Двигатели общего назначения: типы, устройство, принцип действия

Двигатели общего назначения для бурения выпускаются под шифрами типов Д, Д0, Д1, Д2, Д3, Д4 и Д5.

Односекционные винтовые забойные двигатели типа Д (рис. 1) включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конической резьбы. Рабочими органами двигательной секции являются многозаходные винтовые ротор и статор. Внутри стального статора привулканизирована резиновая обкладка с винтовыми зубьями левого направления. На наружной поверхности стального ротора нарезаны зубья того же направления. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, а отношение шагов винтовых линий пропорционально числу зубьев. Узел соединения ротора и выходного вала шпинделя, который может быть выполнен в виде двухшарнирного карданного соединения или гибкого вала, предназначен для пребразования планетарного движения ротора во вращение вала шпинделя и передачи осевой гидравлической силы с ротора на подшипник шпинделя.

С целью уменьшения угла перекоса шарниры разнесены по длине и соединены между собой по конусным поверхностям посредством промежуточной (соединительной) трубы. Присоединение карданного вала к ротору и валу шпинделя достигается с помощью конусно-шлицевых соединений. Благодаря такой конструкции на выходной вал двигателя передается высокий момент силы при низкой частоте вращения, а также обеспечивается высокая долговечность и надежность работы двигателя, что позволяет эффективно использовать его в сочетании с современными конструкциями высокопроизводительных долот с герметизированными маслонаполнен-ными опорами при сравнительно высоких осевых нагрузках.

Рисунок 1 – Винтовой забойный двигатель типа Д:

1, 6 – переводник соединительный; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – торсион;

5 – шпиндель

Шпиндельная секция ВЗД различных типоразмеров имеет отличительные особенности и в общем виде включает корпус, выходной вал, осевую опору – многорядный упорно-радиальный подшипник качения и радиальные резинометаллические опоры. На нижнем конце выходного вала установлен наддолотный переводник для соединения вала с долотом.

Для применения гидромониторных долот с целью снижения утечек бурового раствора в опорном узле двигателя монтируется уплотнение (сальниковое устройство торцевого типа с твердосплавными уплотняющими элементами), обеспечивающее бурение при перепадах давления на долоте до 7, 85 МПа. Переливной клапан служит для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством в процессе проведения спуско-подъемных операций в скважине с целью снижения гидродинамического воздействия на разбуриваемые породы при спуске и подъеме бурильной колонны, исключения холостого вращения вала двигателя и потерь бурового раствора при проведении указанных операций.

Секционные винтовые забойные двигателипредназначены для бурения вертикальных (ДС) и наклонно направленных (ДГ) скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не выше 100 °С.

Поскольку энергетическая характеристика односекционного ВЗД ухудшается по мере износа рабочих винтовых пар и при зазоре в них свыше 1, 0 мм, применение такого двигателя становится практически нецелесообразным, то секционирование рабочих органов, в том числе повторным использованием отработанных винтовых пар, является одним из наиболее перспективных направлений повышения долговечности винтовых пар – межремонтного периода работы ВЗД в целом. Последнее обстоятельство обусловливается тем, что при таком конструктивном решении снижаются удельные нагрузки в рабочей паре, а требуемый момент силы на выходном валу обеспечивается при сниженном расходе бурового раствора, вследствие чего уменьшается износ рабочих пар. Благодаря этому расширяется область эффективного применения ВЗД в районах с осложненными условиями бурения с промывкой буровыми растворами на водной основе различных типов – от облегченных до утяжеленных.

Секционный забойный двигатель типа ДС-195 собирается в промысловых условиях из двух или трех двигательных секций, состоящих из винтовых пар серийных двигателей типа Д1-195 (рис. 2) и одной шпиндельной секции с шаровой или резинометаллической опорой. Они выпускаются с наружным диаметром 195 мм и применяются при бурении скважин в конкретных горно-геологических условиях разрезов нефтяных, газовых и га-зоконденсатных месторождений.

