книги / Поршневые буровые насосы

Критическая температура, при которой наступает катастрофи­

увеличение срока службы поршня достигает в среднем 20%. Это не может компенсировать двукратного увеличения числа деталей.

ров можно извлечь только поршни или плунжеры с их штоками, а цилиндровые втулки — нельзя, т. е. усложняется обслуживание.

Другое предложение фирмы «Вирт», направленное на снижение напряженности теплового режима на поверхности трения цилинд­ ро-поршневой пары, заключается в применении охлаждения со­ ставной цилиндровой втулки обычного насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия (рис. 6,в). Охлаждающая вода поступает через штуцер 10 в нижней части гидравлической коробки, омы­ вает снаружи внутреннюю цилиндровую втулку 12 и отводится через верхний штуцер 14.

Замена составной цилиндровой втулки — одновременно ее вну­ тренней части 12, наружной 11, скрепляющих и уплотнительных деталей — производится после демонтажа цилиндровой крышки 7, а поршня 9 с его штоком 13 — после извлечения винтового за­ твора 8.

По изменению цвета отводимой воды можно уловить момент появления утечки в уплотнении цилиндровой втулки, чтобы быстро принять меры по устранению неисправности, не давая ей вызы­ вать серьезное повреждение корпусных деталей. В поршневых на­ сосах с тремя цилиндрами одностороннего действия дает эффект интенсивное обмывание втулок цилиндров жидкостью с антиизносными добавками.

Наиболее распространенным на практике остается насос без водяной рубашки с двумя цилиндрами двустороннего действия, в которых работают поршни двустороннего действия.

Насосы с тремя цилиндрами двустороннего действия

У насоса с тремя цилиндрами двустороннего действия криво­ шипы установлены с угловым сдвигом по направлению вращения коренного вала на 120° (рис. 7, а). Суммарную кривую подачи жидкости тремя цилиндрами получают сложением ординат трех смещенных относительно друг друга вдоль оси абсцисс на 120° диаграмм а, 6, с подачи отдельно взятых цилиндров двустороннего действия (рис. 7, б).

Ускорение промывочной жидкости во всасывающей трубе насо­ са с тремя цилиндрами двустороннего действия меньше, чем при двух цилиндрах.

При одинаковой величине ускорения и, следовательно, всасы­ вающей способности трехцилиндровый насос может быть быстро­ ходнее и поэтому легче двухцилиндрового, но интенсивность изна­ шивания сменных деталей при этом увеличивается.

Степень неравномерности подачи (см. рис. 7,6) 0дтз2 ^0,29, т. е. меньше, чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего

три мотылевых подшипника требуют много времени на свое об­ служивание, регулирование и замену изнашиваемых деталей. За­ труднен доступ к всасывающему клапану штоковой камеры сред­ него цилиндра. При изготовлении трехцилиндрового насоса труд­ нее достичь минимальных отклонений от соосности гидравлической и приводной части на всех его трех линиях А, В, С. Общее число деталей трехцилиндрового насоса больше, чем у двухцилиндрового. Поэтому поршневой буровой насос с тремя цилиндрами двусторон­ него действия сейчас не применяется.

Наибольшая приводная мощность насосов этого типа 1250 л. с., наибольшее давление нагнетания 250 кгс/см2. Трудно ожидать по­ явления каких-либо причин для возобновления их производства.

Насосы с тремя цилиндрами одностороннего действия

Буровой насос с тремя цилиндрами одностороннего действия при высоком давлении нагнетания и большой гидравлической мощ­ ности относительно невелик по размерам и весу, так как частота ходов его поршня обычно в 2,5 раза выше, чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия. Основные параметры изго­ товляемых насосов данного вида приведены в табл. 1. Например, фирмой «Нэшнл» (США) в 1968 г. выпущен поршневой буровой насос ЮР-130 приводной мощностью 1300 л. с. с наибольшим дав­ лением нагнетания 360 кгс/см2, весом 18 000 кг, что на 7 т меньше веса насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, анало­ гичного по гидравлической характеристике. Число двойных ходов поршня /г=150 в мин. Благодаря меньшим, чем у бурового насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, габаритам и весу, удешевляется транспортирование. Структурная схема поршневого

