книги из ГПНТБ / Николич А.С. Поршневые буровые насосы

В монолитном резино-металлическом уплотнении увеличивается срок службы штока, трущегося о резину, а не о металлическую (чугунную или бронзовую) грундбуксу или нажимной стакан. Зер­ на абразива, утопленные в резине, меньше повреждают шток, чем перекатывающиеся и раздробляемые при относительном движении между штоком и грундбуксой или нажимным стаканом, располо­ женными по обе стороны пакета уплотнительных колец. Примене­ ние пластмассовых, например капролоновых грундбукс и нажимных стаканов устраняет трение металла о металл, снижает активность воздействия абразивных зерен, уменьшает изнашивание штока и его уплотнения, увеличивает срок службы узла.

КЛАПАНЫ

Принцип действия клапанно-распределительного устройства

Клапан поршневого насоса представляет собой запорный гид­ равлический механизм одностороннего действия, пропускающий жидкость при ее движении в заданном направлении и перекры­ вающий проход для жидкости в противоположном направлении.

Движением насосного клапана управляет поток жидкости. Из всех возможных разновидностей клапанно-распределитель- ных устройств с подъемными, откидными и скользящими запор­ ными органами в поршневых буровых насосах применяются подъ­ емные тарельчатые клапаны с пружинной нагрузкой и эластичным

уплотнением.

Открывается и закрывается подъемный клапан в результате поступательного движения его тарелки перпендикулярно плоскости посадки.

Каждой насосной камере принадлежат всасывающий и нагне­ тательный клапаны. Клапаны в насосе служат для попеременного соединения и разъединения каждой насосной камеры с всасываю­ щим и нагнетательным трубопроводами, а также для того, чтобы жидкость, притекающую к насосу через всасывающую трубу, рас­ пределить по насосным камерам, не выпуская из них обратно в подводящий коллектор, а жидкость, нагнетаемую различными на­ сосными камерами, направить в нагнетательный коллектор й удержать от повторного попадания в цилиндры.

Из-за сложности гидравлических процессов, протекающих при работе насосного клапана, удобно рассмотреть вначале идеальную схему его действия.

При упрощенном рассмотрении жидкость условно считается несжимаемой, детали насоса — неупругими, тарелка клапана — безмассовой. Кроме того, принимаются следующие предпосылки.

1.Когда один клапан открыт, то другой закрыт.

2.Всасывающий клапан открыт во время всасывающего хода поршня, когда объем насосной камеры увеличивается, и она за-

133

полняется жидкостью, поступающей из всасывающего трубопро­ вода через всасывающий клапан. Нагнетательный клапан в это время перекрывает переток жидкости из нагнетательного трубопро­ вода в насосную камеру.

3.При нагнетательном ходе поршня, когда объем насосной камеры уменьшается, жидкость из нее вытесняется через открытый нагнетательный клапан в нагнетательный трубопровод. Всасываю­ щий клапан на это время закрывается.

4.Открытие любого клапана происходит одновременно с нача­ лом движения поршня из мертвой точки, а посадка на седло со­

вершается под действием усилия пружины и веса тарелки в момент неподвижного положения в мертвой точке, то есть в от­ сутствие протока жидкости через седло клапана, без движения жидкости за счет постороннего источника или в стоячей жидкости.

5. Скорость жидкости в клапанной щели считается постоянной независимо от высоты подъема тарелки над седлом из-за пре­ небрежимо малого изменения пружинной нагрузки и постоянного в первом приближении коэффициента сопротивления движению жидкости в щели с изменением ее толщины.

6.Высота расположения тарелки клапана над седлом при за­ данной пружинной нагрузке однозначно определяется расходом жидкости через клапанную щель.

7.Поскольку при перемещении поршня скорость его движения закономерно увеличивается от нуля в начале движения до макси­

мума у середины хода, а затем уменьшается до нуля в конце хода, кривая движения клапана в некотором масштабе повторяет для каждой насосной камеры кривую подачи или всасывания жидкости, являясь своего рода записью показаний расходомера протекающей через клапан жидкости.