Рисунок 2 – Двигательная секция двухсекционного двигателя типа Д1-195 с соединением роторов при помощи шарнира:

1 — клапан; 2 — переводник соединительный; 3 — втулка распорная; 4 — статор; 5 — ротор; 6 — муфта; 7, 9, 10 — переводники; 8 — шарнир; 11 — вал

Для секционирования рабочих органов двигателя разработаны различные варианты сочленения роторов и статоров и приспособления для осуществления их сборки. Конструктивное исполнение секционных двигателей может быть следующим:

сборка с ориентированием рабочих органов по винтовой линии с жестким соединением статоров и роторов с помощью переводника;

сборка без ориентирования рабочих органов с жестким соединением статоров и соединением роторов с помощью шарнира или гибкого вала.

Сочленение на конусах может быть надежным при выполнении обязательного условия установки сверху винтовой пары с меньшим зазором, т.е. верхняя секция должна быть ведущей. В противном случае возможен подъем верхней секции ротора и рассоединение конусов и, как следствие, нарушение сочленения.

Для соединения ротора двигательной секции с валом шпиндельной секции может применяться карданный или гибкий вал.

Секционный двигатель позволяет работать при перепадах давления в насадках используемых долот до 7, 85 МПа.

Винтовые забойные двигатели с разделенным потоком предназначены для бурения вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного назначения с промывкой буровым раствором на водной основе плотностью до 1300 кг/м³ в условиях температуры до 100 °С.

Отличительной особенностью этих двигателей является то, что в них соединение полого ротора с валом шпинделя осуществляется через торсион, размещенный внутри ротора. Ротор изготавливается из трубной заготовки методом фрезерования или еще более перспективным методом штамповки из тонкостенной трубы.

Уменьшение массы ротора и применение торсиона, размещенного в роторе, позволили уменьшить длину и массу двигателей на 10-15 %, а также существенно (в 3-4 раза) увеличить стойкость узла соединения ротора с валом шпинделя. Кроме того, такая конструкция двигателя позволяет улучшить энергетическую характеристику двигателя, повысить его КПД и в 2-4 раза снизить уровень вибраций двигателя.

За счет унификации присоединительных элементов рабочих органов и торсиона эти двигатели могут быть секционированы, что позволяет повысить момент силы на валу и мощность, а также значительно увеличить срок службы рабочих органов. В двигателях применяется простой и надежный переливной клапан манжетного типа.

Винтовые забойные двигатели типа ДГпредназначены для бурения горизонтальных скважин, в том числе с малым радиусом искривления. В отличие от других ВЗД двигатель имеет укороченный шпиндель, оснащен опорно-центрирующими элементами и корпусными шарнирами, обеспечивающими эффективную проводку горизонтальных скважин по заданной проектом траектории. Кроме этого, созданы ВЗД типов ДР и ДГР, предназначенные для капитального ремонта скважин, отличающиеся от других типов наличием искривленного переводника с регулируемым углом перекоса.

Все винтовые двигатели выпускаются в шпиндельном исполнении. Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигателя, состоящий из корпуса, выходного вала, осевых и радиальных подшипников. Большинство конструкций ВЗД позволяет произвести отсоединение шпинделя от силовой секции без ее демонтажа, в том числе в условиях буровой.

Все узлы трения шпинделя смазываются и охлаждаются буровым раствором. Он является одним из главных узлов двигателя и передает крутящий момент и требуемую осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, а также воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в рабочих органах двигателя, и радиальные нагрузки от долот и шарнирного соединения секций. При использовании долот с гидромониторными насадками шпиндель выполняет функции уплотнения выходного вала, позволяя создавать необходимый перепад давления в насадках.

Шпиндель ВЗД является унифицированным узлом со шпинделями, применяемыми в турбобурах. Шпиндель состоит из корпуса, монолитного полого вала, соединяемого с помощью муфты вверху с шарниром или с гибким валом, и внизу с помощью наддолотного переводника – с долотом. Для восприятия осевых нагрузок используются упорно-радиальные и осевые подшипники качения и скольжения. Осевые подшипники выполняются многорядными и способны работать при износе до 5 – 7 мм.

