Контрольная работа по "Гидромашинам и компрессорам"

В турбобуре с резинометаллическими подшипниками при одной и той же характеристике турбины форма кривых характеристики турбобура может быть весьма различной в зависимости от условий взаимодействия до/юта и разбуриваемой породы, вследствие чего она называется также характеристикой системы турбобур—долото—забой (ТДЗ). Рассмотрим факторы, определяющие эту характеристику.

Момент силы трения в пяте

Здесь — коэффициент трения в пяте; — приведенный радиус трения,

;

 и  - наружный и внутренний радиусы трущихся поверхностей.

Верхний знак в формуле крутящего  момента относится к случаю, когда бурильная колонна поддерживает ротор верхними поверхностями подпятников (Т + G > R), а нижний — к случаю, когда к гидравлической силе приплюсовывается сила тяжести нижнего участка бурильной колонны (Т + G < R) с нагружением нижних поверхностей подпятников.

Крутящий момент турбобура, передаваемый долоту,

М_Т = М_к - М_n - М₀,         (6.10)

где M_k — момент k-ступенчатой турбины; М₀ — момент сил трения в радиальных опорах и трения ротора о статор.

Момент на долоте приблизительно пропорционален нагрузке на долото:

M_Д = M_y R ,          (6.11)

где М_у — удельный момент, зависящий от крепости разбуриваемой породы, конструкции и состояния долота, условий промывки забоя, а также от частоты вращения долота. При равномерном вращении долота М_Т = М_Д.

Примем, что зависимость момента турбины от частоты вращения линейная:

,

где k — число ступеней, и исключим из (6.10) и (6.11) нагрузку R, пренебрегая для простоты небольшим моментом М₀. После преобразований получим уравнение момента турбобура:

.

Обозначим безразмерные величины:

; .

Формула крутящего момента на долоте представлена так:

.       (6.12)

Чтобы изучить особенности полученной зависимости, примем, что удельный момент трения в пяте , удельный момент на долоте , а следовательно, φ и s — величины постоянные. Зависимость (6.12) графически представляется двумя прямыми, пересекающимися в точке В (рис. 6.6, а) на прямой 1— 1. линия А'В соответствует условию R > Т + G (знак +), а линия ВС - условию R < Т + G (знак -). В точке В справедливо условие Т + G = R_B, когда пята разгружена.

Угол наклона прямой ВС` зависит от коэффициента φ. При φ < 1 Мy > , т. е. когда удельный момент сопротивления забоя больше удельного момента трения в пяте, линия ВС` наклонена вправо от вертикали. При φ > 1 М_у < , в этом случае линия ВС` наклонена влево. Промежуточный случаи: φ=1,  My= линия ВС   вертикальная.

В действительности величины φ и s не постоянные, а зависят от нагрузки на пяту и частоты вращения вала. Поэтому линии АВ и ВС не прямые, а кривые. Отрезки ординат, заключенные между линией 1—/ и кривой ABC (момента на долоте), соответствуют моменту трения в пяте, а отрезок ОС — частоте холостого вращения турбины п_х при подъеме турбобура с забоя.

Положение точки В определим из условия, что уравнение (6.12) при использовании любого знака дает одинаковый результат:

,

Где

Параметр  , отражающий комплексную взаимосвязь турбобура (k, M_max, G, Т), долота и забоя (М_у), равен ординате точки В. На рис  6.6, б кривые момента на долоте относятся к нескольким значениям удельного момента М_у. Точки разгрузки пяты тем ближе к тормозному режиму,  чем больше значение М_у.

Характер изменения кривой момента  на ее ветвях зависит от закономерности изменения величин φ и s. В частности, положение точки С зависит от того значения S_x, которое оно имеет при холостом режиме: n_x/n_max — 1 — S_x.

Графики забойной мощности даны на том  же рис. 6.6, б. Они показывают, что максимум мощности турбобура не совпадает с максимумом мощности турбины и может быть смещен от него в любую сторону в зависимости от типов турбобура, долота, породы, а также от расхода жидкости (расход жидкости влияет потому, что Т и Mmax в выражении П зависят от расхода, a G не зависит от него)^..

В практике бурения возможны следующие  варианты характеристики ТДЗ (см. рис. 6.6, б):

1)  Ω < 1/2; n_в > n_max /2 (точки а и b).

Этот случай характерен для бурения  твердых пород;

2)  Ω > 1/2; n_в < n_max/2 (точка d), что бывает при бурении слабых пород;

3)  Ω = 1/2; n_в — n_max/2   (точка с).

В этом случае максимумы мощностей  турбобура и турбины приблизительно совпадают, причем (Т + G) М_у = kM_max/2.

