13149

БУДОВА, КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА ГВИНТОВИХ ВИБІЙНИХ ДВИГУНІВ

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6 БУДОВА КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ПРИНЦИП ДІЇ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА ГВИНТОВИХ ВИБІЙНИХ ДВИГУНІВ Мета роботи: вивчити будову область застосування та принцип роботи гвинтових вибійних двигунів. Принцип дії За принципом дії гвинтові двигуни

Украинкский

2013-05-10

224 KB

21 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6

БУДОВА, КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА ГВИНТОВИХ ВИБІЙНИХ ДВИГУНІВ

Мета роботи: вивчити будову, область застосування та принцип роботи гвинтових вибійних двигунів.

Принцип дії

За принципом дії гвинтові двигуни належать до обємних роторних машин. Основними елементами робочих органів таких машин є:

- Статор-корпус з порожнинами, що прилягають кінцями до камер високого і низького тисків;

- Ведучий ротор-гвинт, крутний момент якого передається виконавчому механізму;

- Замикачі гвинтової поверхні, що призначені для герметизування робочих органів і запобігання перетікання рідини із камер високого тиску в камеру низького тиску.

Гвинтові поверхні статора і ротора розділяють робочий обєм двигуна на ряд порожнин. Порожнини, звязані з областями високого і низького тисків, називаються камерами, а замкнені порожнини – шлюзами.

Шлюзи в парі ротор-статор обємних гвинтових двигунів утворюються за таких умов:

- кількість зубів або заходів статора повинно бути на одиницю більше, ніж кількість зубів ротора ;

- відношення кроку статора до кроку ротора повинно бути пропорційне відношенню кількості зубів, тобто

.                                         (6.1)

Ці умови є необхідними і достатними для створення гвинтового двигуна. Відношення кількості зубів ротора і статора називається кінематичним відношенням механізму .

.                                          (6.2)

Із збільшенням кінематичного відношення збільшується крутний момент і знижується частота обертання. Це пояснюється тим, що гвинтовий механізм з багато західним ротором виконує роль двигуна і одночасно понижувального редуктора, передаточне число якого пропорційне західності ротора.

Конструктивні особливості

Основними вузлами вибійного двигуна є: гвинтова пара, двошарнірний вал, шпиндель і зєднувальні перевідники (рисунок 6.1). у компоновку над двигуном встановлюють переливний клапан для полегшення заповнення бурильної колони промивальною рідиною при її спуску в свердловину.

1 – перехідник; 2 – корпус двигунної секції; 3 – статор; 4 – ротор; 5 – карданний вал; 6 – корпус шпинделя; 7 – торцевий сальник; 8 – багаторядний радіально-осьовий підшипник; 9 – радіальна гумометалева опора; 10 – вал шпинделя.

Рисунок 6.1 – Гвинтовий вибійний двигун Д2-172

Основним робочим органом двигуна є гвинтова пара, яка складається із статора і ротора, що являє собою зубчасту пару внутрішнього зачеплення з гвинтовими зубами.

Статор являє собою металеву трубу, до внутрішньої поверхні якої привулканізована гумова обкладка, що має десять гвинтових зубів лівого напрямку, обернених до ротора.

Ротор виконаний з високолегованої сталі, має девять гвинтових зубів лівого напрямку і розміщений ексцентрично по відношенню до осі статора. Довжина кроку ротора відноситься до довжини кроку статора як кількість зубів ротора до кількості зубів статора.

У результаті такого співвідношення, а також за рахунок відповідного профілювання, гвинтові зуби ротора і статора знаходяться в безперервному контакті по всій довжині робочих органів, що забезпечує розділ порожнини високого і низького тисків і здійснення робочого процесу.

Під дією потоку промивальної рідини ротор, обкочуючись по зубах статора, здійснює планетарний рух. Вихідна швидкість обертання ротора в девять разів менша, ніж швидкість переносного руху осі ротора відносно осі статора.

Крутний момент від ротора на вал шпинделя передається двошарнірним зєднанням. Це зєднання виконано у вигляді вала, що має на кінцях два шарніри. Карданне зєднання необхідне для передачі обертання від ексцентрично розміщеного ротора, який здійснює планетарний рух відносно осі двигуна, до вала шпинделя.

