книги / Поршневые буровые насосы

в цилиндре одностороннего действия. Нагнетание жидкости проис­ ходит при движении поршня в обоих направлениях, как в цилинд­ ре двустороннего действия.

Поэтому в насосе с двумя цилиндрами дифференциального дей­ ствия нагнетание происходит достаточно равномерно, а всасыва-

Рис. 10. Поршневой буровой насос с тремя дифференциальными цилиндрами.

ние — с остановками жидкости в подводящем трубопроводе. Такие насосы имеют ухудшенную всасывающую способность.

Всасывающий и нагнетательный клапаны пропускают весь объем жидкости за один двойной ход поршня, т. е. работают так же, как в цилиндре одностороннего действия. В цилиндре двусто­ роннего действия каждый клапан пропускает вдвое меньший объем жидкости, диаметр клапанов должен быть меньшим, чем в цилин­ дре дифференциального действия, а число клапанов — вдвое большим.

Поршень нагружен перепадом давления при движении в на­ правлении от камеры С к камере Е. Давление действует на ман­

жету, обращенную к камере Е. С другой стороны поршня — всасы­ вание.

При движении в обратную сторону давление жидкости на пор­ шень, прижимающее резину поршневых колец к цилиндровой втулке, с обеих сторон поршня одинаковое, резина не выдавли­ вается в уплотняемый зазор.

Усилие по штоку (без учета силы трения) при всасывающем и нагнетательном ходах поршня равны соответственно (F—f)p и /р, т. е. шток нагружен рабочим усилием почти так же, как в насосе с цилиндрами двустороннего действия.

Если площадь поперечного сечения штока равна половине пло­ щади поперечного сечения поршня, то усилие по штоку и нагрузка приводного механизма одинаковы независимо от направления дви­ жения поршня в цилиндре.

При сравнении одинаковых по гидравлической характеристике насосов с тремя цилиндрами дифференциального и одностороннего действия видно, что вес первого из них меньше, так как нагрузка деталей его приводного механизма на каждой линии (штока, ша­ туна, ползуна, подшипников и коренного вала) одинаковая при всасывающем и нагнетательном ходе поршня, вдвое меньше, чем у насоса с цилиндрами одностороннего действия. В этом особен­ ность насоса с цилиндрами дифференциального действия. Однако изготовление и эксплуатация этого насоса значительно сложнее, чем насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия.

При необходимости изменять подачу и давление нагнетания с помощью сменных цилиндровых втулок для сохранения соотно­ шения площадей потребовалось бы иметь набор не только соответ­ ствующих поршней с цилиндровыми втулками, но и штоков с их уплотнениями, площадь поперечного сечения которых вдвое мень­ ше поршней, и одновременно с поршнями и цилиндровыми втулка­ ми заменять штоки.

Штоковая камера Е — непроточная, так как она постоянно за­ полнена одной и той же порцией промывочного раствора, переме­ щающегося в нагнетательный отвод при движении поршня в на­ правлении камеры Е и снова возвращающегося в камеру Е при движении поршня в сторону камеру С. Поэтому в камере Е нака­ пливаются отложения утяжелителя, зерен абразивов, что вызы­ вает ускоренное изнашивание уплотнений.

Работы над созданием насоса не вышли из стадии исследования опытно-промышленного образца.

Насосы с двумя цилиндрами последовательного действия

Имеется несколько типоразмеров поршневых двухлинейных на­ сосов с цилиндрами последовательного действия французской фирмы «Мареп». Их основные параметры следующие.

Рис. 11. Поршневой буровой насос с двумя ци­ линдрами последовательного действия.

а — с х е м а у с т р о й с т в а ; б — д и а г р а м м а т е о р е т и ч е с к о й п о ­ д а ч и ж и д к о с т и ц и л и н д р а м и ; в — д и а г р а м м а р а с х о д а ж и д ­ к о с т и ч е р е з к л а п а н ы .

На схеме (рис. 11, а) видно, что бесштоковая камера СА пра­ вой линии А соединена патрубком 1 с бесштоковой камерой Св левой линии В. Аналогично этому штоковые камеры Ел и Ев соединены между собой патрубком 2. В обоих соединительных патрубках установлены промежуточные клапаны З с и 3Еу одина­ ковые со всасывающими 4 и нагнетательными 5.

Фирма считает, что применение цикла Жандена позволяет эк­ сплуатировать насосы на повышенных числах двойных ходов поршня в 1 мин. Действительно, неравномерность подачи жидко­ сти цилиндрами последовательного действия несколько меньше, чем двумя цилиндрами двустороннего действия, но число циклов на­ гружения поршневых колец, а соответственно и абразивное изна­ шивание с одновременным усталостным вырыванием резины в уплотняемом зазоре ускоряется. Большая продолжительность пре­ бывания клапанов в открытом состоянии не уменьшает интенсив­ ности их изнашивания, которая определяется числом циклов посад­ ки клапана в единицу времени. Эксперименты показали, что ис­ правный клапан не изнашивается в открытом или закрытом со­ стоянии. Только при посадке происходит сдавливание и раздроб­ ление зерен абразива на посадочном пояске и его постепенное разрушение, приводящее к нарушению уплотнения и эрозии де­ талей.

