книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

ясным, что наличие твердой фазы в газовом потоке ведет к повы­ шению эффективности разрушения горных пород за счет увеличе­ ния интенсивности теплоотдачи между газовой фазой и породой, а также за счет динамического воздействия твердой фазы на раз­ рушаемую поверхность. Кроме того, установлено, что существенную роль в увеличении теплового потока играет температура торможе­ ния двухфазной струи, которая определяется скоростью твердой фазы и ее концентрацией.

Скорость и температура каждой фазы на выходе из сверхзву­ кового сопла могут быть определены экспериментально для твер­ дых частиц, размеры которых настолько велики, что не происходит существенного выравнивания параметров обеих фаз. При этом

Рис. 35. Схема течения потока около клина

необходимо измерять распределения статического давления по осп сопла, угол полураствора клина, помещаемого в плоскости выход­ ного сечения сопла, угол ударной волны на клине и секундный расг ход каждой фазы (рис. 35).

Число Маха для газовой фазы, определяемое как отношение скорости газа к скорости звука, может быть определено из соот­ ношения

"где Mi — число Маха в плоскости выхода из сопла, безразмерное; •Ѳ— угол наклона ударной волны в градусах; k — показатель адиа­

ного газа, уравнение расхода и определение числа Маха при двух­ фазном течении.

SO

Использовав определение числа Маха двухфазного течения, по­

где Gr. ф — массовый расход газовой фазы, кг/с. Индексы: 1 — плоскость выхода из сопла;

г — газовая фаза.

Температура газовой фазы может быть рассчитана по уравне­ нию (98).

Измерение распределения статического давления вдоль оси сопла позволяет рассчитать скорость твердой фазы по уравнению сохранения количества движения.

Уравнение сохранения количества движения в интегральной форме записывается следующим образом:

Если статическое давление является известной функцией пло­ щади поперечного сечения, то интегралы можно вычислить графи­ ческим способом. Единственной неизвестной величиной в уравнении (100) является скорость твердой фазы на выходе из сопла WTir'

относительно которой это уравнение может быть решено.

доразрушающего органа, теплообменника, дозатора, дифманометров ДТ-50 для измерения расхода воздуха и горючего и маномет­ ров для определения статического давления по длине сопла.

Сжатый воздух нагнетался воздушным компрессором ДК-9М производительностью около 0,2 кг/с при давлении 6,87105 Н/м2 и, проходя через теплообменник,

ком металлического клина, размещенного в плоскости среза сопла и затем фотографировали. Теневые фотографии косой ударной вол­ ны на двойном клине, помещенном в подогретой до Т= 700 К сверх­ звуковой струе, выходящей из сопла, были получены с помощью оптической скамьи, источником света которой является кинопроек­ ционная лампа К-18 (300 Вт, 220 В).

Углы наклона ударной волны измеряли на контурном проек­ торе с увеличением в 10 раз. Значения их для запусков с чистым

но, что экспериментальные и расчетные значения углов совпадают между собой с точностью

примерно в 1°. Отсутствие лучшего совпадения объясняется труд­ ностями получения действительно тонких и однородных краев клина, небольшими отклонениями в величине массового расхода воз­ духа, а также ошибками в измерении температуры и давления, зна­ чения которых необходимы для расчета углов наклона ударной волны. Кроме того, некоторая ошибка возникала при определении

углов полураствора клина. Эти углы определяли промером теневых фотографий на контурном проекторе. Однако вносимая при этом ошибка мала, так как полный угол клина, вычисленный по ре­ зультатам измерений, хорошо согласовывался с результатами опти­ ческих измерений.

Углы наклона ударных волн для случая течения двухфазной смеси с различным содержанием твердой фазы приведены в табл. 25.

Во время экспериментов определяли распределения статиче­ ского давления подогретого воздуха по длине сопла. Статические

давления по длине сопла в зависимости от концентрации твердой фазы приведены в табл. 26.

Значения давлений в точке 5 (давление на выходе из сопла) были использованы при расчете углов наклона ударных волн.

