Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Винтовые забойные двигатели устройство и принцип работы

Винтовые забойные двигатели устройство и принцип работы

Показатели отработки 28-ми ВЗД в Республике Казахстан

Средний межремонтный
период 281 часов

Новости

Предприятие приняло участие в 3-ей конференции «Импортозамещение», организованной ПАО «Варьеганнефтегаз». Выступление нашего представителя с докладом на одной из секций конференции «Бурение и заканчивание скважин» крайне заинтересовало представителей ПАО «Варьеганнефтегаз» и ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз». Достигнуто взаимопонимание с генеральными заказчиками о дальнейших шагах по внедрению инновационных продуктов, разработанных специалистами нашего предприятия.

Винтовые забойные двигатели

Впервые идея создания ВЗД на базе многозаходного винтового героторного механизма была предложена в Пермском филиале ВНИИБТ в начале 60х годов. В 1966 году идея была запатентована. Дальнейшие работы проводились совместно с ВНИИБТ. Пермский филиал ВНИИБТ изготовил первый макетный образец диаметром 42 мм, затем был изготовлен опытный образец ВЗД диаметром 172 мм с заходностью рабочих органов 9/10 и успешно испытан в скважине. В последующие годы были разработаны и освоены в производстве все типоразмеры ВЗД от 42 мм до 240 мм.

Новая российская разработка получила широкое международное признание.

В начале 1980-х годов лицензии на изготовление были проданы фирме Drilex. В начале 1990-х годов срок действия проданных лицензий истёк и в настоящее время в мире насчитывается более 30 компаний занимающихся изготовлением многозаходных рабочих органов для ВЗД.

С тех пор, за 47 лет существования ВЗД прошли эволюционный путь развития, превратившись в одно из самых эффективных технических средств для бурения скважин.

Появление моментоёмких долот PDC с большим ресурсом работы поставило новые требования к характеристикам рабочих органов. В последние годы ведущим производителям удалось значительно увеличить крутящий момент и ресурс работы за счёт увеличения длины рабочих органов. При этом ресурс работы рабочих органов значительно превышал межремонтный период шпинделей ВЗД.

Наше предприятие разработало более мощные и надёжные конструкции шпинделей, что позволило нам производить ВЗД с повышенным ресурсом работы и гарантировать самый высокий межремонтный период среди оборудования российских производителей.

Особое внимание наше предприятие уделяет безаварийной работе выпускаемых ВЗД. Каждый двигатель имеет два противоаварийных устройства:

  • противоаварийное устройство на валу шпинделя, которое, в случае поломки вала в тонкой части, не позволит выпасть валу из корпуса шпинделя;
  • верхний переводник (переводник безопасности) имеет ловильное устройство для вытаскивания за ротор частей ВЗД в случае поломок или отворота резьбы.

На сайте представлены производимые нами ВЗД, которые наиболее востребованны нашими заказчиками.

Добыча нефти и газа

Изучаем тонкости нефтегазового дела ВМЕСТЕ!

Забойные двигатели

При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели , преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые – винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора .

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор , где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

Работа турбины характеризуется частотой вращения вала n , вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления DР и коэфициентом полезного действия h.

Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n , тем меньше М, и наоборот.

В этой связи различают два режима работы турбины: тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения , и холостой, когда n достигает максимального , а М=0. В первом случае необходимо к валу турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором – совершенно снять нагрузку.

Максимальное значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0.

Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения называется экстремальным. Все технические характеристики турбобуров даются для значений экстремального режима. В этом режиме работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n

и, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура.

Режим, при котором коэфициент полезного действия h турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме , т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине DР минимальны.

При выборе профиля лопаток турбины стремятся найти такое конструктивное решение, чтобы при работе турбины кривые максимальных значений N и h располагались близко друг к другу. Линия давления DР таких турбин располагается почти симметрично относительно вертикали, на которой лежит максимум мощности.

Таким образом, при постоянном расходе бурового раствора Q параметры характеристики турбины определяются частотой вращения ее ротора n, зависящей от нагрузки на вал турбины (на долото).

При изменении расхода бурового раствора Q параметры характеристики турбины изменяются совершенно по другому.