Шпиндель необхідний для передачі осьового навантаження на долото, сприйняття гідравлічного навантаження, що діє на ротор. Шпиндель складається з вала, корпуса, багаторядної осьової кульової опори, радіальної гумометалевої опори і сальникового пристрою. Опори шпинделя сприймають також радіальні навантаження від карданного валу.

Розроблені ВНДІБТ гвинтові двигуни за конструктивними ознаками поділяють на односекційні типу Д, секційні типу ДС, двигуни з пустотілим ротором, а також типу ДГ.

Односекційні гвинтові вибійні двигуни типу Д (рис 6.1) містять двигунну і шпиндельну секції, які зєднуються між собою за допомогою конічних різьб.

Робочими органами двигунної секції є багатозаходові гвинтові ротор і статор. Всередині сталевого статора привулканізована гумова обкладка з гвинтовими зубцями лівого напрямку. На зовнішній поверхні сталевого ротора нарізані зубці того самого напрямку. Кількість зубців ротора на одиницю менша, ніж кількість зубців статора, а відношення країв гвинтових ліній пропорційне кількості заходів (рисунок 6.2). ротор розташований в статорі з ексцентриситетом.

Вузол зєднання ротора і вихідного вала шпинделя, який виконаний у вигляді двошарнірного карданного зєднання або гнучкого вала, призначений для перетворення планетарного руху ротора у співвісне обертання вала шпинделя та передачі осьової гідравлічної сили з ротора на підшипник шпинделя.

Шпиндельна секція двигунів різних типорозмірів характеризується деякими особливостями і в загальному виді містить корпус, вихідний вал, осьову опору - багаторядний радіально-осьовий підшипник кочення та радіальні гумометалеві опори.

Рисунок 6.2 – Переріз гвинтових пар.

На нижньому кінці вихідного вала встановлюється наддолотний перехідник для зєднання вала з долотом.

Для застосування гідромоніторних доліт з метою зменшення протікань бурового розчину в опорному вузлі двигуна монтується ущільнення, що забезпечує буріння при перепадах тиску на долоті 8-10 МПа.

Переливний клапан призначений для сполучення внутрішньої порожнини колони із затрубним простором в процесі спуско-підіймальних операцій у свердловині, виключення холостого обертання вала двигуна і втрат бурового розчину при цих операціях.

Секційні гвинтові двигуни типу ДС комплектуються з двох-трьох двигунних секцій, які складаються з гвинтових пар двигунів типу Д, і однієї шпиндельної секції. Секціонування робочих органів сприяє підвищенню довговічності гвинтових пар і двигуна.

Для секціонування робочих органів двигуна розроблені різні варіанти зєднання:

- збирання з орієнтуванням робочих органів по гвинтовій лінії з жорстким зєднанням роторів і статорів з допомогою перехідників (рисунок 6.3);

- збирання без орієнтування робочих органів з жорсткими зєднаннями статорів та зєднаннями роторів з допомогою шарніра (рисунок 6.4) або гнучкого вала (рисунок 6.5).

1 – клапан; 2 – перехідник зєднувальний; 3 – втулка; 4 – статор; 5 – ротор; 6,7,9,10 – перехідники; 8 – муфта; 11 – вал.

Рисунок 6.3 – Схема двосекційного гвинтового двигуна із жорстким зєднанням робочих органів.

1 – клапан; 2 – перехідник зєднувальний; 3 – втулка; 4 – статор; 5 – ротор; 6 – муфта; 7,9,10 – перехідники; 8 – шарнір; 11 – вал.

Рисунок 6.4 – Схема двосекційного гвинтового двигуна з жорстким зєднанням статорів і шарнірним зєднанням роторів.

1 – клапан; 2 – перехідник зєднувальний; 3 – втулка; 4 – статор; 5 – ротор; 6,9,10 – перехідники; 7,11 – вал; 8 – муфта.

Рисунок 6.5 - Схема двосекційного гвинтового двигуна з жорстким зєднанням статорів і зєднанням роторів з допомогою гнучких валів.

Зєднання на конусах може бути надійним при виконанні обовязкової умови встановлення зверху гвинтової пари з меншим зазором, тобто верхня секція має бути ведучою.