ложенными в один ряд цилиндрами 2 более компактна, подводя­ щие жидкость патрубки 3 короче, а гидравлические и инерционные сопротивления в них меньше, чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия. Три эксцентрика 4, установленные на ко­ ренном валу с угловым смещением относительно друг друга по на­ правлению вращения на 120°, статически взаимно уравновешены. При применяемых размерах деталей и скоростях вращения нет не­ обходимости в динамическом уравновешивании и установке проти­ вовесов. Суммарная кривая 5 (см. рис. 8, г) подачи жидкости цилиндрами насоса представляет собой сумму ординат трех сме­

без пневматического компенсатора для насоса с тремя цилиндрами одностороннего действия приводной мощностью до 100 л. с. Для крупных буровых насосов этого типа требуется пневматический компенсатор меньшего объема, чем для насоса с двумя цилиндра­ ми двустороннего действия, однако в целях унификации приме­ няется такой же обычно объемом 80 л. Величина избытка подачи за один оборот здесь меньше, так как угловая скорость коренного вала обычно в 2—2,5 раза больше, чем у насосов с двумя цилинд­ рами двустороннего действия, а объем цилиндров соответственно меньше. Уменьшение амплитуды колебаний давления нагнетания

Поршень работает в сменной цилиндровой втулке (рис. 8,(3). Уплотнение штока в цилиндре одностороннего действия отсутст­ вует. Шток поршня извлекается, как правило, вместе с поршнем.

с целью уменьшения занимаемой в насосном помещении площади двумя электродвигателями, установленными над корпусом привод­ ной части на специальном кронштейне (табл. 3).

Таблица 3

Техническая характеристика насоса 1400-РТ

* Ограничено допустимым давлением; ** Яме*= 0 »9 -

Длина хода поршня 254 мм. Наибольшее давление в приемном коллекторе 17,5 кгс/см2. Пробное давление нагнетательной части 700 кгс/см2, приемного коллектора 35,0 кгс/см2. Диаметр всасываю­ щего отверстия 203,2 мм, нагнетательного отверстия 101,6 мм. Емкость масляной ванны 72 дм3. Длина насоса 4200 мм, ширина 2380 мм, высота 2270 мм.

Западногерманская фирма «Вирт» объявила о выпуске насоса марки ТРК 7"Х 10"-1300, снабженного встроенным подпорным на­ сосом и работающего с наибольшим давлением нагнетания 364 кгс/см2, максимальной подачей около 50 дм3/мин, приводной мощностью 1300 л. с. при максимальном числе ходов 150 в 1 мин. К. п. д. насоса 0,9. Объемный коэффициент при работе с подпо­ ром 100%.

Опыт использования насосов с тремя цилиндрами односторон­ него действия в длительной эксплуатации1 показал, что для дости­ жения оптимальной продолжительности безотказной работы в тя­

ния 4 работают на чистой воде, находящейся в камере 2. Тарель­ чатые клапаны 5 и 7 с резиновым уплотнительным диском рабо­ тают на промывочном растворе, проходящем через ,камеру 6.

Вертикальный геологоразведочный бескрейцкопфный буровой насос (рис. 9, б) марки БЗ/10 предназначен для легких геологораз­ ведочных установок. При приводной мощности 5,6 л. с., давлении

выходит за пределы жесткой опорной части резино-металлического

лишь незначительного давления нагнетания, прижимающего ре­

10% давления нагнетания, равного 10 кгс/см2. Поэтому дополни­ тельная нагрузка, связанная с тем, что на резино-металлическую уплотнительную втулку возлагаются функции крейцкопфа, не влияет на долговечность плунжерной пары, приблизительно рав­ ную 200 ч и вполне достаточную для успешного применения насоса на практике.

В горизонтальной компоновке насоса вредное пространство со­ кращается, если ось клапана горизонтальна, а нагнетательного — вертикальна.

Эффективность структурной схемы, изображенной на рис. 8,6, изучалась в геофизическом бурении. Были проведены промышлен­ ные испытания партии из 5 насосов марки Б7/40 приводной мощ­ ностью 50 л. с. с давлением нагнетания 40 кгс/см2, подачей 7,5 дм3/с при числе ходов 265 в 1 мин, диаметре плунжера 100 мм и длине хода 80 мм. Вес насоса 850 кгс. Бурение производилось установкой УРБ-2А.

В течение сезона бурения (с апреля по декабрь) получены следующие средние показатели работы: общий метраж пробурен­

грузкой составило 260 ч. Замена изнашиваемой пары плунжер —

кольца. На эталонном насосе с двумя цилиндрами двустороннего действия весом 1250 кг при подаче 6 дм3/с было израсходовано в тех же условиях работы по 8—10 поршней и 60—80 клапанных

уплотнений (в промывочной жидкости содержалось значительное количество раздробленной мелкой гальки).

