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

бует в свою очередь применения дорогостоящих и сложных уст­ ройств для изменения скорости вращения вала.

Дополнительное оборудование насосов приставными цилиндра­ ми позволит, возможно, более простыми и освоенными средствами реализовать эффект регулирования насоса, чем при использовании в силовой передаче от двигателя к насосу, например, современного гидродинамического трансформатора, работающего с к. п. д. более 0,9 на чистой жидкости (масле) и практически не подверженного изнашиванию, но требующего более высоких капитальных затрат.

В регулируемом насосе с гидропыевмоприставными цилиндра­ ми, газовые камеры которых соединены между собой, гидравличе­ ский процесс протекает несколько иначе, поскольку сказывается увеличение объема упругой подушки, позволяющее получить бо­ лее равномерную подачу, практически без колебаний давления на­ гнетания и с незначительными его изменениями при изменении ве­ личины подачи. Установка компенсаторов неравномерности подачи не требуется.

Сведений о практическом применении в США насосов с при­

вого насоса с гидропневмоприставными цилиндрами, которая полу­ чила положительные отзывы при работе с регулируемым турбо­ буром, имеющим крутопадающую кривую крутящего момента при увеличении скорости вращения.

Регулирование режима бурения осуществляется путем изме­ нения давления воздуха в приставных цилиндрах и нагрузки на долото. Установка снабжена дополнительным компрессором для закачки воздуха в приставные цилиндры.

Установлено, что при внезапном обвале стенок скважины пре­ дохранительная диафрагма не разрывается. Несмотря на то, что поршни продолжают свое движение в главных цилиндрах с по­ стоянной частотой и длиной хода, подача насоса уменьшается вплоть до нулевого значения и насос работает полностью «на се­ бя», а давление жидкости на стенки скважины не увеличивается. Промывочная жидкость под давлением насоса прокладывает себе путь в обвалившейся породе, постепенно размывая пробку, после чего продолжается нормальное бурение.

Инерционность процесса регулирования минимальна, так как угловая скорость вращающихся масс механизма насоса, привода и двигателя не изменяется во время регулирования подачи.

Классификация видов поршневых буровых насосов

Изложенные сведения о известных видах поршневых буровых насосов, отражающие направления поисков оптимального вари-

51

анта, целесообразно сопоставить и дополнительно проанализиро­ вать, пользуясь для характеристики рассматриваемых машин еди­ ной системой признаков, в соответствии с которыми построена табл. 4.

Насосы в ней разделяются по виду энергии, необходимой для приведения их в действие: механической, паровой и гидравличе­ ской. Источником механической энергии может быть также газовая турбина или другой двигатель, в том числе паровой или гидрав­ лический. При этом энергия передается от силовой установки к насосу при помощи механической передачи — ременной или цеп­ ной, а в паровых и гидроприводных насосах по трубопроводам.

Вид гидравлических цилиндров является одним из наиболее существенных признаков, определяющих устройство насоса. Суще­ ствуют цилиндры четырех видов: одно- и двустороннего, диффе­ ренциального и последовательного действий.

По виду вытеснителя насосы подразделяются на поршневые и плунжерные. В некоторых видах насосов можно устанавливать поршни, работающие в цилиндровых втулках, и при необходимо­ сти заменить их плунжерами, работающими в неподвижном уплот­ нении.

Механизмы главного движения 1 — кривошипно-ползунные, ро­ торные и прямодействующие. Регулирование роторных насосов осуществляется изменением эксцентриситета вращателя.

Классификационная таблица в представленном виде, построен­ ная по структурно-конструктивным признакам, не служит для того, чтобы установить, какой из насосов и по какой причине отвечает в большей или меньшей мере своему назначению и мо­ жет быть рекомендован к производству.

Этот вопрос подлежит рассмотрению лишь после изучения изна­ шивания каждого вида насоса, что является для поршневых бу-

'ровых насосов важнейшим критерием оценки, анализируемым в последующих разделах книги на основе более глубокого освеще­ ния закономерностей абразивного изнашивания с учетом влияния структурно-конструктивных особенностей насосов и действия фак­ торов нагнетаемой среды.

Классификационная таблица позволяет при помощи перечня зключенных в нее признаков легко установить, известен ли тот или иной вид насоса из числа вновь разрабатываемых или осве­ щаемых в печати, к какому виду известных насосов он относится или чем он отличается от включенных в таблицу.

Классификация насосов, построенная по системе структурноконструктивных признаков, представляет собой видовую характе­ ристику семейства поршневых буровых насосов.

