2.3 Гидравлическая часть насоса

В гидравлической части бурового насоса происходит передача энергии через трансмиссию, штоки и поршни к жидкости и перемещение ее из входной линии в выходную. Структурная часть гидравлической части может быть выполнена весьма разнообразна.

Преимуществом гидравлической части насосов одностороннего действия является то, что поршень находится в контакте с буровым раствором только с одной стороны, что позволяет при ходе нагнетания обмывать зеркало цилиндра для удаления абразивных частиц, охлаждать и смазывать его. При износе уплотнения поршня нет перетока жидкости из одной камеры насоса в другую, как в насосах двухстороннего действия. Износ уплотнения поршня виден по утечке раствора наружу. Отсутствие второй камеры со штоком исключает применение сальника штока и его износ. Шток поршня работает только на сжатие, что упрощает конструкцию.

Конструктивно гидравлические части буровых насосов выполняют весьма разнообразно. Он различаются расположением и конструкцией клапанных, поршневых и цилиндро-втулочных устройств.

До настоящего времени выпускались трехпоршневые насосы с гидравлическими коробками трех типов. Наиболее удачна была конструкция гидравлической коробки с разноосным ступенчатым расположением всасывающего и нагнетательного клапанов с раздельными крышками, обеспечивающими независимые установку и извлечение клапанов и демонтаж цилиндровой втулки в сторону трансмиссионной части насоса. Элементы гидравлической части насоса одностороннего действия представлены на рисунке 4.

Второй тип - гидравлическая коробка, имеющая вертикальное расположение всасывающего и нагнетательного клапанов, установленных на одной оси. Нагнетательный клапан, расположенный сверху, извлекают через клапанную крышку, а всасывающий клапан, расположенный внизу, вынимают через лобовую крышку цилиндра. В насосах с такой гидравлической коробкой цилиндровую втулку можно извлечь через лобовую крышку и в сторону трансмиссионной части.

Третий тип - гидравлическая коробка с разноосным ступенчатым расположением клапанов и независимым извлечением клапанов и цилиндровых втулок через лобовую крышку. Коробка такой конструкции не получила распространения в виду сложности конструкции.

2.4 Конструирование элементов гидравлической части насоса

Основные элементы гидравлической части бурового насоса - гидравлическая коробка, входной выходной коллекторы, цилиндровые втулки, поршни, штоки и клапаны.

Гидравлическая коробка может быть изготовлена из стали литой, кованой или сварной из отдельных элементов. Литая гидравлическая коробка насоса изображена на рисунке 5. Преимущество такой коробки - простота изготовления, малая масса при больших давлениях.

1 - гидравлическая кованая коробка; 2, 4 - выходной и входной коллекторы; 3, 5 - крышка и стакан 4 -клапанной коробки

Рисунок 4 - Элементы гидравлической части трехцилиндрового насоса одностороннего действия

Цилиндровая втулка буровых насосов является одной из наиболее ответственных сменных деталей насоса. Для каждого насоса предусматривается комплект втулок, отличающихся внутренними диаметрами, что позволяет ступенчато регулировать подачу насоса. Для изменения подачи в насосах с нерегулируемым приводом применяют втулки четырех, пяти и более промежуточных диаметров.

В крайних положениях кромки поршня не должны доходить до торцов цилиндрической втулки на 20 - 25 мм, чтобы было гарантировано расположение поршня внутри цилиндровой втулки с учетом ее возможных смещений при эксплуатации в связи со сменой или подтяжкой уплотнения.

Наружная часть втулок изготавливается цилиндрической с упорным буртом для ее фиксации от осевых перемещений или гладкой снаружи. В насосах одностороннего действия гладкая снаружи втулка от осевых перемещений фиксируется торцом со стороны штока поршня или различными фиксирующими устройствами. Размеры цилиндровых втулок нормализованы. В зависимости от конструкции упорный бурт располагается в различных частях по длине втулки.

