Разработка конструкции гидродинамического тормоза буровой лебедки мощностью 710 кВт-Модернизация гидродинамического тормоза УТГ-1450 буровой лебедки ЛБУ-1200-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Разработка конструкции гидродинамического тормоза буровой лебедки мощностью 710 кВт-Модернизация гидродинамического тормоза УТГ-1450 буровой лебедки ЛБУ-1200-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
Бесступенчатый регулятор уровня жидкости тормоза ТГ-1450 (УЗТМ-1450)

Зарубежные тормоза комплектуются в основном ступенчатыми регуляторами, по принципу работы не отличающимися от отечественных. Гидродинамические тормоза американской фирмы “Паркерсбург” наряду со ступенчатыми комплектуются и бесступенчатыми регуляторами клапанного типа, в которых регулирование обеспечивается путем изменения степени открытия сливного клапана, имеющего вид усеченного конуса. Примерная принципиальная схема регулятора приведена на рис. 2.5 регулятор состоит из бака 1, имеющего на дне сливное отверстие 12 с клапаном 2, соединенным со штоком 3. На штоке установлена пружина 4, которая прижата между консольной частью опоры 5 и упорной шайбой 10, установленной на штоке.
Опора 5 прикреплена к крышке 13 бака. Под действием пружины шток выталкивается вниз вместе с клапаном и закрывает сливное отверстие 12. Открытие клапана осуществляется пневмоприводным цилиндром 7. Движение поршня 14 через шток 15 передается коромыслу 6, которое в свою очередь, преодолевая силу действия пружины, поднимает шток вместе с клапаном.
Холодная вода из магистрали поступает в регулятор через патрубок 18, а в тормоз из регулятора через патрубок 17. Горячая вода поступает в регулятор через патрубок 16.
В пневмоцилиндр сжатый воздух поступает по шлангу 11 от регулятора давления 8 с регулирующим вентилем 9. Степень открытия клапана зависит от величины давления воздуха, поступающего от регулятора давления в пневмоцилиндр. С повышением давления воздуха степень открытия клапана также увеличивается.


1-бак; 2-клапан; 3-шток; 4-пружина; 5-опора; 6-коромысло; 7-цилиндр; 8-регулятор давления; 9-регулирующий вентиль; 10-упорная шайба; 11-шланг; 12-отверстие; 13-крышка бака; 14-поршень; 15-шток; 16,17 и 18-патрубки; 19- сливное отверстие.

Рисунок 1.12 - Принципиальная схема бесступенчатого регулятора уровня жидкости тормоза 1524 мм (60 дюймов фирмы «Пакербург»)

Управления регулятором осуществляется с пульта оператора. Следует отметить, что данная конструкция бесступенчатого регулятора уровня жидкости не позволяет использовать подаваемую холодную воду полностью, так как основная часть ее уходит через сливной клапан, прежде чем поступает в тормоз. Кроме того, в случае прекращения подачи холодной воды в бак вся вода уходит через сливное отверстие 19, что может привести к аварии.
1.4.3 Сравнительная оценка работы ступенчатого и бесступенчатого
регуляторов уровня жидкости

Бесступенчатое регулирование уровня жидкости наиболее рационально: возможно дистанционное управление работой тормоза непосредственно с пульта, обеспечиваются благоприятные условия работы оператора и сокращается время, затрачиваемое для установки уровня в регуляторе. Кроме того, при бесступенчатом регулировании возможно осуществить весь процесс спуска бурильных колонн с оптимальной скоростью, при которой сокращается машинное время.
Для сравнения работы ступенчатых и бесступенчатых регуляторов определим среднее машинное время при спуске бурильной колонны с применением обоих регуляторов.
На рисунке 2.6 приведены принципиальные схемы регуляторов указанных типов.
Допустим, что ступенчатый регулятор имеет mc сливных клапанов и в зависимости от уровней h’ic жидкости в баке регулятора величина тормозного момента Mт тормоза изменяется:

(1.9)

Для простоты расчетов примем, что в процессе регулирования обеспечивается условие:

(1.10)

т.е. интервалы между двумя уровнями подобраны подобраны таким образом, что разница тормозных моментов, соответствующих двум соседним уровням, является постоянной величиной (практически это легко осуществимо).
Исследуем работу тормоза при уровнях и (два соседних уровня). Графика зависимости тормозных моментов от частоты вращения и уровня жидкости (в пределах двух соседних уровней) для тормоза УЗТМ-1450 приведены на рис. 2.7). Проведем условные линии, изображающие статические моменты, обусловленные спуском каждой свечи.
Из рисунка 1.14 можно заключить, что инструмент, сила тяжести которого соответствует моменту Mст1, спускается при уровне мм с оптимальной скоростью vоп (nоп). А при условии Mст > Мст1 спуск происходит при уровне h’2=-240 мм со скоростью меньше оптимальной, так как в ступенчатом регуляторе невозможно получить промежуточные уровни (пунктирные линии).