1 И. И. Артоболевский. Механизмы в современной технике, т. П. М., «Нау­ ка», 1971, с. 1008.

53

Г л а в а I I

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОРШНЕВОГО БУРОВОГО НАСОСА С ДВУМЯ ЦИЛИНДРАМИ ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КОМПОНОВКИ МЕХАНИЗМОВ НАСОСА

Поршневые буровые насосы независимо от тех или иных осо­ бенностей всегда включают два вида механизмов.

1.Механизм, предназначенный для того чтобы получить от постороннего источника, преобразовать и подвести энергию к по­ ступательно движущимся поршням.

2.Механизм, служащий для того чтобы при помощи цилинд-

ро-поршневого и клапанно-распределительного устройств повы­ сить давление и придать движению жидкости необходимое направ­ ление по соответствующим каналам.

Впрямодействующем насосе, относящемся к безвальным ви­ дам насосов, энергию пара или силовой жидкости получает в си­ ловой (приводной) части поршень, который двигается поступа­ тельно между двумя крайними положениями и жестко связан че­ рез шток с поршнем гидравлической части.

Вприводном насосе, получающем вращательный момент от

двигателя и относящемся к. вальиым насосам, имеются механиз­ мы, служащие для уменьшения скорости вращения и преобразо­ вания вращательного движения в поступательное движение пол­ зуна, соединенного штоком с поршнем гидравлической части.

Гидравлическая часть прямодействующего и приводного насо­ сов может быть взаимозаменяема.

Наиболее широко применяемым на практике является поршне­ вой приводной буровой насос с двумя цилиндрами двустороннего

54

действия, кривошипно-ползунным механизмом главного движения

.и зубчатым редуктором, встроенным между коренным и переда­ точным валами, из которых последний снабжен приводным шкивом пли цепным колесом на конце (рис. 20).

К приводной части насоса относятся: а) передаточный вал 3, получающий вращательный момент через трансмиссию от двига­ теля и передающий его коренному валу; б) зубчатый редуктор 5, •связывающий передаточный и коренной валы между собой; в) ко­

ю

а

Рис. 20. Принципиальная схема поршневого бурового насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия.

ренной вал 4 с кривошипно-ползунным механизмом 6, преобра­ зующим вращательное движение вала в поступательное движение ползуна, перемещающегося между двумя крайними положениями на длину хода s.

Перечисленные механизмы приводной части размещаются в закрытом корпусе, снабженном обработанными посадочными ме­ стами для подшипников и направляющих ползуна, полостями для механизмов и масляной ванны, отверстиями для прохода подвиж­ ных частей механизма и необходимыми крышками. Снаружи рас­ полагается шкив или цепное колесо.

г) поршневой шток.7 с его уплотнением; д) нагнетательный кол­ лектор 2 с пневматическим компенсатором и е) механизм крепле­ ния и уплотнения цилиндровой втулки. Все перечисленные узлы гидравлической части собраны в корпусе, снабженном внутренни­ ми полостями и каналами для прохода жидкости, клапанными ко­ робками для размещения клапанов, крышками, фланцами, обра­ ботанными посадочными местами для вставных деталей и для крепления к корпусу приводной части и раме-салазкам.

55

При сдвоенной косозубой передаче 12 требуется применениена опорах 14 подшипников, допускающих осевое перемещение пе­ редаточного вала 15, что снижает надежность и долговечность это­ го приводного механизма по сравнению с теми, в которых при­ меняется косозубая передача с закрепленным в осевом направле­ нии передаточным и коренным валами.

Опорные подшипники передаточного вала при этом — ролико­ вые двухрядные сферические. Один из двух подшипников воспри­ нимает осевую нагрузку, возникающую в зубчатом зацеплении. Необходимость сферических подшипников вызвана достаточно* большой длиной вала и его прогибом, что приводит к перекосу оси внутреннего кольца подшипника относительно наружного под на­ грузкой во время работы насоса. Коренные и мотылевые подшип­ ники эксцентрикового или кривошипного вала должны быть ко­ ническими двухрядными с перемещаемым вдоль оси наружным кольцом. Знакопеременная нагрузка на эти подшипники требует подтягивания наружных колец с целью устранения стуков, возни­ кающих после увеличения зазоров в процессе эксплуатации. Внут­

цилиндрические роликовые подшипники в мотылевых головках шатунов и на опорах коренного и передаточного валов.