Лекция 6 Турбопередачи

Характеристика турбопередач

Турбопередачи применяются во многих силовых приводах, действующих в условиях переменного режима нагружения. Турбопередачи не вытесняют механические передачи, а дополняют их там, где это выгодно.

Схема турбопередачи изображена на рис. 6.1. Это лопастной насос и гидравлическая турбина, связанные замкнутым кругом циркуляции жидкости. Вал насоса является первичным валом гидравлической трансмиссии, а вал турбины – вторичным.

Главное свойство турбопередачи – то, что ее к.п.д. в значительной степени зависит от передаточного отношения и лишь при определенном значении достигает своего максимума. Эта особенность вытекает из известных свойств составных частей передачи – лопастного насоса и турбины.

Рисунок 6.1 – Схема турбопередачи

1 – вал двигателя; 2 – рабочее колесо центробежного насоса; 3– соединительный трубопровод; 4 – реактор; 5 – рабочее колесо турбины; 6 – ведомый вал турбопередачи;

7 – спиральный подвод турбины; 8 – резервуар; 9 – отсасывающая труба; 10 – всасывающая труба насоса; 11 – спиральный отвод насоса.

Представим, что при неизменном расходе жидкости в круге циркуляции перепад давления в турбине не зависит от частоты ее вращения. Таким свойством обладает, в частности, нормальная осевая турбина. Лопастной насос, прокачивающий жидкость через турбину как через постоянное гидравлическое сопротивление, работает в некотором

режиме. При этом потребляется мощность N1-(точка S), не зависящая от нагрузки на турбину и частоты её вращения. Поэтому кривая к. п. д. передачи повторяет некотором масштабе кривую изменения мощности iV₂, а линия коэффициента трансформации — линию изменения вращающего момента турбины (сравнить рис. 24.3, б ж в).

Рис. 6.2. Характеристики частей турбопередачи.

В действительности расход жидкости Q в круге циркуляции не сохраняется неизменным, а колеблется из-за непостоянства

перепада давления в турбине, а также в результате изменения угла направления потока а₁ при входе в рабочее колесо лопастного насоса. Вследствие колебания расхода жидкости характеристика турбины деформируется, сохраняя однако свой характер. Так, к. п. д. турбины, а следовательно, и к. п. д. всей передачи равен нулю при затормаживании (и₂ = 0) и при полной разгрузке (М_г =0), а в интервале между п₂ = 0 и п₂ = п_2так достигает своего максимума. Положение максимума к. п. п. зависит от конструкции турбопередачи.

6.2. Турбомуфты

В турбомуфте рабочие колеса центробежного насоса и турбины предельно сближены, так как они заключены в общий корпус. Между ними в круге циркуляции нет никаких неподвижных лопаток, воспринимающих опорный крутящий момент.

Схема турбомуфты показана на рис. 6.3. При отсутствии на грузки на ведомом валу турбинные и насосные колеса вращаются с жидкостью синхронно, без относительного перемещения. С нагружением ведомого вала частота вращения турбины уменьшается, и появляется циркуляция жидкости. Скольжение муфты

Характеристики турбомуфты при полном ее наполнении жидкостью представлены на рисунке 6.4.

На внешней характеристике турбомуфты при n, = idem достаточно построить две кривые зависимости - общего крутящего момента М ик п. д. от щ. Линия М в другом масштабе характеризует также мощность на первичном валу N,. Мощность на вторичном валу при любом режиме вращения определяется по формуле

Безразмерная характеристика отличается от рассмотренной только" тем " что вместо М по оси ординат откладываются значения коэффициента крутящего момента, а по оси абсцисс величины Если не учитывать момента трения в окружающей среде, можно считать, что к = 1, и тогда _П = »_в, г, т. е. кривая к. п. д. представляется прямой линией. При п„ приближающейся к п_ук п. д. турбомуфты теоретически стремится к единице.

Рис.6.3. Схема турбомуфты.

1- ведущий вал; 2 – ведомый вал; 3 – турбинное колесо; 4 – вращающейся кожух;

5 – насосное колесо.