Число циклов работы клапанов в единицу времени в насосах Жандена, изготовляемых фирмой «Мареп», повышено, соответст­ венно ускоряется и их изнашивание.

Подача насоса с двумя цилиндрами последовательного дей­ ствия меньше, чем* у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия с одинаковым объемом цилиндра и при одинаковом числе двойных ходов поршня в минуту, что объясняется существованием периодов, когда происходит перепуск жидкости из одного цилинд­ ра последовательного действия в другой. Без учета влияния штока и при равных геометрических размерах цилиндров подача насоса Жандена на 25% меньше, чем насоса с двумя цилиндрами дву­ стороннего действия, т. е.

Qo'x = 0,75(?ОД,

где (Зож и (2од — условная подача двух поршневых насосов (с оди­ наковыми размерами цилиндров), первый из которых работает по циклу Жандена, а второй представляет собой насос с двумя ци­ линдрами двустороннего действия.

В действительности величина подачи насосов Жандена и обыч­ ного с двумя цилиндрами двустороннего действия отличается не­ значительно:

<3ж = (0,8 ч- 0,85) Qa.

Применение цикла Жандена, как показывает изучение износо­ стойкости насосов, нецелесообразно.

Насосы с четырьмя цилиндрами одностороннего действия

Попытка создания серии плунжерных буровых насосов с че­ тырьмя цилиндрами одностороннего действия была предпринята фирмой «Кардуэлл» (США). В последнее время рекламные сооб­ щения о положительных результатах этой работы не публикуются.

Преимущество искали в компактности насоса (рис. 12, а) с V-об- разным расположением цилиндров (по типу поршневых авиаци­ онных двигателей) и в повышении быстроходности насоса.

Цель этой попытки — снижение веса на единицу гидравличе­ ской мощности насоса.

При принятой компоновке габариты насоса сократились, но за­ метно возросла длина подводящих каналов 1 и 2, в которых жид-

Рис. 12. Плунжерный буровой насос с четырьмя V-

кость находится в неподвижном состоянии во время нагнетатель­ ного хода плунжера 3 в соответствующем цилиндре, когда всасы­ вающий клапан закрыт. Эта жидкость должна начать двигаться с максимальным ускорением в первый момент всасывающего хода, когда открывается всасывающий клапан. Например (см. рис. 4 з), жидкость неподвижна в коленчатом и достаточно протяженном канале 9 при ходе нагнетания в цилиндре 10. Жидкость, находя­ щаяся в этом канале, должна получить необходимое ускорение с началом всасывающего хода в цилиндре 10. Для преодоления инерционных сопротивлений при этом должен быть применен цент­ робежный подпорный насос, так как атмосферного давления, рав­ ного 1 кгс/см2, для сообщения жидкости необходимого ускорения не хватает, и цилиндры насоса не полностыо заполняются промы­ вочной жидкостью. Центробежный подпорный насос практически можно применять с давлением нагнетания от 3 до 7 кгс/см2, так

как при более высоком давлении срок его непрерывной безотказ­ ной работы существенно сокращается и возрастают эксплуатаци­ онные затраты.

Идея применения подпора для поршневых машин впервые была выдвинута в 1909 г. профессором МВТУ В. И. Гриневецким при­ менительно к двигателям внутреннего сгорания. Однако нагнета­ ние чистого воздуха в камеру сжатия двигателей внутреннего сго­ рания представляет собой задачу технически более легкую, чем подача промывочного бурового раствора в цилиндры поршневого* бурового насоса. Поршневые буровые насосы с подпором до на­ стоящего времени не получили широкого применения из-за ослож­ нений, связанных с эксплуатацией центробежного подпорного на­ соса, работающего на абразивосодержащей вязко-пластическои утяжеленной и горячей промывочной жидкости.

Бесперебойная эксплуатация всей буровой установки зависит от надежности одного центробежного подпорного насоса, при по­ вреждении которого возникают простои во время бурения. С цельюповышения надежности устанавливают два центробежных под­ порных насоса, каждый из которых обвязывают для самостоятель­ ной работы, что излишне усложняет всасывающую линию и уве­ личивает расходы по обслуживанию. Необходимой надежности установки в целом часто при этом все же не достигают.

При промывке скважины водой создаются более благоприят­ ные условия применения центробежных подпорных насосов.

Коренной вал четырехцилиндрового V-образного бурового на­ соса состоит из двух частей 4 и 6 с двумя эксцентриками 5 на каждом из них. Эксцентрики смещены друг относительно друга на 90° по направлению вращения. Передача вращения каждому валу осуществляется независимой зубчатой передачей 7.

