ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОСТИ И ТОЛЩИНЫ ЭЛАСТИЧНОЙ ОБКЛАДКИ СТАТОРА

Влияние этих факторов на характеристики ВЗД во многом тождественно увеличению числа шагов или повышению натяга в паре, поскольку от твердости и толщины обкладки статора зави­сит радиальная деформация статора и в конечном счете фактиче­ский натяг (зазор) в паре.

К настоящему времени данный вопрос в достаточной степени не изучен и требует проведения экспериментальных исследова­ний. В частности, актуальным представляется исследование влияния на характеристики ВЗД коэффициента неравномерно­сти толщины эластичной обкладки

где максимальное, минимальное и среднее значе­ния толщины обкладки.

Такие исследования дадут возможность оценить эффектив­ность использования так называемых "металлических" статоров с постоянной толщиной обкладки.

ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА РАБОЧИХ ОРГАНОВ

В процессе бурения происходит непрерывный износ РО ВЗД и, как следствие, - уменьшение натяга в паре, что приводит к изменению характеристик гидродвигателя. Расчет изменения на­тяга ведется из предположения, что суммарный радиальный из­нос  в паре с течением времени увеличивается по линейной за­висимости [17]

                                                                                                          (6.1)

где  - текущее время бурения с использованием данного ВЗД; W - скорость изнашивания пары.

В общем случае W является переменной величиной и зависит от режима нагружения (крутящего момента и угловой скорости), степени очистки бурового раствора (абразивосодержания) и пер­воначального натяга в паре .

Для инженерных расчетов допустимо считать W постоянной гидродвигателя, значение которой определяется из анализа про­мысловых данных отработки винтовых пар.

Текущий натяг в паре

                                                                                    (6.2)

Согласно (6.2) по истечении некоторого критического време­ни  натяг в паре уменьшается до катастрофического значе­ния или переходит в зазор ( ), при котором двигатель не может развить необходимый крутящий момент и его дальнейшая эксплуатация становится невозможной.

Наработка ( ), соответствующая допускаемому значению износа [ ], определяется экспериментально и зависит от тех же факторов, которые влияют нa W.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ВЗД

Математическое описание характеристик гидродвигателей не­обходимо как в теоретических исследованиях (при проектирова­нии ВЗД и оптимизации их геометрических параметров), так и на практике (при управлении режимом бурения и пересчете ха­рактеристик ВЗД).

При строгом аналитическом описании характеристик гидро­двигателя необходимо установить функциональные зависимости объемных, гидравлических и механических потерь от крутяще­го момента. В отличие от большинства других типов объемных гидромашин для ВЗД такая задача практически невыполнима и может рассматриваться только в абстрактной постановке. Это связано в первую очередь с использованием в качестве одного из элементов эластичного статора, что вследствие радиальной незакрепленности ротора приводит к непостоянной ориентации последнего, нарушающей первоначальный эксцентриситет заце­пления РО [87, 22]. В результате явления непостоянной ориен­тации на части контактной линии образуется зазор, при этом площадь щели и коэффициент расхода, определяющие расход утечек Q, являются непостоянными величинами и зависят от перепада давления Р, что делает аналитический расчет Q крайне затруднительным. Подобные трудности возникают и при расчетах потерь на трение в паре, поскольку переменными являются и коэффициент трения, и удельная контактная на­грузка.

Расчет гидравлических потерь затруднен сложным характе­ром движения потока жидкости по винтообразным камерам (шлюзам) гидромашины.

В связи с этим для прогнозирования характеристик винтовых гидромашин используется метод аппроксимации их стендовых характеристик на заданные условия. Исследования стендовых характеристик ВЗД имеют тридцатилетнюю историю и начинались с первых испытаний отечественных гидродвигателей в 60-х годах. Описание характеристик базируется на результатах стен­довых испытаний, проведенных на полигонах ВНИИБТ в Моск­ве и Перми [34, 35, 64, 97, 116 и др].

Обработка экспериментальных данных показала, что в общем случае механическая и гидромеханическая характеристики нели­ейны и могут быть описаны простыми степенными функциями

                                                                                             (6.3)

где  - показатели степени нелинейности характеристик; , а_р - коэффициенты, зависящие от условий испытаний:

- постоянные ВЗД, соответствующие линейным характе­ристикам:

Для ВЗД всех типоразмеров  незначительно отличается от 1, поэтому в практических расчетах гидромеханическую характери­стику с достаточной степенью точности можно описывать линей­ной зависимостью [17, 64]

                                                                                                  (6.4)

Теоретически с учетом уравнения баланса давления (5.107) характеристика Р - М является линейной в двух случаях:

при сохранении постоянства суммы гидравлических и механических потерь (Р_г + Р_м) в любом режиме, при этом ;

при пропорциональном изменении  (Р_г + Р_м)  с ростом крутящего момента. Экспериментальные данные свидетельствуют, что такое положение близко к действительности, причем , т.е. гидромеханические потери давления растут при приближении к тормозному режиму.

Для определенного типоразмера ВЗД  зависит от расхода жидкости Q и натяга в паре , поэтому кривые механических характеристик  - М гидродви­гателя неэквидистантны (рис. 6.8).

Гидромеханические характеристики ВЗД при изменении Q и , наоборот, как правило, располагаются параллельно друг другу (см. рис. 6.8), следова­тельно, наклон линий Р - М не зависит от расхода и натяга; так что k_p являет­ся важным параметром гидродвигателя, не изменяющимся в процессе бурения. Таким образом, гидромеханическую постоянную k_p можно использовать в каче­стве параметра регулирования при управлении ВЗД: при условии достаточно точного определения давления в процессе бурения скважины можно контроли­ровать режим работы ВЗД, оценивать моментоемкость и состояние вооружения долота [17, 64].

