Характеристика гвинтового вибійного двигуна

Енергетичні параметри гвинтових вибійних двигунів визначаються кінематичним відношенням, а також перепадом тиску і витратою робочої рідини. Тому важливо оцінити вплив цих параметрів на робочу характеристику двигунів.

Головною характеристикою двигуна є залежність моменту від визначального параметру. В об’ємних двигунах крутний момент залежить від перепаду тиску в двигуні. Тому робоча характеристика гвинтового двигуна подається як залежність перепаду тиску, швидкості обертання вихідного вала, потужності і коефіцієнта корисної дії від моменту опору, який долає вал двигуна при його різному навантаженні.

Типова характеристика гвинтового вибійного двигуна при постійній витраті промивальної рідини показана на рисунку 1.28.

На характеристиці можна виділити режим холостого ходу, оптимальний, екстремальний або ефективний та гальмівний режими. Режим холостого ходу відбувається при відсутності моменту опору на вихідному валу. При цьому у режимі холостого ходу при тиску 1-2 МПа відбувається запуск гвинтових вибійних двигунів. Цей тиск витрачається на подолання механічних і гідравлічних втрат. Швидкість обертання вала в холостому режимі максимальна.

 

а – режим холостого ходу (М=0; ω=ω_max); б – оптимальний режим

(h=max); в – екстремальний або ефективний режим (N=max);

г – гальмівний режим (ω=0; M=max)

Рисунок 1.28 – Характеристика гвинтового вибійного двигуна

 

У міру завантаження вала момент зростає внаслідок збільшення перепаду тиску. Збільшення тиску пропорціональне витрачуваному моменту. Зі збільшенням навантаження спостері­гається зниження швидкості обертання вала внаслідок збільшення перетікань через контактні поверхні. Зростання моменту та потужності спричиняє підвищення загального коефіцієнта корисної дії двигуна.

У міру росту моменту перепад тиску в двигуні збільшується майже лінійно, а швидкість обертання вала двигуна знижується спочатку незначно, а при гальмуванні – різко. Залежності зміни потужності двигуна і коефіцієнта корисної дії від моменту мають максимуми. Якщо гвинтовий вибійний двигун працює з макси­мальним коефіцієнтом корисної дії, то такий режим називають оптимальним, а якщо він працює з максимальною потужністю, то режим називають екстремальним або ефективним. Як правило, паспортні дані гідравлічних машин відповідають оптимальному режиму.

У гвинтових вибійних двигунах оптимальний і екстре­мальний режими не збігаються. Зона стійкої роботи гвинтового вибійного двигуна знаходиться між оптимальним і екстремаль­ним режимами. У цій зоні швидкість обертання вала двигуна коливається в межах 250-350 об/хв. і не перевищує 20-25 % від номінальної.

Збільшення навантаження на долото після досягнення екстремального режиму роботи двигуна веде до гальмування вала двигуна і до різкого погіршення його характеристики.

Тиск гальмівного режиму визначається герметичністю пари статор-ротор. Після порушення герметичності промивальна рідина вільно протікає через двигун. Величина гальмівного моменту визначає перевантажувальну здатність двигуна.

Неефективними навантаженнями на долото є такі, при яких момент, що розвиває двигун, менший за момент, необхідний для оптимального режиму роботи.

Характер зміни потужності, швидкості обертання, перепаду тиску і коефіцієнта корисної дії від моменту при будь-якій витраті промивальної рідини залишається приблизно однаковим.

Значення моменту, швидкості обертання і перепаду тиску при збільшенні витрати ростуть майже лінійно, коефіцієнт корисної дії – дещо зменшується, а потужність зростає за залежністю близькою до квадратичної:

(1.36)

.

Момент, підведений до долота, знаходимо з врахуванням втрат моменту в шпинделі гвинтового двигуна, за залежностями, аналогічними як для турбобура.

У деяких керівних документах із застосування прогресивної технології низькообертового буріння гвинтовими вибійними двигунами (Д3-172, Д4-172, Д5 -172) наведені такі залежності швидкості обертання, перепаду тиску, моменту від витрати прокачуваної рідини на різних режимах роботи.

У режимі холостого ходу:

(1.37)

У робочому режимі:

(1.38)

У гальмівному режимі:

(1.39)

Баланс енергії гвинтових вибійних двигунів значно залежить від правильно вибраного натягу робочих органів.