В насосах с четырьмя цилиндрами увеличено число деталей, усложнен технологический процесс изготовления, в частности обес­ печения соосности гидравлической и приводной частей.

При эксплуатации насоса фирмы «Кардуэлл» необходимо об­ служивать четыре цилиндра вместо двух, как у обычного насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия. Если буровая уста­ новка включает два или три насоса, то отрицательное свойство структурной схемы четырехцилиндровых насосов, заключающееся в увеличении числа их деталей и повышенной частоте циклов на­ гружения, сказывается сильнее.

При создании насоса предполагали, что изнашивание в плун­ жерной паре будет меньше, чем в цилиндро-поршневой. В буро­ вых насосах с резино-металлическими поршнями при давлении нагнетания более 100 кгс/см2 основным видом изнашивания явля­ ется усталостное вырывание поршневой резины при наличии абра­ зивной прослойки в уплотняемом зазоре. Изнашивание ускоряется тем, что при движении поршня в направлении нагнетаемой жидко­ сти давление нагнетания выдавливает резину в уплотняемый за-

зор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой, а сила тре­ ния, возникающая на боковой поверхности поршня, действует в том же направлении, усиливая затягивание резины в зазор.

В плунжерной паре сила трения направлена навстречу давле­ нию, вследствие чего можно так подобрать параметры уплотни­ тельного узла (в частности, его размеры и величину напряжений предварительного сжатия уплотнения), что выдавливание резины в уплотняемый зазор уменьшится. Кроме того, в неподвижное плунжерное уплотнение легко подавать смазку и его можно пе­ риодически подтягивать, компенсируя происходящее изнашивание и устраняя излишнюю утечку. Это теоретически приводит к уве­ личению срока службы плунжерной пары по сравнению с порш­ невой или позволяет увеличить число двойных ходов плунжера в 1 мин без снижения долговечности уплотнения по сравнению с 'более тихоходной цилиндро-поршневой парой. Однако эти потен­ циальные возможности плунжерной пары пока не удается реали­ зовать на практике. Кроме того, если и можно достигнуть необхо­ димой долговечности плунжерной пары в быстроходном насосе, то для увеличения срока службы клапанного узла нет каких-либо определенных перспектив, а преимущество несколько более рав­ номерной подачи четырехцилиндрового насоса несущественно.

Суммарная кривая 8 подачи жидкости четырьмя цилиндрами одностороннего действия получается в результате сложения че­ тырех одинаковых для всех цилиндров кривых 9 подачи, смещен­

чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, но это не придает четырехцилиндровому насосу лучших эксплуатацион­ ных качеств, так как все равно необходим нагнетательный пневмо­ компенсатор.

Быстроходный плунжерный насос с четырьмя V-образно распо­ ложенными цилиндрами одностороннего действия не нашел про­ мышленного применения ввиду интенсивного изнашивания его смен­ ных деталей гидравлической части (плунжерной пары и клапан­ ного узла), а также в связи с усложнением насосной установки, в которую обязательно входит центробежный подпорный насос.

Насосы с пятью цилиндрами одностороннего действия

Все пять цилиндров одностороннего действия у пятиплунжерного насоса (рис. 13) располагаются в один ряд. Всасывающий коллек­ тор расположен в нижней части гидравлической коробки. Жид­ кость во всасывающем коллекторе почти на всех участках нахо­ дится в непрерывном одностороннем движении в направлении от приемного отверстия 1 к цилиндрам насоса. Всасывающий клапан не отделен от всасывающего коллектора каким-либо патрубком. Нагнетательный коллектор образован отверстием, идущим вдоль

гидравлической коробки 2 и соединяющим полости над нагнета­ тельными клапанами. Нагнетательный трубопровод присоединяется к гидравлической коробке фланцем 3.

Порядок работы цилиндров 1—3—5—2—4 обеспечивает равно­ мерную раздачу жидкости по цилиндрам и равномерное распреде­

жены со смещением по направлению вращения вала на 72° в по­ следовательности, соответствующей принятому порядку работы цилиндров. Суммарная кривая 6 (см. рис. 13,6) подачи жидкости цилиндрами получается в результате сложения ординат кривых 7 подачи жидкости из отдельных цилиндров, отдельные кривые сме­ щены по оси абсцисс на 72° относительно друг друга. Неравномер­ ность подачи ôQT5i~0,l, ч т о значительно меньше, чем у насосов с шестью, четырьмя или меньшим числом цилиндров. Работа пятиплунжерного насоса без пневматического компенсатора не вызывает недопустимых колебаний давления и вибрации оборудо­ вания. Вследствие повышенной быстроходности вес пятиплунжер­ ного насоса снижается. Насос БН150 данного вида приводной мощностью 320 л. с. с числом ходов плунжера 160 в 1 мин и ве­ сом 5 т серийно изготовлялся в 1955—1960 гг. При плунжере диа­