Коэффициент k_p серийно выпускаемых ВЗД для бурения скважин имеет следующие значения:

Типоразмер ВЗД..... Д1-240 Д1-195 ДЗ-172 Д1-105 Д1-54

k_p, кПа/(Нм).......   0,4              0,7            0,9             3,8             35

Рис. 6.8. Влияние расхода жидкости на характеристики ВЗД (     

Значение k_p падает с увеличением диаметра гидродвигателя от 35 кПа/(Нм) для ВЗД с наружным диаметром 54 мм до 0,4 кПа/(Нм) у 240-мм двигателя. Следовательно, с увеличением контурного диаметра РО чувствительность гидро­двигателя к изменению нагрузки на валу уменьшается. Таким образом, более приспособленными для управления процессом бурения по изменению перепада давления в гидродвигателе, при прочих равных условиях, являются ВЗД мень­шего диаметра.

БЕЗРАЗМЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Недостатком зависимостей (6.3) является частный характер аппроксимации (поскольку  и k_p являются размерными пара­метрами), не позволяющий производить пересчет характеристик при изменении расхода жидкости или геометрии РО.

Более удобно использовать относительные характеристики [17]

Где  h - коэффициент накло­на гидромеханической характеристики, определяющий отноше­ние перепадов давления в предельных режимах, h = Р_T/Р_X

Преимущество относительных характеристик (6.5) по сравне­нию с другими известными способами аппроксимации (в частно­сти, полиномные размерные характеристики или процентные ха­рактеристики относительно параметров номинального режима) определяется достоверностью расчетных величин в предельных режимах (  = 1,  = 1 при  = 0;  = 0 при  = 1 ) и незначи­тельным числом показателей подобия.

 является показателем объемных потерь ВЗД: чем выше , тем жестче механическая характеристика. Значение  изменяется от 1,5 до 4 и при прочих равных условиях, растет с увеличением натяга в паре . Так, например, для двигателя Д1-195 при Q = 32 л/с с изменением натяга от 0 до 0,3 мм [64]  увеличивает­ся от 2,3 до 3,2.

Коэффициент наклона h зависит главным образом от числа шагов РО (см. § 6.4). С увеличением длины РО h возрастает. Например, для двигателя диаметром 127 мм при изменении чис­ла шагов от 1 до 3 h увеличивается от 3,0 до 4,2 [66].

В строгом виде Р_T и Р_X описываются сложными функциональными зависи­мостями от Q и , поэтому h в отличие от k_p является переменной величиной.

Вместе с тем анализ стендовых характеристик ВЗД показывает, что Р_х и Р_T с достаточной точностью могут быть описаны линейными (или близкими к ним) зависимостями от О [17, 41]

                                                                                                (6.6)

                                                                                                  (6.7)

где  коэффициенты сопротивлений холостого и тормозного режимов, за­висящие только от геометрических параметров РО, в том числе и от натяга.

В такой упрощающей постановке безразмерный коэффициент наклона h ста­новится независимым от расхода и плотности и определяется отношением коэф­фициентов сопротивлений ВЗД.

Если отношение  не изменяется при различных натягах в паре, что весьма близко к действительности [17], h можно осреднить и рассматривать как параметр гидродвигателя. В этом случае безразмерная гидромеханическая ха­рактеристика ВЗД постоянна и не искажается при изменении расхода или натя­га в паре.

Таким образом,  являются безразмерными показателями подобия ха­рактеристик ВЗД: при равенстве  относительные характеристики гидро­двигателей будут идентичными (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Относительные характеристики ВЗД при различных значениях коэф­фициентов , h:

а - механические; б - гидромеханические

Базовыми параметрамихарактеристик (6.5) являются пара­метры предельных режимов ( ). Угловая скорость в холостом режиме  незначительно отличается от идеальной ско­рости  гидродвигателя:

                                                                               (6.8)

Перепад давления в холостом режиме и тормозной момент при прочих равных условиях зависят от расхода Q и натяга в паре , а следовательно, изменяются с течением времени экс­плуатации ВЗД:

Тормозной момент ВЗД может быть определен двумя спосо­бами:

по расходу жидкости [35]

М_т = pk_TQ, (6.9)

где k_T - коэффициент тормозной нагрузки, зависящий от ; по перепаду давления

                                                                                             (6.10)

При управлении режимом работы ВЗД требуется знание истинных значений коэффициентов сопротивления и нагрузки предельных режимов при различных натягах в паре.

На основе результатов испытаний двигателя Д1-195 [64] при различных на­тягах (  = -0,9 - 0,6) в табл. 6.3 представлены численные значения коэффици­ентов  и k_T, рассчитанные по (6.6), (6.9).

Таблица 6.3

Показатель		Натяг, мм
	-0,9	-0,6	-0,3	0	0,3	0,6
кПа/(кгсм)	34	44	50	53	60	75
kT	135	160	180	200	205	210
	1,88	1,72	1,70	1,78	1,61	1,33

Из табл. 6.3 следует что при изменении натяга от 0,3 мм до 0 (например,  вследствие износа) коэффициент  уменьшается от 60 до 53 кПа/( ), т .е  относительное изменение перепада давления в холостом режиме составит 12 % что должно учитываться при оперативном управлении процессом бурения.

Анализ характеристик ВЗД при различных натягах в паре покрывает что перепад давления в холостом режиме и тормозной момент пропорциональны . Для практических расчетов зависимости Р_Х и М_Т от натяга можно представить.

                                                                                       (6.11)                                                                                          (6.12)

где Р_ХО, М_ТО - перепад давления в холостом режиме и тормозной момент при нулевом натяге;  - постоянные коэффициенты, не зависящие от натяга и расхода.

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 741; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

---

Мы поможем в написании ваших работ!