 

Средства изменения  нагрузочной характеристики турбобура

 

Опыт бурения показывает, что  левая часть графика характеристики турбобура (см. рис. 6.6, а) не используется вследствие неустойчивости вращения долота. Одна из причин этого — пологость кривой момента турбобура, обусловленная потерями на трение в резинометаллической пяте.

Изменение момента сопротивления  вращению долота М_Д на забое при постоянной осевой нагрузке с увеличением частоты вращения представляется некоторой кривой, называемой механической характеристикой долота. В точке пересечения этой кривой с линией момента турбобура определяется частота равномерного вращения долота. В зависимости от значения R пересечение возможно с правой, левой или с той и другой ветвями линии момента М_т (рис. 6.7, а).

Исследуем режимы работы системы турбобур—долото  на устойчивость, рассмотрев малые отклонения параметров режима. Предположим, что кривая М_т наклонена больше, чем М_Д, т. е. dM_{Д /} dn > d M_{Т /} dn. Допустим далее, что вследствие временного увеличения сопротивления на долоте частота вращения его несколько снизилась. С восстановлением значения сопротивления (точка Е₁) вследствие избытка движущего момента турбобура над моментом сопротивления долота турбина будет разгоняться и режим вращений сохранится. Если частота вращения увеличивается (точка Е₂), то в результате недостатка движущего момента турбины частота вращения вала замедлится. Следовательно, режим работы в точке Е устойчивый.

Теперь рассмотрим точку D. Случайное ускорение вращения вала (точка D₂) приводит к разгону турбины и дальнейшему переходу в устойчивый режим (в точке Е, расположенной на правой ветви линии М_т), а случайное замедление (смещение в точку D₁ — к остановке турбобура вследствие нарастающего недостатка вращающего момента по отношению к моменту на долоте. Таким образом, если dM_{Д /} dn < d M_{Т /} dn, то режим вращения неустойчивый.

Между тем технология бурения шарошечными  долотами требует, чтобы турбобур мог устойчиво работать при небольшой ча-

стоте вращения. Поэтому желательно, чтобы зависимость п — М у турбины была нелинейной с повышением крутизны линии моментов в области тормозного режима.

Для придания нагрузочной характеристике турбины такого качества существует несколько способов. Один из них — регулирование расхода жидкости с уменьшением его при разгонных режимах и увеличением при тормозных. Для осуществления этого способа используют наземные или забойные средства. В качестве наземных можно использовать буровые насосы с бесступенчатым регулированием подачи. Наиболее приемлема для работы в системе с регулируемой подачей высокоциркуляционная турбина, замедление вращения которой сопровождается снижением перепада давления в ней и, следовательно, падением давления на вы-киде насоса. Если характеристика насоса такова, что снижение давления вызывает увеличение подачи, то при торможении турбины увеличивается крутизна кривой п—М.

Непосредственно на забое скважины расход жидкости можно регулировать с помощью перепускных клапанов, эжекторных мультипликаторов расхода или систем с разделением потока. Перепускной клапан устанавливается в полом валу турбобура или над турбобуром в специальной приставке.  При  настройке клапана на постоянный перепад давления, равный перепаду давления в турбине при тормозном режиме, характеристика турбины графически выглядит так, как представлено на рис. 6.4, б. Как видно, линия момента круто изогнута вверх к точке тормозного режима. Перепускные клапаны подвержены быстрому эрозионному износу, вследствие чего этот способ регулирования широкого применения   не  получил.

Для изменения нагрузочной характеристики в турбобурах типа А7ГТШ, А6ГТШ используют систему гидродинамического торможения. Сущность способа состоит в том, что на валу турбины устанавливается многоступенчатый гидравлический тормоз (ГТ). Венцы статора и ротора тормоза имеют прямые лопатки, установленные вдоль оси турбины, которые почти не оказывают сопротивления при остановке турбины. Линия момента М_гт, поглощаемого ступенями ГТ, приблизительно линейная, так что суммарная нагрузочная характеристика турбины получается также линейной (рис. 6.7, б). Суммарный максимальный момент турбины сохраняется, но рабочая частота вращения, соответствующая половине kM_max, существенно снижается, а крутизна нагрузочной характеристики увеличивается. Эту крутизну можно регулировать варьированием числа ступеней ГТ.

 

Список литературы

1.Касьянов В.М. Гидромашины и  компрессоры Учебник для вузов.  М.:Недра 1981

2.Караев М.А. Гидравлика буровых  насосов М.:Недра 1983

3.Калекин А.А. гидравлика и  гидравлические машины. М.: Мир 2005

4. http://nasos.tula-oblast.ru

5. www.energoxm.ru