Влияние конструктивных параметров винтовых забойных двигателей на их энергетические характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние конструктивных параметров винтовых забойных двигателей на их энергетические характеристики

Впервые винтовой героторный насос типа Муано был запатентован в качестве двигателя для бурения в США. Затем была запатентована конструкция, которая легла в основу двигателей фирмы «Smith Tool», известных под торговой маркой Navi - Drill.

Принцип действия объемных двигателей основан на заполнении жидкостью рабочих камер и перемещении вытеснителя - рабочего органа, непосредственно совершающего работу под действием давления жидкости. Конструктивно вытеснитель может быть выполнен в виде поршня, пластины, зуба шестерни или ротора.

Рабочим органом одновинтовых гидромашин является винтовой героторный механизм (ВГМ) - зубчатая пара внутреннего зацепления, состоящая из ротора (винта) и статора (обоймы), между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.

Объемные винтовые гидромашины, используемые в бурении скважин, получили название винтовые забойные двигатели (ВЗД), а также в последние годы широко стал широко применяться термин «забойные моторы» [1]. Основными элементами рабочих органов, которых являются:

- статор - корпус с полостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давления;

- ведущий ротор - винт, вращающий момент которого передается исполнительному механизму;

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

Статор-корпус представляет собой металлическую трубу, покрытую изнутри обкладкой - эластомером, выработанной из синтетического каучука со специальными добавками, обладающей высоким сопротивлением абразивному износу и действию углеводородов.

Ведущий ротор-винт выполняется в виде однозаходного винта из высоколегированной стали с покрытием наружной поверхности хромом для снижения абразивного износа.

винтовой забойный двигатель гидромашина

Рис. 1. Рабочие органы однозаходного винтового двигателя. 1 - ротор; 2 - статор

Винтовые поверхности ротора и статора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей.

Полости, связанные с областями высокого и низкого давления, принято называть камерами (рис. 1), 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.

Нарезки поверхностей винтов ротора и статора, взаимно пересекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют свободной циркуляции жидкости. Под действием возрастающего давления жидкости на ведущем винте образуется вращающий момент, передаваемый на исполнительный механизм. Ввиду замкнутости рабочих полостей двигателя, чем больше перепад давления на двигателе, тем больший создается вращающий момент. По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневой машиной, снабженной 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 (рис. 2), одна из которых, принадлежащая ротору, обкатывается внутри другой, отнесенной к статору, без скольжения с постоянной угловой скоростью. Поэтому в винтовых машинах ротор совершает планетарное движение. Смещение оси ротора относительно оси статора носит название эксцентриситета двигателя и обозначается буквой е.

Рис. 2. Кинематика рабочих органов винтовых двигателей с различным числом 1:2, 2:3, 3:4 заходов роторов

Однозаходный ротор не симметричен относительно центра своей начальной окружности. Поэтому сечение ротора представляет собой круг с центром а, а сечение статора - овал, симметричный относительно точки 0₂ с полуокружностями на концах (рис. 2). Винтовые машины с однозаходным ротором просты по конструкции и поэтому широко применяются в различных отраслях промышленности.

Возможность применения винтового двигателя для создания забойного гидравлического вращателя объясняется рядом факторов [2]. Наиболее существенные из них:

1) отсутствие клапанных или золотниковых распределителей потока жидкости;

2) трение в паре «ротор - статор» характеризуется в основном качением, так как в точках контакта рабочих органов имеют место мгновенные скольжения при минимальных относительных пробегах трущихся деталей;

3) непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку промывочной жидкости удалять абразивные частицы, подаваемые в камеры и шлюзы.

Для того чтобы кинематическая пара «ротор - статор» выполняла функции рабочих органов объемной гидромашины, необходимо и достаточно выполнение следующих четырех условий:

1. Число зубьев наружного элемента (статора) Z₂ должно быть на единицу больше числа зубьев внутреннего элемента (ротора) Z₁:

Z₂ = Z₁ + 1 (1)

2. Отношение длины шагов резьбы на винтовых поверхностях наружного элемента (статора) Т и внутреннего элемента (ротора) t должно быть пропорционально отношению числа зубьев:

(2)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Длина рабочих органов Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

L должна быть не менее длины шага резьбы на винтовой поверхности наружного элемента (статора).

4. Профили зубьев статора и ротора должны быть взаимоогибаемыми и находиться в непрерывном контакте между собой в любой фазе зацепления. Этому условию в полной мере отвечают циклоидальные кривые (гипо- и эпициклоиды), положенные в основу образования профилей поперечного сечения винтовых двигателей рабочих органов.

Таким образом, теоретически винтовая пара, спроектированная с учетом приведенных выше четырех условий, может функционировать в одношаговом исполнении. В этом случае ее осевая длина будет равна длине шага резьбы на статоре. Теоретически винтовую машину можно сконструировать с любым кинематическим отношением.

Энергетические характеристики винтовых забойных двигателей (ВЗД) такие как крутящий момент и частота вращения выходного вала, являются в значительной степени определяющими для оценки эксплуатационных качеств ВЗД.