Экспериментальные исследования позволили определить изме­ нение статического давления до длине сопла P = f (x) и в зависи­ мости от площади его поперечного сечения P — f(F) при различной концентрации твердой фазы в потоке. На рис. 38 приведены зави­ симости P = f(x) и P = f(F) для случая содержания в потоке по­ догретого до температуры 700 К воздуха 31,2% БЮг размером

Рис. 38. Зависимость статического давления:

ского решения интеграла, имеющего место в правой части урав­

Эксперименты также показали, что степень расширения газо­ вой фазы двухфазного потока Рк/Р,і меньше, чем степень расшире­ ния чистого газа в том же сопле. С возрастанием концентрации твердой фазы это различие увеличивается. Подобные результаты были получены и в других работах. Скорость движения двухфаз­ ного потока определяли с применением расчетного сопла для одно­ фазного потока (см. рис. 36). Длина его расширяющейся части при

угле раскрытыя, равном 4°, составляла 2 2 - ІО-3 м. Однако это

сопло при истечении из него двухфазного потока работало в ре­ жиме недорасшнрения; газовая фаза полностью не совершала ра­ боту расширения и, соответственно, истекала из сопла с меньшей скоростью по сравнению со случаем чистого газа.

Для подтверждения возможности теоретического расчета про­ цесса расширения сверхзвукового двухфазного потока в сопле тер­ модинамического органа авторами проведено сравнение экспери­ ментальных данных с расчетными, полученными в результате ре­ шения системы уравнений (75) с идентичными начальными условиями. Теоретические и экспериментальные значения скоростей газовой и твердой фаз приведены в табл. 23 и 27.

В результате анализа указанного сравнения установлено, что значения скоростей газовой и твердой фаз, полученные расчетным путем, удовлетворительно (Кь-ор = 0,83) совпадают с эксперимен­ тальными данными (рис. 39).

Рис. 39. Влияние концентрации твердой фазы на скорость ее движения

Основываясь на факте удовлетворительного совпадения экспе­ риментальных и расчетных данных по скорости, можно сделать вы­

П О Т О К О В НА Э Ф Ф Е К Т И В Н О С Т Ь Р А З Р У Ш Е Н И Я Г О Р Н Ы Х П О Р О Д

Термодинамическая установка с двухфазным потоком. Для про­ ведения экспериментальных исследований по определению термобуримости различных горных пород авторами была создана термо­ динамическая установка с двухфазным потоком (рис. 40), отли­ чающаяся от термической установки тем, что в воздушную магистраль включен дозатор для подачи твердых частиц.

уравнений, описывающих течение смеси газа с частицами по осе­ симметричному сверхзвуковому соплу при £ т = 0,15; сопло № 2

является оптимальным для однофазного потока; сопло № 3 — су­ жающееся, профиль которого определен по формуле Витошинского [40].

Испытанию на термобуримость однофазным и двухфазным по­ токами были подвергнуты янцевский и токовский граниты, песча­ ники, гематито-магнетитовые роговики и известняки.

В результате исследований были изучены вопросы изменения основных показателей бурения — скорости бурения и диаметра шпура — в зависимости от массовой доли и размера твердой фазы, геометрии сопла, внутрикамерного давления, расстояния между срезом сопла и забоем, угла встречи двухфазного потока с породой.

Расстояние от среза сопла до забоя при работе термодинами­ ческого органа составляло от 10 • ІО-3 до 60 • 10_3 м. Массовая доля

твердых частиц изменялась от 0 до 0,4.

Бурение производилось следующим образом. После запуска и вывода на режим термобура в блоке горной породы пробуривали шпур при воздействии однофазного (газового) потока, а затем включали в работу дозатор с частицами и бурили двухфазным потоком в той же горной породе.

Характеристикой, определяющей степень термобуримости раз­ личных горных пород, была средняя скорость бурения и средний диаметр скважины по всей глубине. Значение угла встречи двух­ фазного потока с породой изменяли от 15ч-90°.

Сравнительные результаты исследований буримости различных горных пород однофазным и двухфазным потоками. Проведенные исследования позволили определить оптимальные параметры гео­ метрии сопла, размер и массовую долю твердой фазы. Однако не­ обходимы еще тщательные экспериментальные исследования с тем, чтобы определить термобуримость различных горных пород при воздействии на них сверхзвукового двухфазного .потока при при­ менении для эксперимента ранее определенных оптимальных гео­ метрических и режимных параметров термодинамического органа. Цель экспериментальных исследований на данном этапе—-получе­ ние необходимой информации по разрушению горных пород одно­ фазным и двухфазным потоками. Задачей дальнейших исследова­ ний являлось: определение эффективности разрушения горных по­ род двухфазным потоком и влияние на нее конструктивных и ре­ жимных параметров термодинамического органа; выполнение срав­ нительных исследований по разрушению горных пород однофазным

идвухфазным потоками.

Врезультате исследований было установлено, что геометрия сопла термодинамического органа является одним из главных фак­ торов, влияющих на формирование сверхзвукового двухфазного потока. В связи с тем, что величина угла входной части незначи­ тельно сказывается на формировании однофазного потока в критиче­ ском сечении [3], для экспериментальных исследований применялись