Гвинтові двигуни з пустотілим ротором (рисунок 6.6) дозволяють зменшити довжину і масу двигуна та суттєво підвищити стійкість вузла зєднання ротора з валом шпинделя.

Рисунок 6.6 -  Схема гвинтового двигуна Д2-195 із пустотілим ротором.

Ротор виготовляється з трубної заготовки методом фрезерування або штампування  та  зєднується  з  валом  шпинделя через торсіон, розміщений всередині ротора. Така конструкція двигуна дозволяє покращити енергетичну характеристику і коефіцієнт корисної дії та знизити рівень вібрацій двигуна.

За рахунок уніфікації приєднувальних елементів робочих органів і торсіона ці двигуни можуть бути секційовані. У двигунах застосовується простий і надійний  переливний клапан манжетного типу.

Гвинтові двигуни типу ДГ призначені для буріння інтервалів набору кривизни та горизонтальних свердловин. Двигуни ДГ мають укорочений шпиндель, оснащені опорно-центруючими елементами (ОЦЕ) і корпусними шарнірами, які забезпечують ефективне проходження горизонтальних свердловин за потрібною траєкторією.

Характеристика гвинтових двигунів

На рисунку 6.7 представлена типова характеристика вибійного гвинтового двигуна при постійній витраті промивальної рідини. Робоча характеристика гвинтового двигуна являє собою залежність перепаду тиску, частоти обертання вихідного валу, потужності і к.к.д. від моменту опору. На характеристиці можна виділити режим холостого ходу, оптимальний, екстремальний або ефективний і гальмівний режими. Режим холостого ходу спостерігається при відсутності моменту на вихідному валу. При цьому режимі відбувається запуск двигуна. Частота обертання вала в холостому режимі максимальна.

а – режим холостого ходу (М0, nnmax); б, в – оптимальний режим (max, N

max); г – гальмівний режим (n0, Mmax).

Рисунок 6.7 – Характеристика вибійного гвинтового двигуна.

Режим, що відповідає максимуму коефіцієнта корисної дії, називається оптимальним.

Режим максимальної потужності називають екстремальним або ефективним. У гвинтових вибійних двигунів екстремальний і оптимальний режими не співпадають. Зона стійкої роботи двигуна знаходиться між оптимальним і екстремальним режимами. У цій зоні швидкість обертання вала двигуна перевищує на 20-25% номінальну.

Збільшення навантаження на долото після досягнення екстремального режиму призводить до гальмування вала двигуна і різкого погіршення його характеристик.

Характер зміни  і  від моменту  при будь-якій витраті промивальної рідини залишається приблизно однаковим.

Порівняно з турбобурами гвинтові вибійні двигуни мають ряд переваг: відносно низька частота обертання при високому крутному моменті на валу двигуна; можливість контролю за роботою двигуна у звязку із зміною тиску на стояку; перепад тиску на двигуні створює можливість ефективного використання гідромоніторних доліт.

Частоту обертання ротора двигуна визначають за формулою

.                                   (6.3)

де  - обємний коефіцієнт корисної дії двигуна, який залежить від його зовнішнього завантаження;

- обємна витрата рідини;

- теоретичний або робочий обєм рідини, який необхідно пропустити через двигун на один оберт ротора.

Ефективна гідравлічна потужність двигуна визначається як

.                               (6.4)

де  - механічний коефіцієнт корисної дії.

Рисунок 6.8 – Графіки залежності частоти обертання і моменту на валі від кінематичного відношення гвинтового двигуна.

На рисунку 6.8 зображено за М.Т. Гусманом і Д.Ф. Балденком, характерну залежність робочих параметрів від кінематичного відношення гвинтового двигуна.

У 1970 р ВНДІБТ був запропонований турбогвинтовий вибійний двигун, який знайшов застосування на практиці і показав певні переваги.

Модульні турбогвинтові двигуни (рисунок 6.9) включають три основні вузли: шпиндель 1, турбінну секцію 2 і гвинтовий модуль 3. конструкцією передбачені різні варіанти  агрегатування  вказаних вузлів. Залежно від поставлених технологічних  задач можуть використовуватися такі варіанти компоновок: шпиндель і гвинтовий модуль, шпиндель і турбіна секція та шпиндель, турбіна секція і гвинтовий модуль. Монтаж цих компоновок може здійснюватися як в умовах цеху, так і безпосередньо на свердловині.