Рис. 6.4. Характеристики турбомуфты при полном наполнении.

а – внешняя; б – универсальная.

Внутренняя полость турбомуфт бывает двух видов: с внутренним тором и без внутреннего тора.

В настоящее время преимущественно распространены турбо-муфты второго вида благодаря простоте их конструкции и большей мощности (при равных размерах).

Движение жидкости в турбомуфте без внутреннего тора при частичных наполнениях имеет некоторые особенности [2]. При s = О свободная поверхность жидкости располагается, как показано на рис. 6.5, а. С увеличением нагрузки (s ]> 0) частота вращения турбинного колеса уменьшается и возникает относительное движение, в результате которого происходит перераспределение жидкости между насосным и турбинным колесами. На жидкость теперь действуют центробежные силы, возникающие не только от вращения жидкости относительно оси турбомуфты, но тт в результате движения ее в меридиональных плоскостях так, как показано стрелками на рис. 6.5, б. В дальнейшем происходит расслоение между центростремительной и центробежной ветвями потока сначала в пределах турбинного колеса (рис. 6.5, в), а затем, когда центростремительная ветвь достигает внутреннего радиуса го полости, она входит в насосное колесо, так что жидкость образует кольцо, прижатое к чашам насосного и турбинного колес (рис. 6.5, г). В зоне перехода к этой кольцевой

В отличие от других турбомашин турбомуфты всегда изготовляют с плоскими радиальными лопатками (|3_1л = р₂₁ =*90°), но плоскости лопаток могут быть расположены по-разному. В связи

Рис. 6.5.. Формы потока в турбомуфте при частичном наполнении.

а — при s = 0; б — при s = 5 -f-10%; в — при s = 30 4- 35%; г—при s> 40 — 45%.

Рис. 6.6. Турбомуфта с порогом.

а — при малом скольжении; б — при большом скольжении.

Угол наклона лопаток в значительной степени влияет на характеристику муфты, а отсюда и на ее размеры. На режиме s = 0, 03 муфта с лопатками, наклоненными вперед на 45°, передает момент в 2, 5 раза больший (а при наклоне лопаток на 45° назад всего на 5% меньший) по сравнению с муфтой без наклона лопаток. На режиме s = 1 (турбина остановлена) соотношение моментов в трех указанных случаях 100: 10: 1 J2]. Это свойство турбомуфт важно для их использования в качестве гидродинамических тормозов буровых

лебедок (п₂ = 0), когда требуется большое сопротивление при спуске груза и очень малое при подъеме незагруженного крюка.

В зависимости от регулируемости турбомуфты подразделяются на две группы:

1) нерегулируемые, у которых любому - крутящему моменту соответствует единственное значение м₂, что неудобно там, где требуется изменение скорости ведомого вала при постоянной скорости ведущего;

2) регулируемые, характеристика которых зависит от положения регулирующего органа (черпательной трубы, заслонки и др.)-

6.3 Регулирование турбомуфт.

Регулируемые турбомуфты позволяют при данной нагрузке на вторичном валу осуществлять различное скольжение, т. е. они являются вариаторами скоростей. Обычно эти муфты снабжены черпательными трубами, возвращающими жидкость с периферии к

центру муфты. Черпательные муфты изготовляют стационарными, поворотными и выдвижными.

Система с выдвижной трубой изображена на рис. 6.7. Каждому положению черпательной трубы 1, перемещаемой в вертикальной плоскости, соответствует определенное наполнение проточной полости. Черпательная труба своим загнутым концом отчерпывает жидкость из корпуса 2, вращающегося вместе с насосным колесом,

Рис. 6.7. Турбомуфта с черпательной трубой.

и направляет ее через маслоохладитель 4 обратно в проточную область. Дополнительная камера имеет объем, достаточный для полного опорожнения муфты при разъединении ведущего и ведомого валов. Турбомуфта снабжена пластинчатым клапаном 3, позволяющим, быстро опорожнить проточную полость и, соответственно, быстро снизить скорость ведомого вала. Характерно, что при остановках муфты жидкость располагается ниже вала, благодаря чему отпадают жесткие требования к уплотнениям и соосности валов.