Повышенный срок службы плунжерной пары достигнут приме­ нением метода компенсации изнашивания. Для этого использова­ лась возможность подтягивания эластичного уплотнения плунжера при появлении чрезмерной утечки нагнетаемой жидкости. В эта­ лонном насосе с двумя цилиндрами двустороннего действия пор­ шень, работающий в цилиндровой втулке, регулированию не под­ дается, чем объясняется значительно большее изнашивание порш­ ней, получавших гидроабразивные эрозионные повреждения после потери уплотняющей способности неконтролируемых поршневых колец. Резино-металлические уплотнения плунжеров подтягива­ лись со стороны средника, соединяющего гидравлическую и при­

удобнее, чем при обслуживании через средник (см. рис. 8,6). Од­ нако в последнем случае появляется необходимость уплотнить шток, что требует дополнительного обслуживания. Этой ценой до­ стигается некоторое улучшение всасывающей способности насоса, так как ускорение жидкости при всасывании штоковой камерой Е приблизительно в 1,5 раза меньше, чем при всасывании бесштоковой камерой С. Это хорошо видно на диаграмме подачи (см. рис. 8,г). Тангенс угла ai наклона касательной к кривой подачи в точке 60°, характеризующий наибольшую величину ускорения в начале вса­ сывания бесштоковой камерой, больше в 1,5 раза, чем тангенс угла аг в точке 240°, соответствующий максимальной величине уско­ рения плунжера в начальный момент всасывающего хода в што­ ковой камере.

Преимущества малого веса насоса чаще всего проявляются в специфических условиях геологоразведочной службы, например при применении насоса на моноблочной легкой буровой установке со всем оборудованием, монтируемым на одной автомашине.

Увеличение числа двойных ходов поршня в 1 мин вызывает пропорциональное увеличение изнашивания клапанов. Поэтому с уменьшением числа клапанов в насосе с тремя цилиндрами одно­ стороннего действия в отношении 6/8 = 3/4 происходит увеличение расхода клапанов в 2x3/4= 1,5 раза по сравнению с насосом, име­ ющим два цилиндра двустороннего действия и работающим при вдвое меньшем числе двойных ходов поршня в 1 мин. Изменить

1 Измерение толщины слоя граничной смазки (ô = 2 мк) выполнено К- С. Се­ ровым (см. «Экспериментальное исследование смазочного слоя в прямозубой цилиндрической передаче», 1969, Станкин. Диссертация. По данным автора в бу­ ровых насосах ô=3 мк (1966).

меньших частиц может изменить характер изнашивания, так как раздавливание зерен между тарелкой и седлом становится невоз­ можным (слой граничной смазки препятствует их сближению). Однако удаление настолько мелких фракций представляет собой еще не решенную сложную техническую задачу.

Подачу насоса с цилиндрами одностороннего действия опре­ деляют по формуле

ленную перспективу, связанную, однако, с необходимостью даль­ нейшей отработки уплотнений клапана и плунжера или поршня, более стойких, чем существующие, при повышенном числе двойных ходов в 1 мин.

Насосы с тремя цилиндрами дифференциального действия

Поршневой приводной насос с тремя цилиндрами дифференци­ ального действия (рис. 10) сочетает в себе отдельные свойства насосов с цилиндрами одностороннего и двустороннего действия.

Всасывание жидкости в объеме Fs происходит в бесштоковой камере С при перемещении поршня на длину хода s в направле­ нии от камеры С к штоковой камере Е. Жидкость из камеры Е при этом вытесняется в объеме (F—f)s в нагнетательный трубо­ провод.

При перемещении поршня в направлении от штоковой камеры £ к бесштоковой камере С на длину хода 5 всасывающий клапан закрыт, через нагнетательный клапан проходит объем жидкости Fs, а в нагнетательный трубопровод поступает объем жидкости

Fs — (F — f ) s =f s .

За один двойной ход поршня в нагнетательный трубопровод поступает объем жидкости

F s ( F - f ) s + ( F - f ) s = Fs.

Таким образом, величина подачи жидкости насосом с тремя цилиндрами дифференциального действия определяется, так же как и для насоса с цилиндрами одностороннего действия, по фор­ муле (14). Величина подачи за один двойной ход поршня не зави­ сит от диаметра штока.

Всасывание жидкости каждым отдельно взятым цилиндром дифференциального действия происходит при движении поршня только в одном направлении от камеры С к камере Е, с переры­ вом на время перемещения поршня в обратном направлении, как