Для уменьшения износа внутреннюю поверхность втулки тщательно шлифуют и хонингуют. Шероховатость поверхности 0,25.

В настоящее время для насосов, работающих при высоких давлениях (более 20 МПа), цилиндровые втулки выпускают "двухслойными", т.е. внутренняя часть изготавливается центробежным литьем из высокохромистых отбеленных чугу-нов марки 260X28.

В настоящее время для насосов, работающих при высоких давлениях (более20 МПа), цилиндровые втулки выпускают "двухслойными", т.е. внутренняя часть изготавливается центробежным литьем из высокохромистых отбеленных чугунов марки 260X28.

Рисунок 5 - Литая гидравлическая коробка насоса

Крепление и уплотнение втулки в гидравлической коробки должно обеспечивать:

• неподвижность втулки;

• герметичность посадки в расточке гидравлической коробки, исключающую возможность протока раствора между наружной ее поверхностью и корпусом;

• герметичность при многократной смене втулок;

• сигнализацию о появлении утечки раствора.

Сложность этого узла состоит в том, что необходимо уплотнять и закреплять два элемента - крышку цилиндров и втулку одновременно.

При ходе нагнетания между движущимся поршнем и втулкой возникают силы трения, стремящиеся вытолкнуть втулку в направлении движения поршня, однако при этом в камере повышается давление жидкости, стремящееся вытолкнуть втулку в обратном направлении с силой, равной произведению этого давления на площадь сечения тела втулки.

В насосах одностороннего действия это усилие прижимает упорный торец втулки к торцу расточки гидравлической коробки под цилиндр или к фиксатору, поэтому уплотняющий элемент располагают со стороны жидкости. Поршень бурового насоса не только обеспечивают уплотнение и длительную службу, но и быструю смену его при изменении диаметра втулки или при износе. Он состоит из стального стержня и одной или двух съемных или привулканизированных к нему манжет.

Увеличение диаметра уплотняющей передней части ("губы") манжет поршня относительно диаметра отверстия втулки создает предварительный натяг, обеспечивающий правильное действие его самоуплотняющейся манжеты. Под давлением жидкости резина поршневой манжеты еще плотнее прижимается к рабочей поверхности цилиндровой втулки, создавая надежное уплотнение. Наружный диаметр "губы" манжеты в свободном состоянии должен быть на 2 - 3 мм больше внутреннего диаметра втулки. Длина конической части "губы" манжеты составляет 25 - 27 мм при общей длине поршня 135-150 мм.

Поршни имеют различную конструкцию. Опорная часть поршня насоса одностороннего действия - резинотканевая с подкладкой из полиуретана или резины. Конструкция обеспечивает большую стойкость манжеты и ее легкую смену при ремонтах. Внутренняя часть уплотняется сжатием торца манжеты шайбой. Поршень со стороны штока иногда имеет дополнительную манжету для очистки цилиндра.

Шток бурового насоса, присоединяемый к ползуну и поршню, служит для передачи мощности от приводной части к гидравлической.

В насосах одностороннего действия штоки изготавливают из среднеуглеродистых сталей без упрочнения поверхностей, так как он не изнашивается сальником.

Штоки ползунов изготавливают из углеродистых сталей 40, 40Х и других без упрочняющей термической обработки.

Элементы сборных штоков буровых насосов большой мощности соединяют на конических резьбах, что позволяет быстро свинчивать и развинчивать соединения при сменах поршня. Резьба имеет цилиндрическую часть, на которую навинчивается контргайка.

Размеры штоков и резьб выбирают по данным их расчета на прочность.

Клапаны насосов предназначены для периодического открытия и закрытия всасывающих и нагнетательных отверстий цилиндров. В буровых поршневых насосах применяют самоподъемные клапаны тарельчатого типа, т. е. с одной выходной щелью.

Клапан состоит из седла, тарели с направляющим штоком, уплотнения, элементов крепления и пружины. Уплотняющая поверхность коническая с углом наклона 30 - 60°С.