Рисунок 1.13 - Принципиальная схема ступенчатого (а) и бесступенчатого (б) регуляторов уровня жидкости




Рисунок 1.14 - Графики зависимости М = f(n, hi) тормоза УЗТМ-1450 в двух уровнях: 1 – h1 = - 400 мм; 2 - h2 = - 240 мм;

Среднее машинное время при спуске ic свеч с использованием ступенчатого регулятора

  (1.11)
где lc – длина свеч;
v1, v2, …., vоп – скорости спуска крюка.

Среднее машинное время, затраченное для спуска ic свеч с использованием бесступенчатого регулятора, будет определяться из выражения:

      (1.12)

На основе условия (2.2) можем заключить, что

   (1.13)

Следовательно, в выражении (2.3) сумма в скобке является арифметической прогрессией, т.е.

(1.14)
Затраты времени при спуске всех свеч (mc ic) от минимального уровня до полного заполнения тормоза определяется:
- для ступенчатого регулятора

   (1.15)
- для бесступенчатого регулятора

     (1.16)

Определим отношение затрат времени

      (1.17)
или
    (1.18)

Из этого равенства можно заключить, что коэффициент зависит от скорости v1 (vоп – скорость для обоих регуляторов одинакова), а скорость v1 в свою очередь зависит от числа переливных клапанов на регуляторе. С увеличением их числа v1 приближается к vоп. В практических расчетах вместо скорости крюка удобнее использовать частоту вращения вала лебедки, т.е.

     (1.19)

Учитывая, что при спуске одной свечи (при установившемся движении на валу лебедки) крутящий момент Мст от статической нагрузки равен тормозному моменту Мт, можно найти частоту вращения вала лебедки в зависимости от статической нагрузки

    (1.20)

Для количественной оценки работы ступенчатых и бесступенчатых регуляторов в качестве примера определим коэффициент для ступенчатого регулирования тормоза УЗТМ-1450. Значения тормозных моментов при уровнях h’1=-400 мм и h’2=-240 мм (от оси вала) подсчитаны согласно приведенной методике. Результаты расчетов приведены ниже,

Глубина бурения h, м……………………………………………..5000
Длина свеч lc, м……………………………………………………36
Общее число свеч ic mc …………………………………………...140
Число использованных переливных клапанов mc ……………...6
Тормозной момент (Н*м)
при оптимальной частоте вращения n =200 об/мин и при уровнях, мм:
h’1=-400……………………………………………………….25 600
h’2=-240……………………………………………………….33 200
Максимальный крутящий момент на валу лебедки от статической
нагрузки на крюке Мстм, Н*м …………………………………...70 000
Приращение тормозного момента при спуске каждой свечи
М0=Мст м/ic mc, Н*м ………………………………………………500
Частота вращения вала лебедки при спуске первой свечи
об/мин……………………………………….177
Коэффициент …………………………………...0,94

Из приведенного расчета можно заключить, что вследствие применения бесступенчатых регуляторов в процессе спуска бурильных колонн затраты среднего.


1.4.4 Предложение по совершенствованию конструкции гидродинамических тормозов УТГ - 1450

В качестве усовершенствования конструкции гидродинамического тормоза выбран патент № 215161 автор К.Г. Осипов (Россия).
Известны гидродинамические тормоза, включающие ротор и статор с поворотными лопатками.
Для упрощения конструкции тормоза предлагается статора располагать по образующим цилиндра, охватывающего ротор.
На рисунке 1.15 а схематически изображен описываемый тормоз; на рисунке 1.15 б – положение лопаток в момент полного включения и выключения тормоза.
Рабочее колесо 1 тормоза состоит из ряда плоских лопаток, расположенных радиально или с некоторым наклоном, и ступицы. Лопатки статора располагаются по периферии и имеют оси вращения, параллельные оси рабочего колеса. В зависимости от осевых размеров и нагрузок каждая лопатка может состоять из двух частей. Одна часть 2 лопатки имеет опорные цапфы, другая 3 имеет поводок 4 с шипом, входящим в паз на поворотном диске 5.
а)
б)
Рисунок 1.15 Гидродинамический тормоз с поворотными лопастями

Тормоз при работе постоянно заполнен водой. Жидкость образует два круга циркуляции: правый и левый. Не перекрытые лопатками кольцевые полости К и Л обеспечивают возврат жидкости с поворотных лопаток и поступление ее на рабочее колесо.
Перемещение диска 5 осуществляется приводом, состоящим из двигателя 6 и двухступенчатой передачи, содержащей червячную пару 7 и шестерню 8, входящую в зацепление с сектором 9, укрепленным на диске.
На фиг. 2 показано два положения лопаток основными линиями – при полном включении тормоза, когда он развивает наибольший момент сопротивления, и пунктирными линиями – при полном его выключении.
Поворотные лопатки образуют цилиндр и оказывают потоку весьма незначительное сопротивление трения. Устанавливая лопатки промежуточные положения, можно получить любые промежуточные характеристики тормоза.
Для отвода тепла предусмотрен отвод нагретой и подвод холодной воды. Количество поступающей воды для отвода тепла можно регулировать входным краном вручную или автоматически.
Гидродинамический тормоз предлагаемой конструкции может найти применение в буровых лебедках в качестве нагрузочного устройства на испытательных стендах.
Гидродинамический тормоз, включающий ротор и статор с поворотными лопатками, отличающиеся тем, что, с целью упрощения конструкции, лопатки статора расположены по образующим цилиндра, охватывающего ротор.

