм вследствие больших пульсаций давления в нагнетательной линии. Улучшению условий работы насоса при этом способе регулирования способствуют пневматические компенсаторы с увеличенным объемом рабочих камер [4].

В приводных насосах с кривошипно-шатунным или эксцентриковым механизмом скорость движения вытеснителя определяют из выражения

, (5)

где: R - радиус кривошипа;

- угловая скорость кривошипа;

l - длина шатуна;

- угол поворота кривошипа.

Рис. 7. Графики подачи жидкости насосами:

а - одноцилиндровым простого действия; б - трехцилиндровым простого действия (трехплунжерным); в — двухцилиндровым двойного действия

Знак плюс относится к ходу поршня в направлении приводной части насоса, а минус – в обратном направлении.

Обычно в кривошипно-шатунных механизмах 1/5, поэтому скорость вытеснителя

Мгновенная подача одноцилиндрового насоса простого действия пропорциональна значению мгновенной скорости:

(7)

График изменения подачи такого насоса при постоянных значениях F, R и со приведен на рис. 7, а. Для построения графика описывают окружность радиуса R₁ равного в некотором масштабе величине FR , а по оси абсцисс откладывают углы поворота кривошипа. Значение мгновенной подачи для угла поворота кривошипа определяется величиной ординаты АА₁. При повороте кривошипа от 0 до происходит нагнетание жидкости, а от до 2 - всасывание.

Неравномерность подачи оценивают коэффициентом неравномерности

, (8)

где Q_max - наибольшая мгновенная подача;

Q_min - минимальная мгновенная подача;

Q_сp - среднее значение подачи.

Для рассматриваемого насоса

поэтому

Для получения более равномерной подачи насосы простого действия часто выполняют трехцилиндровыми со смещенными один относительно другого кривошипами на 2 /3.

График подачи такого насоса (рис. 7, б) получают сложением ординат трех соответственно смещенных синусоид. В соответствии с графиком

коэффициент неравномерности подачи

График подачи двухцилиндрового насоса двойного действия, кривошипы которого расположены один относительно другого на /2, приведен на рис. 7, в (влияние штоков не учитывалось).

Для насосов этого типа

Коэффициент неравномерности подачи k_н = 0,325. При учете влияния штоков коэффициент неравномерности подачи возрастает по мере увеличения отношения его диаметра к диаметру поршня.

Таким образом, из применяемых в практике буровых работ насосов наиболее равномерную подачу обеспечивают трехплунжерные насосы простого действия. Высокую равномерность подачи могут обеспечить насосы прямого действия, не имеющие кривошипно-шатунных механизмов. График подачи такого насоса определяется законом движения ведущего звена.