1 – шпиндель; 2 – турбінна секція; 3 – гвинтовий модуль; 4, 5 – відповідно ротор і статор гвинтової пари; 6 – торсіон; 7 - зєднання торсіона з валом турбінної секції; 8 – вал турбінної секції; 9 – ступінь турбіни; 10 – осьова опора шпинделя; 11 – долото.

Рисунок 6.9 – загальний вигляд (а) та схема (б) модульного турбогвинтового двигуна.

Модульні турбогвинтові двигуни органічно поєднують стабільність енергетичної  характеристики в часі та високу жорсткість лінії моментів, що забезпечує досягнення більш високих показників роботи доліт, ніж при використанні турбобурів або гвинтових двигунів.

Шляхом заміни гвинтового модуля на інший можна ступінчасто регулювати частоту обертання в межах від 80 до 270 об хв.

При інших рівних умовах турбогвинтові двигуни мають значно більший ресурс на відмову, ніж гвинтові двигуни.

При роботі на малоабразивному буровому розчині ресурс турбогвинтових двигунів  на відмову становить 400-500 год.

Модульні турбогвинтові двигуни типу ТВД випускають діаметрами 195 і 240 мм із урахуванням максимального використання уніфікації вузлів серійних турбобурів, високомоментної турбіни А7П3 і серійних гвинтових пар. Така компоновка двигуна забезпечує високі значення моменту сили на валі при відносно низькій частоті його обертання. При цьому передбачається розвантаження гвинтового модуля на номінальному режимі роботи двигуна: модуль або підвищує, або поглинає момент сили тільки при подоланні пікового значення моменту на долоті або його перевантаженні. Це сприяє підвищенню безвідмовної роботи гвинтової пари.

Універсальні турбогвинтові двигуни типу ТПС-У з перетворювачами частоти обертання випускаються діаметрами 172 і 195 мм. турбогвинтові двигуни цього типу комплектуються  взаємозамінними двома або трьома турбінними секціями з плаваючими статорами (ТПС), перетворювачем частоти обертання вихідного вала (гвинтового модуля) та шпиндельною секцією з осьовою опорою.

Турбогвинтові двигуни ТПС-У забезпечують при постійній продуктивності бурових насосів ступінчасту зміну частоти обертання вихідного вала в діапазоні 80-400 об/хв залежно від конструктивного виконання гвинтових пар.

Уніфіковані модульні турбогвинтові двигуни 2ТУ-240КД з покращеними енергетичними і експлуатаційними характеристиками комплектуються взаємозамінними уніфікованими модулями. Нижня секція являє собою односекційний турбобур ТУ-240К. середня секція двигуна конструктивно виконана аналогічно серійній з використанням турбін зменшеної висоти точного лиття (37/11-240ТЛ). Верхня секція двигуна є активним гальмівним модулем, що вміщує в одному корпусі турбінну частину і робочі органи гвинтового двигуна, які зєднуються з допомогою знімного торсіона.

Турбогвинтові двигуни застосовують при температурах до 120 ºС і промиванні свердловини буровими розчинами густиною до 1700 кг/м3 та обємним вмістом вуглеводневих сполук до 5 %. Турбогвинтові двигуни використовують для буріння вертикальних свердловин суцільним вибоєм та з відбором керна, а в компоновці із шпинделем-відхилювачем – для проходження викривлених ділянок свердловин.

Основна особливість турбогвинтових двигунів полягає у можливості переходу гвинтової пари з режиму двигуна (ДР) в насосний режим (НР) і навпаки. Це відбувається за рахунок зміни знаку перепаду тиску на гвинтовій парі. В режимі роботи двигуна джерелом механічної енергії є тиск, створений буровим насосом, а в насосному режимі – механічна енергія, що подається з вала турбінної секції.

При агрегатуванні турбогвинтових двигунів можуть бути використані відроблені гвинтові пари від вибійних гвинтових двигунів.