Выводы

Подъемной характеристикой лебедки называют зависимость скорости подъема от нагрузки на крюке, выраженную в графической либо табличной форме. Подъемная характеристика рассчитывается в результате совместного рассмотрения конструктивно-кинематических параметров лебедки и механической характеристики используемых двигателей. Гидродинамические тормоза буровых лебедок, используемые для ограничения скорости спуска бурильных и обсадных труб в скважину, представляют собой лопаточное гидравлическое устройство, состоящее из вращающегося ротора и неподвижного статора, рабочая полость которых заполнена жидкостью. Гидродинамический тормоз действует подобно гидромуфте в тормозном режиме, при котором турбинное колесо заклинивается и скольжение становится равным 100 %. При вращении радиальные лопатки ротора отбрасывают жидкость от центра к периферии и направляют её на лопатки статора. Пройдя по межлопаточным каналом статора, жидкость вновь попадает на лопатки ротора и, таким образом, устанавливается замкнутая циркуляция жидкости между ротором и статором.
Силы гидравлических сопротивлений, обусловленные трением жидкости в межлопаточных каналах и потерей напора на удары в вихревых зонах между лопатками ротора и статора, создают тормозной момент, противодействующий вращению ротора. Величина тормозного момента зависит диаметра и частоты вращения ротора и регулируется уровнем наполнения гидродинамического тормоза рабочей жидкостью. Механические потери, вызываемые трением в опорах и уплотнениях вала ротора, не влияют существенно на величину тормозного момента. Механическая энергия, поглощаемая в процессе торможения, превращается в тепловую и вызывает нагрев рабочей жидкости и деталей гидродинамического тормоза

Объемы буровых работ из года в год увеличиваются, как в Казахстане так и в мире, растут глубины бурения и повышаются требования к машинам и оборудованию применяемым для проводки скважин.
Гидродинамические тормоза относятся к вспомогательным и обладают высокой надежностью в работе, в связи с чем они получили широкое распространение.
Данный дипломный проект посвящен разработке усовершенствованной конструкции гидродинамического тормоза.
Мощность гидродинамического тормоза определяется размером рабочего колеса и частотой вращения.
Основным недостатком гидродинамических тормозов является значительная потеря энергии при вращении вала лебедки во время подъема незагруженного элеватора (обратное вращение) и поэтому в работе предложено усовершенствование конструкции статора и приведены его конструкционные и прочностные расчеты.
В качестве прототипа выбран УТГ – 1450. Также рассмотрены разделы безопасности и охраны труда, охрана окружающей среды, приведены экономический расчеты.
Пояснительная записка дипломного проекта содержит 4 раздела на 90 страницах, графических частей – на 6 листах и спецификацию к ним.
Буровые лебедки являются одним из основных элементов в комплексе буровой установки и ей присвоен второй номер, при этом лебедка является одним из основных потребителей мощности привода буровой установки и агрегатом определяющим эффективность проведения спуско-подъемных операций и технико-экономических показателей строительства скважины.
К буровым лебедкам в целом и тормозным устройствам в частности, предъявляются повышенные требования по надежности и эффективности работы, так тормозные устройства буровых лебедок должны отвечать следующим основным требованиям:
- тормозной момент должен быть достаточным для надежного удержания колонны труб наибольшей массы, соответствующей допускаемой грузоподъемности лебедки;
- привод тормоза должен обеспечить плавное регулирование тормозного момента и мягкую посадку на стол ротора колонны;
- тормоз должен растормаживаться одновременно с включением лебедки и исключать самопроизвольное торможение и расторможение;
- температура на поверхности трения фрикционной пары должна соответствовать допускаемой температуре нагрева материала пары;
- конструкция тормоза должна исключать самопроизвольное торможение расторможение и обеспечить легкость управления, удобство и доступность осмотра, регулирования и замены износившихся деталей и узлов.
Тормозные устройства по назначению делятся на основные и вспомогательные. Гидродинамический тормоз относится к вспомогательным регулирующим тормозам. Силы гидравлических сопротивлений между лопатками ротора и статора, создают тормозной момент противодействующий вращению ротора. Величина Мт зависит от диаметра и частоты вращения ротора и регулируется уровнем наполнения гидродинамического тормоза рабочей жидкостью. Механическая энергия при торможении преобразуется в тепловую и вызывает нагрев жидкости и деталей гидродинамического тормоза, что требует охлаждения жидкости.
С увеличением глубин бурения использование гидродинамических регулирующих тормозов будет только увеличиваться, что требует более пристального изучения их работы. Их использование и широкое распространение в БУ обусловлено простотой конструкции и тому, что в зависимости от его наполнения автоматически устанавливает скорость спуска колонны.