Румынские насосы PN 1250 снабжены роликовыми цилиндриче­ скими подшипниками, установленными в ползуне, палец при этом закреплен в малой головке шатуна. Недостаток данной схемы — неудобство извлечения пальца при замене подшипников.

В зависимости от условий производства и эксплуатации на­ сосы изготовляют с литым чугунным корпусом приводной части (рис. 22) или сварным для большей жесткости часто двустен­ ным. Вес насоса уменьшается при сварном исполнении корпуса приводной части приблизительно на 8—10%, а трудоемкость из­ готовления его в серийном производстве увеличивается по срав­ нению с изготовлением литого корпуса.

Корпус гидравлической части может быть одной деталью для двух цилиндров или состоять из двух гидравлических коробок — одинаковых, взаимозаменяемых или разных, представляющих со­ бой зеркальное изображение друг друга, называемых правой и левой. У взаимозаменяемых гидрокоробок правого и левого ци­ линдров отверстие для лобовой крышки и корпуса уплотнения штока одинаковые. Размеры и вес корпуса уплотнения штока уве-

58

личены. Требуется перпендикулярность обоих торцов гидрокороб­ ки оси цилиндра.

Особые физические свойства, присущие промывочной жидко­ сти, и высокое давление ее нагнетания, являются причиной того,,

внутренней поверхности переносят на вставные детали, заменяе­ мые после износа.

Гидравлическая часть поршневого бурового насоса состоит по­ этому из корпусных деталей постоянного применения, ресурс ко­

центробежного насоса давление внутри приемного коллектора по­

минальное давление для приемного коллектора серийных насо­ сов в СССР 10 кгс/см2 .

Давление в насосных камерах гидравлического цилиндра из­ меняется от минимальной величины, близкой при всасывающем ходе поршня к давлению в приемном коллекторе, до максималь­ ной величины, равной давлению нагнетания при нагнетательном ходе поршня.

Давление в нагнетательном коллекторе изменяется в зависи­ мости от различных факторов в небольших пределах, характери­ зуемых степенью неравномерности давления нагнетания, которая по действующим нормам не должна превышать 7—12%.

Разрушающее давление устанавливаемой на насосе предохра­ нительной диафрагмы превышает номинальное давление, соответ­ ствующее диаметру сменной цилиндровой втулки, на 3,5—15,5%.

Корпусные детали, подвергающиеся действию переменного внутреннего давления, рассчитывают (с учетом влияния корро- зионно-активнон промывочной жидкости) на долговечность под действием циклических нагрузок, свойственных почти всем кон­ структивным элементам гидравлической части поршневого бу­ рового насоса. Прочность определяют расчетом и контролируют

60

пробном давлении, равном 1,5—2 наибольшего давления нагне­ тания.

Компенсаторы неравномерности, стабилизирующие движение жидкости в приемном и нагнетательном трубопроводах, распола­ гаются возможно близко к гидравлическим цилиндрам, чтобы уменьшить массу жидкости, движущейся с переменной скоростью в пределах гидравлической части насоса между компенсаторами: подводящих, отводящих каналах и насосных камерах. Близость всасывающего компенсатора к насосным камерам улучшает вса­ сывающую способность насоса.

Скорости движения промывочного раствора в каналах при­ емного коллектора, насосных цилиндрах и нагнетательном кол­ лекторе выбирают так, чтобы механическое воздействие абразив­ ных зерен, содержащихся в промывочной жидкости, не приводило детали в негодность за время эксплуатации насоса, т. е. прежде

В конструкции корпусных деталей предусматривают возмож­ ность неоднократного их ремонта и полного восстановления ра­ ботоспособности после каких-либо повреждений.

Вставные сменные детали служат для защиты корпусных де­ талей от изнашивания. Сменные детали должны быть установле­ ны и закреплены в строго определенном положении относительносоответствующей корпусной детали. Монтаж новых сменных де­ талей и демонтаж изношенных не должен быть длительным и трудоемким.

Свойством сменных деталей является их парность. Одна из де­ талей каждой пары закреплена в корупсе, а другая при работе пе­ ремещается относительно нее.

К сменным деталям поршневого бурового насоса относятся: а) цилиндровая втулка, в которой работает поршень; б) корпус

ным уплотиительным устройством, в котором положение уплот­ няемой и уплотняющей деталей зафиксировано, между ними нет проскальзывания. Абсолютно герметичным называют соединение,, которое не допускает утечки через него жидкости. Герметичность соединения является свойством неподвижных уплотнительных уст­

61*