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

меньших частиц может изменить характер изнашивания, так как раздавливание зерен между тарелкой и седлом становится невоз­ можным (слой граничной смазки препятствует их сближению). Однако удаление настолько мелких фракций представляет собой еще не решенную сложную техническую задачу.

Подачу насоса с цилиндрами одностороннего действия опре­ деляют по формуле

ленную перспективу, связанную, однако, с необходимостью даль­ нейшей отработки уплотнений клапана и плунжера или поршня, более стойких, чем существующие, при повышенном числе двойных ходов в 1 мин.

Насосы с тремя цилиндрами дифференциального действия

Поршневой приводной насос с тремя цилиндрами дифференци­ ального действия (рис. 10) сочетает в себе отдельные свойства насосов с цилиндрами одностороннего и двустороннего действия.

Всасывание жидкости в объеме Fs происходит в бесштоковой камере С при перемещении поршня на длину хода s в направле­

Таким образом, величина подачи жидкости насосом с тремя цилиндрами дифференциального действия определяется, так же как и для насоса с цилиндрами одностороннего действия, по фор­ муле (14). Величина подачи за один двойной ход поршня не зави­ сит от диаметра штока.

Всасывание жидкости каждым отдельно взятым цилиндром дифференциального действия происходит при движении поршня только в одном направлении от камеры С к камере Е, с переры­ вом на время перемещения поршня в обратном направлении, как

30

в 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-

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-

31

жету, обращенную к камере Е. С другой стороны поршня — всасы­ вание.

При движении в обратную сторону давление жидкости на пор­

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

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

Имеется несколько типоразмеров поршневых двухлинейных на­ сосов с цилиндрами последовательного действия французской фирмы «Мареп». Их основные параметры следующие.

32

•41

в

100%

ВО" ПО' 160" 2Ь0° 300° 360'

Б

соединены между собой патрубком 2. В обоих соединительных патрубках установлены промежуточные клапаны Зс и 3Е, одина­ ковые со всасывающими 4 и нагнетательными 5.

При такой конструктивной схеме насос работает по циклу, названному именем его изобретателя Жамдена.

Начиная отсчет движения кривошипа Оа0 из положения 00, нетрудно показать, что нагнетание жидкости происходит на раз­ личных участках из следующих камер.

Всасывание на различных участках происходит в следующих камерах.

Подача жидкости через нагнетательные клапаны 5С и 5в изо­ бражается кривыми сие (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.

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°.

34

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 нагружения 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

периодов, когда происходит перепуск жидкости из одного цилинд­

Жандена на 25% меньше, чем насоса с двумя цилиндрами дву­ стороннего действия, т. е.

0 в « = 0,75<2вд,

где Qo-,k и Qon — условная подача двух поршневых иасосов (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:

<Эж = (0,8-*-0,85) Сд .

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.

2* 35

Преимущество искали в компактности насоса (рис. 12, а) с V-об- разным расположением цилиндров (по типу поршневых авиаци­

При принятой компоновке габариты насоса сократились, но за­ метно возросла длина подводящих каналов 1 и 2, в которых жид-

кость находится в неподвижном состоянии во время нагнетатель­ ного хода плунжера 5 в соответствующем цилиндре, когда всасы­ вающий клапан закрыт. Эта жидкость должна начать двигаться с максимальным ускорением в первый момент всасывающего хода,

канале 9 при ходе нагнетания в цилиндре 10. Жидкость, находя­

инерционных сопротивлений при этом должен быть применен цент­ робежный подпорный насос, так как атмосферного давления, рав­

вочной жидкостью. Центробежный подпорный насос практически можно применять с давлением нагнетания от 3 до 7 кгс/см2 , так

36

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-пластической 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 целью повышения 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 нагружения, 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-

37

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 уплотннтельного 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. 12,6") по оси абсцисс последовательно на 90е . Степень неравномерности подачи 6f / r4i~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 пневмокомпенсатор.

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 / к цилиндрам насоса. Всасывающий клапан не отделен от всасывающего коллектора каким-либо патрубком. Нагнетательный коллектор образован отверстием, идущим вдоль

38

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.

жены со смещением по направлению вращения вала на 72° в по­ следовательности, соответствующей принятому порядку .работы цилиндров. Суммарная кривая 6 (см. рис. 13, б) 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 6 f / T5i~0,l, что 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

При производстве пятиплунжерных насосов данного вида наиболее сложной технологической операцией является достиже-

3?