Пусть при расходе бурового раствора Q1 и соответствующей этому значению частоте вращения ротора турбины n1 при оптимальном режиме турбина создает мощность N1

и вращающий момент М1 , а перепад давления в турбине составляет DР1. Если расход бурового раствора увеличить до Q2 , параметры характеристики турбины изменятся следующим образом:

N1 / N2 = (Q1 / Q2)3

М1 / М2 = (Q1 / Q2)2

DР1 / DР2 = (Q1 / Q2)2

Видно, что эффективность турбины значительно зависит от расхода бурового раствора Q. Однако увеличение расхода Q ограничивается допустимым давлением в скважине.

Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению плотности бурового раствора r.

N1 / N2 = М1 / М2 = Р1 / DР2 = r1 / r2

Частота вращения ротора турбины n от изменения плотности r не зависит.

Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению числа ступеней.

ГОСТ 26673-90 предусматривает изготовление бесшпиндельных (ТБ) и шпиндельных (ТШ) турбобуров.

Турбобуры ТБ применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

Значительное снижение потерь бурового раствора достигается в турбобурах, нижняя секция которых, названная шпинделем, укомплектована многорядной осевой опорой и радиальными опорами, а турбин не имеет.

Присоединяется секция шпиндель к одной (при бурении неглубоких скважин), двум или трём последовательно соединённым турбинным секциям.

Поток бурового раствора, пройдя турбинные секции, поступает в секцию – шпиндель, где основная его часть направляется во внутрь вала шпинделя и далее к долоту, а незначительная часть – к опорам шпинделя, смазывая трущиеся поверхности дисков пяты и подпятников, втулок средних опор и средних опор. Благодаря непроточной конструкции опор и наличию уплотнений вала, значительно уменьшены потери бурового раствора через зазор между валом шпинделя и ниппелем .

Для бурения наклонно – направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры – отклонители типа ТО.

Турбобур – отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником.

Для бурения с отбором керна предназначены колонковые турбобуры типа КТД, имеющие полый вал , к которому через переводник присоединяется бурильная головка . Внутри полого вала размещается съёмный керноприёмник . Верхняя часть керноприёмника снабжена головкой с буртом для захвата его ловителем, а нижняя – кернорвателем, вмонтированным в переводник . Для выхода бурового раствора, вытесняемого из керноприёмника по мере заполнения его керном, вблизи верхней части керноприёмника имеются радиально расположенные отверстия в его стенке, а несколько ниже их – клапанный узел . Последний предотвращает попадание выбуренной породы внутрь керноприёмника, когда он не заполняется керном, и в это время клапан закрыт.

Читать еще:  Что такое сапун в дизельном двигателе

Керноприёмник подвешан на опоре , установленной между переводником к БК и распорной втулкой . Под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбобуре и долоте, и сил собственного веса, керноприёмник прижимается к опоре и во время работы турбобура не вращается.

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор и ротор .

Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.

Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично

Кинематическое отношение винтовой пары 9: 10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резино – металлическими опорами . К валу шпинделя присоединяется долото . Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

ВЗД изготовляют согласно ТУ 39-1230-87.

Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора следующая . По мере роста момента М перепад давления в двигателе Р увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении – резко. Зависимости изменения мощности двигателя и К.П.Д. от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью – экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

Характер изменения от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым.

Значения при увеличении растут почти линейно, — несколько уменьшается, а возрастает по зависимости, близкой к квадратичной.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Обзор существующих технологий управления отработкой винтовых забойных двигателей при бурении скважин

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 14.11.2016 2016-11-14

Статья просмотрена: 1211 раз

Библиографическое описание:

Ахметжан, С. З. Обзор существующих технологий управления отработкой винтовых забойных двигателей при бурении скважин / С. З. Ахметжан, Т. Е. Жуманов, Нурлан Бекенулы Жаумитов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 23 (127). — С. 27-30. — URL: https://moluch.ru/archive/127/35154/ (дата обращения: 31.08.2021).

В данной работе описываются проблемы, возникающие при бурении, и современные технологии управления отработкой винтовыми забойными двигателями.

Ключевые слова:строительство скважины, управление обработкой ВЗД, установки подачи давления, совершенствование технологии бурения

Технология бурения — это трудоемкий процесс строительства скважины, и требует от персонала постоянного контроля за режимом бурения, но главное не столько сам контроль, столько правильность выбора контролируемого параметра. Техника, применяемая при бурении скважин, постоянно совершенствуется, растет мощность буровых установок, в связи с чем, растут и риски поломок инструмента от перегрузок, не редкие случаи, когда забойные двигатели, обладающие большой мощностью разрушают собственные узлы от того, что не соблюдался надлежащий контроль величины расходуемой энергии, при этом нарушения в части осевой нагрузки отсутствуют. Это происходит по причине устаревших нормативных требований, где главным параметром является вес на крюке.