Регулирование турбомуфт постоянного наполнения достигается перекрытием проточных каналов рабочих колес заслонкой, раздвижкой рабочих колес или поворотом лопаток. Такие муфты распространены меньше, чем муфты с черпательной трубой.

6.4 Турботрансформатор

Турботрансформатор в отличие от турбомуфты имеет по крайней мере один неподвижный лопаточный аппарат, называемый реактором. Последний воспринимает разницу в крутящих моментах

Рис. 6.8. Колеса турбо-передач.

а — турботрансформатора: 1 — реактор, 2 — насосное колесо, , 3 — турбинное колесо, 4 — кожух; б —турбомуфты: 1 — насосное колесо, г — турбинное колесо, 3 — кожух.

на обоих валах трансформатора. Благодаря реактору характеристика турботрансформатора может иметь сколь угодно малую «жесткость», даже равную единице, если она совершенно «непрозрачная». В некоторых случаях «прозрачность» характеристики является полезным свойством, и тогда можно применить турботрансформаторы, у которых кривая крутящего момента на первичном валу поднимается к оси ординат.

Вместе с тем реактор в турботрансформаторе является источником значительных гидравлических потерь, вследствие чего максимальный к. п. д. турботрансформатора не превышает 0, 80—0, 85, тогда как у турбомуфты он равен 0, 96—0, 98. Но зато диапазон (примерно до 0, 8) у трансформатора равен примерно двум, и в некоторых конструкциях может быть еще более расширен, тогда как is турбомуфтах этот диапазон равен всего 1, 25.

Там, где при наличии зубчатого редуктора отпадает необходимость в трансформации момента, турбомуфту следует предпочесть трансформатору тем более, что конструкция ее проще, главным образом благодаря плоским радиальным лопаткам (рис. 12.8)

Для совмещения положительных качеств турбомуфты и турботрансформатора (высокого к. п. д. для первой и регулируемости при сохранении сравнительно высокого к. п. д. для второго) применяют универсальные турбопередачи, которые в зависимости от нагрузки могут превращаться из турботрансформатора в турбомуфту и наоборот. Преимущество такого превращения выявляется особенно в буровых подъемных установках. При больших нагрузках турбопередача, являясь трансформатором, предохраняет двигатель от перегрузки. Если нагрузки небольшие, как например, во время подъема порожнего элеватора, передача превращается в муфту с прозрачной характеристикой. В результате двигатель, имеющий регулятор скорости, автоматически снижает подачу топлива и соответственно вращающий момент и мощность. При этом сохраняется высокий к. п. д. турбопередачи, так что мощность двигателя не затрачивается бесполезно на нагревание рабочей жидкости.

Схемы турботрансформаторов весьма разнообразны. В зависимости от числа турбинных колес турботрансформаторы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Многоступенчатый турботрансформатор, имеющий двух- или трехступенчатую турбину, при ограниченном расходе жидкости в проточной полости позволяет передавать большие крутящие моменты, т. е. при равных передаточных отношениях может иметь увеличенные коэффициенты трансформации.

Свойства турботрансформатора зависят от взаимного расположения лопастных колес в проточной полости. В одноступенчатом трансформаторе наиболее распространена последовательность первого класса: насос — турбина — реактор (считая по направлению потока в меридиональном сечении). Так как при этом реактор предшествует насосу, то угол входа потока в насос не зависит от частоты вращения турбины, благодаря чему сохраняется неизменной характеристика Q — // насоса при постоянной частоте вращения его вала и, как следствие, обеспечивается «непрозрачность» характеристики.

Рис.6.9. Схема трехступенчатого турботрансформатора.

Среди многоступенчатых трансформаторов наиболее распространен трехступенчатый трансформатор типа Лисхольм-Смит, применяемый во многих отраслях промышленности без существенных изменений. Геометрия его рабочих органов показана на рис. 6.9.

Лекция 7

Поршневые компрессоры

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