Влияние геометрических параметров рабочих органов
Кинематическое отношение L При заданных расходах жидкости и контурном диаметре кинематическое отношение оказывает определяющее влияние на характеристики ВЗД. Из рис. 4.10 видно, что многозаходные ВЗД обладают повышенным крутящим моментом при низкой частоте вращения, т.е. обладают высоким значением критерия эффективности I/i, определяющего показатели процесса бурения. Хотя по своему КПД много-заходные ВЗД немного уступают двигателям с однозаходным ротором, в целом КПД гидродвигателей с различными значениями i остается на одном уровне.
Контурный диаметр Dк. При заданном кинематическом отношении увеличение контурного диаметра РО приводит к возрастанию рабочего объема ВЗД и соответственному изменению его характеристик. Вместе с тем, возможность варьирования Dк на стадии проектирования ограничена, поскольку исходным параметром является диаметр скважины.
Шаги РО (Т, t). При заданных Dк и Q характеристики ВЗД можно изменять путем изменения шагов винтовых поверхностей статора O и ротора t. С увеличением шагов возрастает рабочий объем V и критерий эффективности I/i гидродвигателя. При выборе шагов РО необходимо учитывать, что увеличение O приводит к увеличению длины РО и общей длины гидродвигателя (это усложняет технологию изготовления РО и снижает эффективность использования ВЗД в наклонно направленном и горизонтальном бурении); снижение O может привести к выходу из оптимального диапазона изменения коэффициента формы поверхности и ухудшению пусковых свойств двигателя (возможность незапуска).
Число шагов РО k. Влияние числа шагов (длины) РО на характеристики в первую очередь связано с изменением числа камер, отделяющих вход и выход гидромашины.
Результаты исследований (рис. 4.15) показали, что с уменьшением длины ротора существенно снижаются такие показатели экстремального режима, как крутящий момент, мощность и перепад давления, а также тормозной момент.
Данные эксперименты подтверждают целесообразность применения многошаговых конструкций РО с целью повышения крутящего момента и мощности ВЗД. Опыт эксплуатации двигателей показывает, что применение многошаговых пар также обеспечивает существенное увеличение их стойкости.
Исследования влияния натяга в паре на характеристики ВЗД, например при испытаниях двигателя Д1-195 в интервале от зазора 0,9 мм до натяга 0,6 мм, продемонстрировали, что с уменьшением натяга характеристика p – I становится более «мягкой» (рис. 4.16): снижается тормозной момент и перепад давлений, крутящий момент в экстремальном режиме. Вследствие возрастания утечек при уменьшении натяга (увеличении зазора) снижается частота вращения и перепад давления в холостом режиме. При уменьшении ? частота вращения в номинальном режиме (для двигателя Д1-195 номинальный крутящий момент принят равным 4 кН?м) существенно снижается (в 2–3 раза при зазоре 0,6 мм по сравнению с натягом 0,3–0,6 мм). Перепад давления в номинальном режиме мало зависит от натяга. При уменьшении натяга снижаются амплитуда поперечных колебаний корпуса двигателя и динамические нагрузки в РО и опорах шпинделя.
По мере износа РО, что равносильно снижению натяга или появлению зазора в паре, рекомендуется в процессе бурения увеличивать расход жидкости.
Влияние расхода жидкости
Расход жидкости Q – один из параметров режима бурения. Чаще всего возможный диапазон изменения Q определяют исходя из технологии бурения скважины и задают конструктору ВЗД вместе с другими исходными данными.
Стендовые испытания ВЗД различных типоразмеров показывают, что с увеличением расхода (рис. 4.17) повышаются как тормозной момент и перепад давления, так и мощность, крутящий момент, частота вращения и перепад давления в экстремальном режиме. КПД гидродвигателя при увеличении Q в допустимом диапазоне изменяется незначительно.
Нижний предел расхода жидкости ограничивается нагрузочной способностью или устойчивостью работы двигателя. Верхний предел допустимого расхода жидкости ограничивается тремя факторами:
высокими инерционными нагрузками при увеличении частоты вращения;
КПД двигателя: при заданном натяге с определенного расхода жидкости происходит снижение объемного ?. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения и перепада давления на длине линии контакта образуется односторонний зазор, приводящий к разгерметизации РО и росту утечек. Кроме того, с увеличением расхода растут и гидравлические потери в двигателе;
износом РО вследствие повышенных контактных напряжений и скоростей скольжения в рабочей паре, а также скорости жидкости в каналах РО.
В случае, если ограничения по расходу не удовлетворяют требованиям гидравлической программы бурения, используется способ разделения потока жидкости через полый ротор двигателя с помощью регулятора расхода.