При прокачке буровых растворов, содержащих абразивные частицы, особенно при прокачке утяжеленных растворов, срок службы клапанов сильно сокращается, в ряде случаев вместо 300 - 500 часов составляет 20 - 30 часов. Поэтому конструкция клапанов, клапанных коробок и их крышек должна допускать быструю их смену, ремонт и осмотр. Для удобства эксплуатации и изготовления всасывающие и нагнетательные клапаны выполняются взаимозаменяемыми.

Клапаны должны обеспечивать безударную посадку на седло при переменных режимах работы и иметь минимальные гидравлические потери. Он должен иметь надежное направление, обеспечивающее точную посадку на седло одновременно по всей поверхности посадочного пояска. Тарель должна быть возможно легкой, а посадочный конический поясок узким. В насосах, работающих при давлениях более 20 МПа, на тарель клапана действуют большие силы (300 -400 кН), в результате чего на посадочном пояске возникают высокие удельные нагрузки, приводящие к его быстрому износу. В этих случаях лучше применять клапан, в котором предусмотрена его посадка одновременно как на уплотняющий поясок, так и на нижнюю плоскость поверхности тарели и на ребра седла.

В насосах с небольшими нагрузками на клапан, одновременную посадку клапана на седло и ребра не осуществляют, чтобы упростить изготовление. Наиболее ответственным элементом, определяющим долговечность клапана, является конструкция уплотняющего кольца и посадочных поверхностей седла и тарели. Формы узла сопряжения этих трех элементов должны так сочетаться с твердостью уплотняющего кольца и давлением, чтобы не вызывать чрезмерных деформаций и износа какого - либо из его элементов под действием переменных циклических нагрузок.

Надо учитывать, что пластические материалы и резины при всестороннем сжатии жидкостью почти не меняют своего объема, но легко меняют форму и заполняют свободное пространство под действием сил, создаваемых разностью давлений.

Если тарель клапана садится на седло раньше, чем уплотняющее кольцо, то раствор, прорываясь в щель клапана, быстро размывает металлические посадочные поверхности. Если же уплотняющее кольцо садится на седло раньше тарели, то под действием давления пластичный материал будет вдавлен в щель и его уплотняющая кромка быстро разрушится. Величина щели между тарелью и седлом зависит от размера зерен твердых частиц прокачиваемого раствора. Поэтому в настоящее время уплотняющие кольца для высоких давлений делают большого сечения со скругленными краями из жестких пластмасс типа полиуретана или синтетических резин, иногда армированных тканью.

Конструкция сопряжения уплотняющего элемента представлена на рисунке 6.

Крышка клапанной коробки служит не только для того, чтобы закрывать отверстия клапанной коробки, но и центрировать верхнюю втулку штока клапана и обеспечивать легкий доступ и быструю смену клапана. Конструкция крышки клапанной коробки представлена на рисунке 7.

1 - седло; 2 - тарелка; 3 - кольцо уплотняющее; 4 - диск нажимной; р - давление; Do - диаметр отверстия седла; dh - диаметр седла наружный

Рисунок 6 - Конструкция сопряжения уплотняющего элемента

1 - гидравлическая коробка; 2 - втулка; 3 - гайка; 4 - поршень; 5,6 - кольцо уплотнительное; 7 - клапан; 8 - пружина; 9 - втулка; 10 - уплотнение; 11 - шток

Рисунок 7 - Конструкция крышки клапанной коробки

3. Расчет основних параметров насоса

4. Выбор базовой модели насоса

В качестве базовой модели выбираем трехпоршневой насос одностороннего действия УНБТ - 950. Параметры базового насоса представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры насоса У8-6МА2

Параметры	Насос У8-6МА2
Мощность, кВт: Полезная Приводная	500 585
Число двойных ходов поршня	325
Длина хода поршня, м	0,4
Подача, л/с: Наибольшая Наименьшая	50,9 18,9
Давление нагнетания, МПа: Наименьшее Наибольшее	14,2 32,0
Масса насоса со шкивом, кН	277