До недоліків турбогвинтових двигунів слід віднести значну (у порівнянні із гвинтовими двигунами) довжину, що ускладнює їх використання при бурінні горизонтальних і сильно викривлених свердловин. Турбогвинтові двигуни характеризуються також низьким ККД (0,2-0,3).

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1.  Чим характеризується двигун обємного типу в порівнянні із турбіною турбобура?
  2.  Назвіть основні вузли вибійного двигуна та розкажіть про їх призначення.
  3.  Перелічіть переваги та недоліки вибійних двигунів в порівнянні з турбобурами.
  4.  Якими якостями повинен володіти буровий розчин при бурінні за допомогою вибійного двигуна?
  5.  Співставте робочі характеристики турбобура та вибійного двигуна одного і того ж діаметру.
  6.  Чи існує стосовно вибійних двигунів поняття гальмівного режиму роботи?
  7.  Якими параметрами буде відрізнятися режим холостого ходу турбобура та вибійного двигуна?

PAGE  105


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50493. Изучение принципов работы бесконтактных датчиков и датчиков температуры 1.65 MB
  Бесконтактным выключателем (ВБ) называется выключатель, приводимый в действие внешним объектом без механического контакта выключателя и объекта. Коммутация нагрузки производится полупроводниковыми элементами. Все это обеспечивает высокую надёжность работы бесконтактных выключателей. В системах управления они, как правило, выполняют функцию датчиков обратной связи, сигнализируя о завершении выполнения конкретным элементом оборудования команды на перемещение. Но этим их применение не ограничивается.
50494. Проектирование 4-разрядного сумматора 116 KB
  Открыть VHDL файл и записать в него прогр. Сохранить файл под именем dd1 и установить его старшим в иерархии проекта. Список файлов открывается средней клавишей Files. VHDL файлы относятся файлам образующим проект.
50495. Процеси та потоки 134.5 KB
  Крім адресного простору процесу належать такі ресурси як файли динамічні області пам’яті і потоки. Ресурси створювані за життя процесу обов’язково знищуються при його завершенні. Потік thred описує послідовність виконання коду усередині процесу. Первинний потік процесу створюється системою автоматично під час створення процесу.
50496. Взаємодія між потоками 90 KB
  Мета: Засвоїти поняття паралельного виконання «потоків» та освоїти засоби їх синхронізації. Здобути навики синхронізації «потоків» при обробці спільних даних та доступу до ресурсів в операційній системі Windows.
50497. Расчет переходных процессов в линейных цепях 623 KB
  Расчет тока i1 классическим методом. 1)Записываем уравнения Кирхгофа для послекоммутационной цепи: 2) Рассмотрим установившийся режим...
50499. Создание типизованных файлов с использование элементов управления Edit, Button, GroupBox, RadioButton, CheckBox, ListBox 72 KB
  Цель работы Приобретение навыков работы с типизованными файлами использование в работе элементов управления Edit Button GroupBox RdioButton CheckBox ListBox и других для создания форм. Методические указания по самостоятельной работе студентов Типизованный файл – это последовательность данных одинакового типа которая предназначена для долгосрочного хранения на внешних носителях. В C создание типизованных файлов осуществляется путём записи в файл блоков информации одинаковой длины.
50500. Моделирование работы программ в виртуальной памяти и исследование эффективности их выполнения 86.5 KB
  Имитационная модель страничных прерываний Программа моделирует процесс обработки страничных прерываний и выполнение алгоритмов замещения страниц при их отсутствии в физической памяти. Модель реализована в классе VM который сохраняет последовательность обращений к памяти исследуемого алгоритма трассировка и моделирует по ней страничные прерывания и алгоритмы замещения собирая при этом статистику. Для моделирования обращения к памяти используется метод VM::ccessint ddr int write который получает адрес обращения обычно это индекс в...
50501. Дослідження текстового та графічного режимів роботи EPSON-сумісних матричних принтерів 67.5 KB
  Висновок: у даній лабораторній роботі було розглянуто різні шрифти, які використовуються при друку, а також різні режими друку. Було створено програму, яка генерує коди, які розуміє принтер. На симуляторі принтера підтвердилася робочість програми і було роздруковано текст, зображення, а також візитку, яка містила 2 попередні пункти одночасно.