Рост коммерческой скорости бурения скважин напрямую зависит от эффективности применения технологий, а повышение механической скорости проходки (МСП), рассматривается, как базовый источник сокращения затрат на бурение. Для повышения МСП необходимо совершенствовать существующие технологии бурения.

Теоретические основы и принципы управления отработкой винтового забойного двигателя (ВЗД) изучаются довольно давно. В настоящее время проблема подведения и поддержания заданной нагрузки на долото может быть решена доступными средствами на базе использования особенностей характеристик ВЗД, отражающих их взаимосвязь с основными параметрами режима бурения (дифференциальный перепад давления на ВЗД, осевая нагрузка, расход бурового раствора и др.).

Дифференциальный перепад давления — разность холостого давления (без нагрузки, давление на стояке) и рабочего давления (в режиме бурения):

‒ забойных гидравлических нагружателей и вибраторов;

‒ автоматизированных систем управления режимом бурения (АСУ РБ) с оптимальными схемами и параметрами регулирования.

В разрезе изучения средств управления отработкой ВЗД и вопросов регулирования и передачи осевой нагрузки на забой, отмечается, особые условия бурильной колонны, и ограниченная информативность управления процессом по наземным параметрам способствует зависанию инструмента в скважине, особенно в глубоком и наклонно-направленном бурении [1].

По один из наиболее эффективных способов борьбы с зависанием бурильной колонны и решения проблемы создания осевой нагрузки на долото — отказ от традиционного нагружения за счет веса колонны труб и введение в компоновку низа бурильной колонны (КНБК) забойного механизма подачи. Рядом компаний разрабатываются различные механизмы подачи долота, выполненные в виде гидравлического нагружателя телескопического типа, ходящего в состав КНБК.

Применение гидравлического нагружателя обеспечивает следующие эксплуатационные преимущества в процессе бурения:

‒ автоматическую подачу долота, исключающую зависание бурильной колонны на стенках скважины на невертикальных участках профиля.

‒ увеличение механической скорости и ресурса работы долота.

‒ снижение числа отказов и повреждений ВЗД, телеметрической системы и бурильной колонны вследствие демпфирования вибрации долота.

Другое перспективное направление проблемы зависания бурильной колонны — генерирование продольных и поперечных колебаний в КНБК. В данном направлении отмечается осциллятор. Осциллятор создает продольные колебания в КНБК в процессе бурения наклонно-направленных и горизонтальных участков скважин профиля скважин. Осциллятор располагается над забойным двигателем.

Существует автоматизированный комплекс управления для штатных регуляторов подачи долота, на основании эволюции сигналов давления в напорной линии и нагрузки на крюке поддерживает заданный диапазон крутящего момента ВЗД. Поддержание осуществляется автоматического управления скоростью подачи бурового инструмента.

Существует автоматизированная пневмомеханическая система. Система основана на базе ленточного тормоза буровой лебедки. Исполнительным механизмом выступает пневмомотор, воздействующий на рычаг тормоза, через подъемный блок и трос.

Предложен и апробирован на практике способ управления отработкой ВЗД по реакции приводного двигателя бурового насоса на изменение нагрузки на его валу при отклонении крутящего момента ВЗД от заданного. Данный способ не предполагает измерения давления нагнетания и не требует специальных датчиков давления, а основан на регистрации нагрузки приводного двигателя средствами, входящими в штатную систему управления буровой установки. В алгоритме используется метод «дерева возможных ситуаций» [2].

‒ для поддержания оптимальной подачи насоса в процессе углубления скважин с учетом гидравлических характеристик забойных исполнительных устройств;

‒ для оптимизации оптимальных гидродинамических режимов течения жидкости в скважине (оптимальных частот ходов насоса), обеспечивающих минимум неравномерности расхода и давления по длине напорной линии, что способствует более равномерному вращению вала ВЗД, стабилизирует динамический режим системы «ВЗД — долото — горная порода», улучшает условия эксплуатации забойного телеметрического комплекса.