У гвинтовому вибійному двигуні при підвищенні крутного моменту (навантаження на долото) тиск продовжує зростати, поки або не спрацює запобіжний клапан, або рідина, відгинаючи гумові елементи статора, не почне проходити частково на вибій. При цьому знизиться і швидкість обертання. При подальшому збільшенні моменту вал двигуна зупиниться, рідина, відгинаючи гумові гвинтові поверхні статора буде проходити через об’ємний двигун на вибій.

У гвинтовому вибійному двигуні енергія витрачається на подолання гідравлічних опорів, тертя ротора об статор, тертя в шпинделі, деформування гуми статора. Загальний коефіцієнт корисної дії в режимі максимальної потужності гвинтових двигунів складає 48-55 % залежно від попереднього натягу між ротором і статором, мастильних здатностей промивальної рідини, діаметра ротора.

Швидкість обертання ротора гвинтового вибійного двигуна знаходять за формулою:

, (1.40)

де – об’ємний коефіцієнт корисної дії двигуна, який залежить від його зовнішнього завантаження;

– об’ємна витрата рідини;

– теоретичний або робочий об’єм рідини, який необхідно пропустити через двигун за один оберт ротора.

Ефективна гідравлічна потужність гвинтового двигуна залежить від витрати і перепаду тиску в ньому:

(1.41)

де – механічний коефіцієнт корисної дії двигуна;

– перепад тиску.

Зі збільшенням витрати промивальної рідини звужується діапазон стійкої роботи двигуна. Експериментально встановлено, що при збільшенні витрати на 30 % від номінальної зупинка двигуна відбувається при зниженні швидкості обертання від розгінної на 20 %. Це зумовлено тим, що у гальмівному режимі весь потік промивальної рідини проходить через щілини між витками статора і ротора, які утворюються під дією підвищеного перепаду тиску на робочому органі.

Швидкість обертання вала для об’ємних двигунів не залежить від крутного моменту. Проте у гвинтових двигунах відбуваються значні втрати через контактні поверхні при підвищенні перепаду тиску. Тому робочі характеристики гвинтових двигунів є достатньо м’якими.

Виникнення щілин на контакті робочих органів пов’язане з непостійністю орієнтації ротора при роботі. Це пов'язане з тим, що під дією гідравлічних та інерційних сил відбувається радіальна деформація еластичної обкладинки статора, яка призводить до утворення зазору, внаслідок чого рідина перетікає із камери високого тиску у камеру низького тиску.

Об’ємний коефіцієнт корисної дії зменшується при збільшенні тиску і зростає при збільшенні швидкості обертання і робочого об’єму двигуна. Проте, збільшення робочого об’єму двигуна призводить до росту витоків, оскільки збільшується площа щілини. У гвинтових вибійних двигунах із багатозахідним ротором об’єм камери зростає зі збільшенням західності ротора. Тому збільшення об’ємного коефіцієнта корисної дії можна здійснювати вибором відповідного кінематичного відношення.

Зі зношуванням робочих органів гвинтових вибійних двигунів характеристика двигуна погіршується. Залежність крутного моменту і перепаду тиску від швидкості обертання вала наближається до лінійної. У нових гвинтових двигунів найбільший темп росту моменту і перепаду тиску відбувається в межах швидкостей обертання від режиму холостого ходу до режиму максимальної потужності. Це обумовлено підвищенням витоків рідини при збільшенні зазору у робочих органах у міру їх зношування.

Встановлено, що зношування ротора і статора по виступах зубів призводить до порушення герметичності пари, збільшення об’ємних втрат у двигуні і зменшення його навантажувальної здатності. Зношення профілю зубів по боковій поверхні погіршує умови зачеплення пари ротор-статор і збільшує як механічні, так і об’ємні втрати. Робоча пара ротор-статор є вузлом, який найшвидше зношується, і який визначає міжремонтний період роботи двигуна.

Експериментально встановлено, що швидкість обертання гвинтового двигуна Д2-120 при витраті води 0,027–0,03 м³/с зменшується приблизно на 7 % при збільшенні осьового наванта­ження на шарошкове долото зі 100 до 240 кН. На відміну від турбобурів у гвинтових вибійних двигунів швидкість обертання долота не залежить від осьового навантаження.

Потужність гвинтового двигуна може бути підвищена за рахунок збільшення об’єму порожнин двигуна, діаметра ротора, подовженням кроку гвинтової лінії і зміною кількості заходів.