8. Зависимость скорости поршня от угла поворота кривошипа выражается синусоидой.

В результате тщательных исследований насосных клапанов стало возможным проектировать клапаны так, чтобы они не сту­ чали, так как стук приводит к быстрому разрушению посадочных поверхностей клапана. Однако игра клапанов, происходящая без стука, как оказывается, еще не гарантирует необходимое для эксплуатации время безотказной работы, например поршневых буровых насосов. Работающий без стука клапан может быстро изнашиваться.

Для увеличения срока службы потребовалось дальнейшее изу­ чение механизма действия клапанов и их изнашивания.

Методы расчета клапанов на безударную посадку

При исследовании насосных клапанов И. И. Куколевским гид­ равлическое сопротивление определялось статическими проливками на стенде (рис. 47, а).

134

Y — удельный вес жидкости.

Величина коэффициента ц.к расхода нанесена на графике (рис. 48) в зависимости от без­ размерного параметра х, равно­ го отношению площади выходно­ го сечения щели клапана l,JiK к

площади сечения седла:

К осциллографу

(65)

Рис. 47. Экспериментальное исследование движения клапана.

а — схема стенда для статической пролнвкн насосных клапанов: б—приспособление Б. И. Браславского для снятия осциллограмм иа действующем насосе: / — клапан: 2— тен­ зометр; 3— крышка корпуса, '/ — трубчатая пружина; 5 — сердечник: 6 — катушки.

135

Коэффициент расхода

Произведение fKva (поправка Вестфаля) учитывает уменьшение расхода через щель на количество жидкости, заполняющее про-

Рис. 48. График зависимости коэффициента расхода от безразмерной характеристики клапанной щели.

ч

странство под поднимающейся тарелкой клапана (знак поправки минус) и при опускании клапана — увеличение расхода через щель на количество жидкости, выходящей из-под опускающейся тарелки клапана (знак поправки плюс); vK — скорость движения тарелки; / к — площадь тарелки клапана.

136

Подъем клапана начинается при hK = 0, когда угол ф = ю£=6. Приравнивая нулю выражение в скобках в правой части фор­

мулы (73), получаем

Величина б называется углом запаздывания посадки клапана. Определение величины б является одним из первых уточнений исходных упрощающих предпосылок.

137

Найдем по формуле (73) максимальный подъем тарелки кла­ пана при ф = 90°.

Экспериментами установлено, что клапан начинает стучать не­ зависимо от конструкции при одинаковой скорости посадки vK~ ~60—70 мм/с. Подставляя числовые значения величин в выраже­ ние (82), получаем

Формула (84) представляет собой условие И. И. Куколевского, определяющее безударную посадку клапана.

Зная величину /гк тах, определяют диаметр необходимого кла­ пана по формуле, вытекающей из условия неразрывности потока при максимальной скорости поршня:

138

Расчетный диаметр пор­ шня принимают равным 0,8 максимального, т. е. наи­ более употребительный (см. рис. 75).

Скорость при посадке определяют эксперименталь­ но по тангенсу угла наклона

на которого тем больше, чем

139

вой и VI— трехкольцевой. Основные размеры и параметры, харак­ теризующие условия работы клапанов, помещены в табл. 15. Нагрузка Н0 на клапан в'момент, когда поршень находится в мертвой точке, определяется выражением

клапана, поднятого над седлом Н0 в момент, когда поршень нахо­

[Qvn] = 60

при котором клапаны начинали стучать, определялась на слух на работающем насосе.

Величина коэффициента Д,„ при этом для однотипных клапа­ нов почти одинакова и существенно различна для клапанов, от­ личающихся по., конструкции. Поэтому формулу (86) можно при­ менять для-расчета клапанов только изученного типа, принимая по данным исследования клапанов, однотипных с проектируемым. Для клапанов различных типов, для которых величина ?ч; опытным путем не определялась, ее значения следует выбирать с достаточ­ ным запасом, чтобы избежать появления стука. Для легких та­

140