Основы и принципы управления отработкой винтового забойного двигателя находят отражение в известных запатентованных способах и системах:

Читать еще:  Что такое ранее зажигание в двигателе

1) Система автоматического процесса бурения, содержащая датчики механической скорости и осевой нагрузки и экстремальный регулятор. Автоматический поиск режима бурения ведется по осевой нагрузке;

2) Способ управления работой в скважине, при котором осуществляют построение модели процесса бурения. В процессе получают множество результатов измерений условий бурения, осуществляют определение оптимальных параметров и передачу в систему управления наземным оборудованием;

3) Способ бурения на основе механической удельной энергии (MSE). При бурении используют нагрузку на долото, выбранную на основе автоматизированного сравнения оптимальной MSE;

4) Способ автоматизации подачи долота — над долотом устанавливается устройство (с проточными отверстиями). Осевую нагрузку на долото при бурении определяют по перепаду давления в циркуляционной системе;

5) Автоматизация процесса бурения осуществляется с помощью регулятора подачи бурового инструмента, который снабжен датчиком давления, индикатором давления, задатчиками рабочего и предельно допустимого давления. При использовании регулятора контролируется давление в манифольдной линии, и в зависимости от буримых пород автоматически меняется скорость подачи инструмента;

6) Способ регулирования процесса бурения основанный на задании режима бурения, времени прогнозирования момента подъема долота, измерении механической скорости проходки и времени бурения, поддержании заданного оптимального значения нагрузки на долото;

7) Метод оценки выходной мощности ВЗД в забойных условиях. В методе предлагается последовательность процедур и расчетные зависимости для установления заданного режима бурения по показаниям давления на стояке при различных расходах бурового раствора.

Рис. 1. Функциональная схема АСУ РБ для установок с тиристорным электроприводом постоянного тока (ТЭП) и регулятора подачи электрического (РПДЭ) [3]

Сегодня также известно множество различных технологий управления отработкой ВЗД.

Все известные установки подачи давления (УПД) разделяются на четыре основные группы:

1) Автоматы подачи, работающие в зависимости от выделяемой на бурение мощности;

2) Автоматы подачи, работающие в зависимости от натяжения талевого каната (нагрузки на долото);

3) Регуляторы подачи, осуществляющие равномерную подачу инструмента (регуляторы отличаются от автоматов подачи в основном тем, что у них отсутствует реверс бурильной колонны);

4) Стабилизаторы веса, осуществляющие подачу инструмента при постоянстве заданной осевой нагрузке на долото;

Существует ряд конструкций УПД. Например, регулятор подачи электрический (РПД-Э) обеспечивает: поддержание заданного значения осевой нагрузки на долото и поддержание постоянной скорости подъёма или подачи бурильной колонны. Параметры — (скорость) задаются с пульта управления. Также существующие тормозные системы буровых лебедок предназначены для плавной подачи бурильной колонны по мере углубления скважины. Системы классифицируются на:

‒ Электромагнитные тормоза. [4]

Принцип действия тормоза основан на том, что при подаче постоянного напряжения на катушки возбуждения появляется магнитный поток статора. Путем регулирования тока возбуждения можно плавно изменять величину тормозного момента. Принцип действия РПД-Э также основан на воздействии на обмотку возбуждения моторгенератора, вращаемого асинхронным электродвигателем.

В результате проведенного исследования, по рассмотренной тематике управление отработкой ВЗД в процессе бурения, изучены основные подходы, реализованные в известных моделях автоматизации процесса бурения.

Основным моментом при управлении отработкой ВЗД с переменным перепадом давления необходимо учитывать гидромеханические эффекты с положительной обратной связью (бурильная колонна — ВЗД — долото), в которой увеличение крутящего момента (например, при вхождении долота в пропласток менее прочных пород) приводит к росту перепада давления в ВЗД, что в свою очередь сопровождается удлинением бурильной колонны и как следствие приводит к соответствующему увеличению осевой нагрузки на долото и еще большему росту крутящего момента.

Применение регулятора подачи бурового инструмента способно осуществить эффективное управление отработкой ВЗД по дифференциальному перепаду давления на двигатель, а также выступать средством автоматизации процесса бурения. Одними из недостатков приведенных способов является — осуществление множества измерений, а также «при изменении условий проходки меняется крутящий момент на долоте. Это приводит к перегрузке и недогрузке забойного двигателя, а в отдельных случаях к торможению двигателя, а также к интенсивным колебаниям низа бурильной колонны. Кроме того, при больших углах наклона и в горизонтальных скважинах величина силы трения бурильной колонны о стенки скважины колеблется в больших пределах, что снижает эффективность буровых работ». Кроме того, в некоторых приведенных способах предлагается следовать сложившейся регламентной технологии (отражено в технологической документации, к примеру долотная программа и др.) отработки ВЗД по осевой нагрузке [5].

