§ 8. ГИДРОБУРЫ

 

  Главная      Учебники - Разные     Буровые машины и механизмы (Лесецкий В.А.) - 1980 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     50      51      52      53     ..

 

 

 

ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 8. ГИДРОБУРЫ

Принцип действия и устройство гидробура

Гидробур представляет собой гидравлический забойный агрегат с гидравлическим винтовым двигателем объемного действия, приводимый в действие потоком бурового раствора, который закачивается в бурильную колонну с поверхности насосами (рис. XIII.16).

Гидравлический винтовой двигатель гидробура состоит из статора и эксцентрично расположенного винтового ротора, представляющего собой как бы зубчатую пару с внутренним зацеплением с винтовыми зубьями. Число зубьев статора на один больше зубьев ротора, что позволяет ему совершать планетарное движение, как бы обкатываясь по зубьям статора, ось ротора при этом движется по окружности с диаметром, равным двойному эксцентриситету е. Для соединения ротора с валом шпинделя, соосно расположенного с корпусом, служит шарнирная муфта, компенсирующая эксцентриситет.
 

 

Шпиндель гидробура сходен по конструкции со шпинделем турбобура. Он укреплен на радиальных резино-металлических подшипниках и снабжен пятой для восприятия осевой нагрузки. Вал шпинделя пустотелый, в верхней части снабжен каналами для прохода жидкости к долоту, присоединяемому через переводник к нижней части вала гидробура. Корпус гидробура через переводник прикрепляется к нижней части бурильной колонны.

По принципу действия винтовые двигатели (рис. XIII. 17) относятся к объемным роторным машинам. Основными элементами рабочих органов таких машин являются:

статор — корпус с полостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давлений;

ведущий ротор — винт, вращающий момент которого передается валу шпинделя;

замыкатели винтовой поверхности, предназначенные для герметизации рабочих органов и предотвращения перетекания жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давления. 

 

 

 

Рис. XIII.16. Гидробур с винтовым двигателем Д2-172:
1, 2 — винтовой статор н ротор; 3 — двухшарнирное соединение; 4— вал шпинделя; 5 — корпус; 6 — шариковая осевая опора; 7 — радиальный резинометаллический подшипник; 8 — торцевой сальник

Рис. XIII.17. Рабочие органы винтового гидродвигателя: 1 — винтовой ротор; 2 — статор; I—V — осевые сечения

 

 

 

 

Рис. XIII 18. Кинематика рабочих органов винтового двигателя с различным числом зубьев:

 

 

 

 

 

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с областями высокого и низкого давлений, называются камерами, а замкнутые полости — шлюзами. В поперечном сечении имеются камеры, разделенные между собой контактной линией. Каждая камера по мере вращения периодически связывается с полостями высокого и низкого давлений и в каждый заданный момент времени -становится шлюзом. Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находящихся выше и ниже рабочих органов.

Поверхности винтовых зубьев ротора и статора, взаимно пересекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют свободному перетоку жидкости. Под действием перепада давления жидкости на ведущем винте образуется вращающий момент, передаваемый на вал шпинделя. Чем больше перепад давления на двигателе, тем больше вращающий момент. По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневым гидравлическим двигателем, снабженным поршнем, перемещающимся вдоль оси ротора по винтовой линии. Роль поршня выполняют отсекающие поверхности винтового ротора.

В каждом поперечном сечении кинематика рабочих органов характеризуется двумя начальными окружностями а и β

(рис. XIII.18). В винтовых машинах ротор совершает планетарное движение. Смещение оси ротора относительно оси статора называется эксцентриситетом е двигателя.

 

Однозаходный ротор не симметричен относительно центра своей начальной окружности. Сечение ротора представляет собой круг с центром О1, а сечение статора — овал, симметричный относительно точки О2. Винтовые двигатели с однозаходным ротором довольно просты по конструкции и поэтому широко применяются в различных отраслях промышленности.

Винтовые роторные двигатели имеют ряд преимуществ, что позволило использовать их как гидравлические забойные двигатели:

1) отсутствие клапанных или золотниковых распределителей потока жидкости;

2) отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары ротор — статор;

3) непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку бурового раствора удалять абразивные частицы из камер и шлюзов. 