Выходной крутящий момент пропорционален дифференциальному давлению в винтовой паре. Повышение нагрузки на долото (G_д) отражается на поверхности в виде повышения давления на стояке (Р_ст). Максимальный крутящий момент ограничен механической прочностью эластомера статора. Этот материал должен быть достаточно жестким для того, чтобы выдерживать истирание и износ под воздействием твердой фазы бурового раствора, и в то же время достаточно эластичным для того, чтобы обеспечивать уплотнение под давлением между ротором и статором. С повышением длины винтовой пары и количества зубьев возрастают общий объем рабочей камеры двигателя и выходной крутящий момент. При более длинной винтовой паре повышается объемный КПД за счет незначительного снижения механического КПД. Практические пределы длины винтовой пары и, следовательно, общей длины системы обусловлены трудностями материально-технического снабжения и работы с оборудованием на буровой, а также необходимостью включения системы в состав КНБК.

Момент и частоту вращения на выходном валу можно изменять, применяя ротор / статор с различным числом заходов [3]. В общем случае при увеличении количества зубьев возрастает крутящий момент, а при его понижении возрастает частота вращения (см. рис. 3).

Кроме того, частота вращения пропорциональна циркуляции или расходу для данного числа заходов на двигателе. Эксцентричное размещение ротора в статоре приводит к тому, что ось ротора вращается вокруг оси статора. Это движение создает своего рода зубчатый редукционный механизм, при этом частота вращения долота снижается с увеличением числа заходов на двигателе. Для центрирования эксцентричного вращения ротора применяется титановый гибкий вал, расположенный под ротором. Внутренние элементы подшипникового узла двигателя включают высокоэффективные упорные и радиальные подшипники.

Рис. 3. Зависимость крутящего момента и частоты вращения ВЗД от числа заходов двигателя

Теоретический вращающий момент (М) и частота вращения (n) могут быть подсчитаны по разным формулам, наиболее простые из которых приведены ниже:

, (3)

(4)

где ?Р - перепад давления в ВЗД;

Q - подача насосов;

V_o - рабочий объем двигателя (расход жидкости за один оборот вала):

(5)

где S - площадь поперечного сечения (живого) рабочих органов, при расчете которой возникают некоторые сложности. Для приблизительных расчетов принято пользоваться формулой:

(6)

где е - эксцентриситет; D_к - контурный диаметр.

Таким образом, одним из основных конструктивных параметров винтового двигателя, определяющим его энергетические параметры, является площадь S поперечного («живого») сечения рабочих органов, определяемая как разность площадей S₁ и S₂, ограниченных исходным и сопряженным профилями.

В качестве исходных кривых для профилирования зубьев ротора и статора в поперечном сечении винтового гидродвигателя используются укороченные эпи- и гипоциклоиды. Эти кривые образуются как траектории точки М, принадлежащей окружности радиуса г, которая катится без скольжения снаружи или внутри неподвижной направляющей окружности. На рисунке 4 представлена схема образования исходного профиля по эквидистанте укороченной эпициклоиды. Для получения желаемой формы профиля зуба он задается в виде эквидистанты циклоидальной кривой.

Рис. 4. Рабочий орган ВЗД:

а - продольное сечение рабочего органа; б - поперечное сечение рабочего органа; в-схема образования поперечного сечения профиля ротора; 1 - катящаяся окружность; 2 - неподвижная направляющая окружность; 3 - укороченная эпициклоида; е - эксцентриситет; r - радиус гипоциклодиды; r_ц - радиус ротора зуба (радиус эквидистанты исходного профиля в гипоциклоидальном зацеплении); D_к - контурный диаметр; D_дв - наружный диаметр ВЗД

Исследованиями [4] установлено, что S зависит от безразмерных параметров:

- коэффициента внецентроидности С₀ = r/e; - коэффициента формы зуба С_е= е/r_ц; - кинематического отношения i.

При этом, влияние коэффициента внецентроидности С₀ - существенно, коэффициента формы зуба С_е - незначительно, а влияние кинематического отношения i - велико.

С увеличением заходности ротора при постоянстве перепада давления и расхода промывочной жидкости, вращающий момент (М) возрастает, а частота вращения (n) уменьшается. Это объясняется тем, что многозаходный героторный механизм в отличие от других механизмов, положенных в основу рабочих органов двигателей, представляет собой соединение гидравлического двигателя и понижающего планетарного редуктора, причем передаточное число редуктора пропорционально заходности ротора.

Гидравлические потери в ВЗД по мере увеличения заходности рабочих органов (i) возрастают значительно, так при i = 9:10 потери 6,7 раза больше, чем у ВЗД с i =1:2 при равных значениях рабочего объема, контурного диаметра и расхода жидкости.

Анализ зависимости изменения частных и общих гидравлических потерь от расхода промывочной жидкости (в диапазоне Q = 0,015 - 0,04 м³/с) показывает, что они подчиняются квадратичному закону

[4]. Это справедливо для ВЗД с различным кинематическим отношением:

для i = 9:10 - ДР = 9·10^-3 · Q²; (7)

для i = 1: 2 - ДР = 1,24·10^-3 · Q²; (8)

В работе [4] установлено преимущество монолитного двигателя по сравнению с секционным. Так, при монолитной конструкции и числе шагов 6:10 необходимое давление на 0,8 - 1,5 МПа меньше.

Литература

1. Султанов Б.З., Шаммасов Н.Х. Забойные буровые машины и инструмент. М.: Недра, 1976.

2. Балденко Д.Ф., Любимов Б.Г., Хабецкая В.А. Анализ и пути совершенствования характеристик забойных гидравлических двигателей. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1989.

3. Руководство по забойным двигателям Navi-Drill. Издание 10-е. Ред. С, январь 2006.

4. Фуфачев О.И. Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик. Дис. на соиск. канд. техн. наук, М: ВНИИБТ-БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ, 2011.

Размещено на Allbest.ru