Управление ВЗД по дифференциальному перепаду давления считается перспективным и имеет резервы повышения эффективности бурения и качества строительства нефтяных и газовых скважин. На основании технологической документации базируется и регламентная технология управления отработкой ВЗД — УПД (ТЭП, РПД — Э). За базовую основу технологии управления отработкой ВЗД, в работе взята распространенная регламентная технология, индикатором которой выступает осевая нагрузка на долото, управление с помощью ТЭП. Выбор аргументирован доступностью, к изучению процесса управления технологией, широким применением ТЭП и др. Не имеет значения тип применяемого УПД, а важным критерием является системный подход к технологии управления отработкой ВЗД. Исходя из этого, особое внимание уделено решению задач, возникающих при бурении скважин ВЗД с применением существующей технологий (применение ТЭП), и технологии управления отработкой ВЗД, основывающейся на эффективном управлении гидравлической энергией.

  1. Абубакиров В. Ф., Буримов Ю. Г., Гноевых А. Н., Межлумов А. О., Близнюков В. Ю. Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т. Т. 2. Буровой инструмент. — М.: ОАО «Издательство «Недра», 2003. — 494 с.
  2. Балденко Д. Ф., Балденко Ф. Д. Фактор дифференциального давления винтовых забойных двигателей при мониторинге режима бурения скважин// Нефтяное хозяйство. № 3. 2014 С 98 -101.
  3. Балденко Д. Ф., Балденко Ф. Д. Бичкурин Т. Н. Особенности технологии бурения винтовыми забойными двигателями // Тр. ин-та/ ВНИИБТ. — 2011.-№ 3(71).-С.95–105.
  4. Балденко Д. Ф. Балденко Ф. Д. Гноевых А. Н. Одновинтовые гидравлические машины. Т.2. Винтовые забойные двигатели. // ООО «ИРЦ Газпром», 2002. — 470 с.
  5. Балденко Д. Ф. Балденко Ф. Д., Шмидт А. П. Анализ характеристик винтовых забойных двигателей с целью оптимального управления процессом бурения // НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 1995. — № 1–2.

Винтовые гидравлические двигатели

4.4.1. Принцип действия и устройство

Винтовой двигатель представляет собой забойный агрегат (рис.4.9) с гидравлическим объемным двигателем, приводимый в действие потоком бурового раствора, который закачивается в бурильную колонну с поверхности насосами.

Винтовой двигатель 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 диаметром, равным двойному эксцентриситету е. Для соединения ротора с валом шпинделя, соосно расположенного с корпусом, служит шаровая двухшарнирная муфта, компенсирующая эксцентриситет.

Шпиндель винтового двигателя сходен по конструкции со шпинделем турбобура. Он укреплен на радиальных резинометаллических подшипниках и снабжен шаровой 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 двигателя. Корпус последнего через переводник прикрепляется к нижней части бурильной колонны.

По принципу действия винтовые двигатели относятся к объемным роторным машинам. Основными элементами рабочих органов таких машин являются: статор — корпус с полостями, примыкающими по концам и камерам высокого и низкого давления; ведущий ротор — винт, вращающий момент которого передается валу шпинделя;

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с областями высокого и низкого давления, 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 давления и в каждый заданный момент времени становится шлюзом. Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находящихся выше и ниже рабочих органов.

Читать еще:  Шевроле ланос порядок работы цилиндров двигателя

Поверхности винтовых зубьев ротора и статора, взаимно пересекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют ее свободному перетоку. 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, который перемещается вдоль оси ротора по винтовой линии. Роль поршня выполняют отсекающие поверхности винтового ротора.

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

· отсутствие клапанных и золотниковых распределителей потока жидкости;

· отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары

· 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 должно быть пропорционально отношению их числа, т. е.

(4.16)

Отношение чисел зубьев статора и ротора называется передаточным числом

(4.17)

Теоретически винтовой двигатель может иметь любое передаточное число.