Условия создания шлюзов в паре ротор — статор объемных винтовых двигателей следующие:

 
число зубьев или заходов статора Z1 должно быть на единицу больше зубьев ротора z2

отношение шага зубьев статора Т к шагу зубьев ротора t должно быть пропорционально отношению их числа, т. е.
T/t = z1/z2.
Отношение чисел зубьев ротора и статора называется передаточным отношением:
(XIII.51)
u = z1/z2.

Теоретически винтовой двигатель может иметь любое передаточное отношение.

Двигатели с малозаходными винтовыми механизмами развивают большие частоты вращения при небольшом вращающем моменте. По мере увеличения числа заходов ротора вращающий момент увеличивается и снижается частота вращения. Это объясняется тем, что винтовой механизм с многозаходным ротором выполняет роль двигателя и одновременно редуктора, передаточное отношение которого пропорционально числу заходов ротора.

 

Основные параметры винтовых гидродвигателей

Вращающий момент. При анализе рабочего процесса винтового двигателя рассматривается действие перепада давления жидкости в камерах пары ротор — статор на длине одного шага статора, так как на этой длине происходит разобщение камер с полостями высокого и низкого давлений, которые расположены выше и ниже рабочих органов. В каждом поперечном сечении на длине шага ротора возникает неуравновешенная гидравлическая сила R1, действующая на центр вращения ротора (рис. XIII.19).

В двигателях с многозаходным ротором площадка, на которую действует гидравлическая сила, непостоянна по длине шага. Если провести второе сечение на некотором расстоянии от рассматриваемого, то возникает гидравлическая сила на единице длины рабочего органа. Вращающий момент (в Н • м) на длине шага ротора

 

 

 

 

 

Однозаходные винтовые двигатели являются высокоскоростными, поэтому более рациональными являются многозаходные винтовые механизмы. В частности, для получения частоты вращения выходного вала двигателя в пределах 100—200 об/мин число заходов ротора должно быть не менее восьми. В двигателях Д2-172 выбрано число заходов ротора, равное девяти.

Характеристика забойного винтового гидродвигателя

Энергетические параметры винтового гидравлического двигателя определяются его передаточным отношением, перепадом давления и расходом рабочей жидкости. При постоянном расходе Q двигатель характеризуется изменением вращающего момента М от перепада давления Δр, частоты вращения n вала шпинделя, мощности N и к. п. д. η).

На рис. XIII.20 приведена рабочая характеристика винтового забойного двигателя Д2-172.

Рис XIII 20 Рабочая характеристика винтового забойного двигателя Д2-172 при постоянном расходе 



Наибольшая частота вращения соответствует режиму холостого хода, а максимальный вращающий момент — режиму торможения при n=0. Запуск двигателя происходит при перепаде давления 1—2 МПа. Это давление расходуется на механические и гидравлические потери. При увеличении момента торможения перепад давления возрастает, одновременно повышаются мощность и к. п. д.

Режим максимальной мощности называется эффективным, а наивысшего к. п. д. — оптимальным. Обычно в этих двигателях они не совпадают. Зона устойчивой работы двигателя находится между этими режимами при частотах вращения 50— 100 об/мин. В рабочем режиме гидромеханический к. п. д. составляет 0,4—0,5, объемный — 0,8—0,9, а общий достигает 0,50—0,55.

При достижении предельного момента торможения вал двигателя останавливается, а величина давления определяется герметичностью пары ротор — статор. При нарушении герметичности раствор протекает через двигатель.

В рабочей области от режима холостого хода до оптимального частота вращения n прямо пропорциональна расходу Q, поэтому при изменении расхода Q1 на Q2 частота определяется как

n2=n1*Q2/Q1

С увеличением расхода раствора диапазон устойчивой работы двигателя расширяется. В винтовых двигателях частота вращения зависит от величины вращающего момента.

В этих двигателях по мере их износа при эксплуатации характеристики их ухудшаются. Это объясняется повышением утечек жидкости через зазоры по мере их увеличения при износе. Износ ротора и статора по выступам и профилю зубьев приводит к нарушению герметичности рабочей пары, увеличению объемных потерь и снижению нагрузочной характеристики. Износ рабочей пары определяет межремонтный срок службы двигателя, составляющий 50—200 ч в зависимости от качества двигателя и свойств бурового раствора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     50      51      52      53     ..