4.4.2. Основные параметры винтовых двигателей

Винтовые двигатели имеют разные передаточные числа, зависящие от соотношения числа зубьев ротора и статора. Двигатели, имеющие

u = 1:2, развивают максимальные частоты вращения и минимальные вращающие моменты. Их применяют, когда требуется высокая частота вращения.

По мере увеличения числа заходов ротора (т. е. передаточного отношения) уменьшается частота вращения и увеличивается вращающий момент. Это объясняется тем, что многозаходный роторный механизм, каким является винтовой двигатель, в отличие от других механизмов представляет собой соединение гидравлического двигателя и понижающего планетарного редуктора, причем передаточное число редуктора пропорционально заходности ротора.

Многозаходные рабочие органы имеют большую протяженность контактных линий по сравнению с рабочими органами, имеющими отношение u=1:2. Это предопределяет снижение механического и общего к. п. д. винтовых двигателей с многозаходными рабочими органами. В то же время двигатели с многозаходными рабочими органами обладают большой нагрузочной способностью и более жесткой характеристикой, что обусловило выбор для забойного винтобура Д2-172М передаточного числа

Вращающий момент — основная характеристика винтового двигателя. При анализе его рабочего процесса рассматривается действие перепада давления жидкости в камерах пары ротор — статор, так как на этой длине происходит разобщение камер с полостями высокого и низкого давления, расположенных выше и ниже рабочих органов. В каждом поперечном сечении на длине шага ротора возникает неуравновешенная гидравлическая сила R1, действующая на центр вращения ротора (рис. 4.9).

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

Mt=pDtez1/2, (4.18)

где р — перепад давления, Па; D — расчетный диаметр ротора, м; t — шаг зубьев ротора, м; е — эксцентриситет, м; z1 — число зубьев статора.

Поперечная удельная сила (в Н/м) на длине половины шага ротора

(4.19)

Вращающий момент винтовых двигателей

(4.20)

где М — удельный момент винтового двигателя

(4.21)

(се — безразмерный параметр, являющийся отношением эксцентриситета е к радиусу зуба зацепления r).

Удельный момент зависит от числа заходов ротора и безразмерного параметра се. По физическому смыслу он представляет собой момент винтового механизма с единичными размерами (D, е и t) и единичным перепадом давления. Удельный момент минимален для однозаходных механизмов и возрастает с увеличением числа заходов.

Частота вращения вала винтовых двигателей объемного действия

(4.22)

где Q — расход жидкости, подаваемой в двигатель, м 3 /с; V — объем камеры рабочего органа двигателя, м 3

(4.23)

Здесь Fш — площадь поперечного сечения шлюза, м 2 ; Т — шаг винтовой поверхности статора, м; z2 — число зубьев ротора.

В винтовых двигателях с гипоциклоидальным центроидным зацеплением площадь сечения шлюза

(4.24)

Кроме того, поскольку передаточное число определяет скорости переносного ωпер и относительного ωот движений, можно записать

(4.25)

После подстановок и соответствующих преобразований получим выражение для расчета частоты вращения выходного вала винтового двигателя:

(4.26)

где no — удельная частота вращения выходного вала безразмерный параметр, определяемый заходностью рабочего органа двигателя и коэффициентом се.

(4.27)

По физическому смыслу величина no представляет собой частоту вращения винтового механизма с единичными геометрическими размерами и единичным расходом жидкости. Винтовые двигатели с однозаходным ротором являются высокоскоростными, поэтому более рациональны 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 Д1-195 и

Д2-172м выбрано число заходов ротора, равное девяти.

4.4.3. Характеристика забойного винтового двигателя

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

На рис. 4.10 приведена рабочая характеристика винтового забойного двигателя Д2-172м.

Наибольшая частота вращения соответствует режиму холостого хода, а максимальный вращающий момент — режиму торможения при n = 0. Двигатель запускается при перепаде давления Dр = 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. В рабочем режиме гидромеханический к. п. д. составляет 0,4 — 0,5, объемный — 0,8 — 0,9, а общий достигает 0,5 — 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 п прямо пропорциональна расходу Q, поэтому при изменении расхода Q1 на Q2частота вращения

С увеличением расхода раствора диапазон устойчивой работы двигателя расширяется. В винтовых двигателях частота вращения существенно зависит от величины вращающего момента. В этих двигателях по мере их износа характеристики 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.

Техническая характеристика винтовых двигателей

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с) .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector