Гидравлика в нефтяной промышленности. Значимость, актуальность устройств, востребованность.

На нефтяных промыслах и буровых предприятиях разнообразную и значительную группу механического оборудования составляют различного типа насосы, турбины, компрессоры, представляющие собой достаточно сложные агрегаты с самыми условиями работы. Такое многообразие типов и значительного количества гидромашин, входящих в состав парка оборудования техники нефтегазовой промышленности, обусловлено их использованием в различных технологических операциях, осуществляемых при разработке нефтяных месторождений.

Область применения любого типа гидромашин характеризуется полями подачи и давления, свойствами перекачиваемой среды (плотность, вязкость, температура, химическая агрессивность, содержание газа и твердых частиц), конструктивно-эксплуатационными особенностями (стационарные, передвижные, наземные, скважинные и т. д).

Поэтому вопросы их рационального применения, степени их соответствия технологическим процессам и другие можно решать, только зная теорию этих механизмов.

Гидравлические машины и компрессоры относятся к обширному классу проточных машин, различающихся по виду рабочей среды и направлению передачи энергии. Проточные машины - это машины, преобразующие механическую энергию двигателя в механическую энергию потока рабочей среды или, наоборот, механическую энергию потока в механическую энергиюдвигателя.

В качестве рабочей среды здесь может выступать как жидкая (капельная) так и газообразная. Соответственно всему вышесказанному, проточные машины делятся на проточные машины - орудия, в виде насосов и компрессоров, служащих для создания, в первом случае, потоков жидкой и - во втором - газообразной сред, и проточные машины-двигатели, представленных в виде различных гидро- и пневмодвигателей.

Некоторая схожесть конструктивного оформления проточных машин-орудий и проточных машин-двигателей объясняется тем, что насосы и компрессоры, имеют много общего с гидро- и пневмодвигателями, поскольку в них совершается процесс, обратный процессу, происходящему в насосах, т.е. энергия жидкости (газа) преобразуется в механическую энергию двигателя.

Существуют системы, совмещающие машины обоих групп. В этом случае рабочая среда служит передаточным звеном между машиной-орудием и машиной-двигателем. Например, гидро- или пневмоприводы, которых энергия жидкости (газа), перекачиваемой насосами (компрессорами) используется для привода в действие гидро- пневмодвигателя.

Сюда же можно отнести комплекс бурового оборудования, состоящий из наземного насоса и забойного двигателя или объемную насосную установку, включающую в себя наземный силовой насосный блок и погружной поршневой двигатель с насосом.

Гидравлические машины и компрессоры, согласно государственному. стандарту, подразделяются по принципу действия на динамические и объемные.

Динамическиминазываются машины, в которых увеличение энергии жидкости осуществляется путем воздействия гидродинамических сил, приложенных к жидкости, в незамкнутой рабочей камере, постоянно сообщающейся со входом в рабочую камеру и выходом из нее.

Объемные – это машины, в которых происходит периодическое вытеснения жидкости из замкнутой рабочей камеры при помощи вытеснителей.

К динамическим относятся центробежные и вихревые насосы, центробежные и осевые компрессоры, турбины (радиальные, радиально-осевые, осевые и тангенциальные), к объемным – поршневые и винтовые насосы и компрессоры, роторные и диафрагменные насосы, гидромоторы.

Гидравлическим явлениям принадлежит ведущая роль в такой области техники, как бурение нефтяных и газовых скважин. При любом способе бурения невозможно обойтись без циркуляции промывочной жидкости, одним из основных назначений которой являются вынос выбуренной породы и создание на стенках скважины малопроницаемой корки (глинизация стенок).

Один из важных вопросов гидродинамики вязкой и вязкопластичной жидкости состоит в том, чтобы определить условия перехода ламинарного (структурного) режима в турбулентный при движении среды в трубе и кольцевом пространстве. Отсутствие достоверных сведений по смене режимов приводит к существенным погрешностям при расчете гидравлических сопротивлений.

Точность гидравлических расчетов зависит не только от достоверности тех или иных количественных соотношений, но и того, насколько точно определены реологические свойства жидкости.

Теория вязкости жидкостей тесно связана с механикой сплошных сред и с молекулярной теорией жидкостей, которая пытается описать свойства жидкостей с помощью функции распределения ближайших соседних молекул некоторой выделенной молекулы, и функции распределения скоростей этих молекул.

В динамических насосах приращение энергии потока жидкости происходим за счет действия гидродинамических сил в незамкнутой рабочей камере, постоянно сообщающейся со всасывающей и нагнетательной полостью. Среди динамических насосов, применяемых в нефтегазовой промышленности, выделяют две группы: лопастные и вихревые. Первая группа относится к лопастным машинам, вторая – к машинам трения.

В лопастных насосах преобразование энергии обусловлено силовым взаимодействием лопастной системы и перекачиваемой среды. Поток жидкости получает энергию от рабочих колес с лопастями, установленных на валу машины.

Вихревые насосы относятся к машинам турбулентного трения. В них жидкость движется в тангенциальном направлении, благодаря действию плоских радиальных лопастей, расположенных на периферии рабочего колеса.

Особенностью объемных насосов является периодическое изменение объема рабочей камеры при вытеснении жидкости вытеснителями. Объемные насосы представлены в промышленности двумя группами: возвратно-поступательные и роторные.

Для больших расходов жидкости при относительно низких давлениях предусматривают, как правило, насосы динамического класса, увеличение давления которых требует повышенной частоты вращения и числа ступеней. Для относительно малых расходов жидкости и высоких давлений обычно применяются объемные насосы (поршневые и плунжерные), у которых величина напора ограничивается только условиями прочности самого насоса и трубопровода и мощностью привода, а подача лимитируется геометрическими размерами рабочих камер и небольшим числом циклов в единицу времени.

Если для производственных целей можно использовать разные насосы, имеющие одинаковые гидравлические характеристики, то учитываются другие факторы: режим работы насоса, стоимость потребляемой энергии, габариты насоса, абразивность жидкости, регулируемость, возможность автоматизации работы, коррозионностойкость и др.

Планетарные (героторные) гидромоторы.

Планетарные гидромоторы являются высокомоментными нерегулируемыми гидравлическими моторами. Крутящий момент и частота вращения определяются рабочим объемом при известном расходе и перепаде давления. При фиксированном рабочем объеме расход жидкости определяет частоту вращения, а перепад давлений — крутящий момент.

Зачастую планетарные гидромоторы имеют больший рабочий объем по сравнению с шестеренными и аксиально-поршневыми. Так, максимальный рабочий объем аксиально-поршневых гидромоторов серии 51 — 250 см3, тогда как самый большой героторный гидромтор серии OMV или TMT 800 см3. За счет этого достигаются высокие крутящие моменты до 2500 Нм. С других случаях для достижения таких величин необходимо использовать связку гидромотора с планетарным редуктором. Ещё один вариант — радиально-поршневые гидромоторы, но это уже совершенно иной уровень цен и ещё большие типоразмеры, что далеко не всегда получается выгоднее гидромотора с редуктором.

Конструкция с героторной парой внутреннего зацепления обеспечивает плавность работы и возможность вращения на низких скоростях, тогда как для аксиально-поршневых гидромоторов нижним пределом скорости вращения считаются 300-500 об/мин. Здесь же такая скорость для многих моторов максимальна, а минимальная до 5 об/мин. По этим причинам планетарные гидромоторы называются высокомоментными и низкоскоростными.

Планетарные гидромоторы имеют 2 шестерни (героторную пару) с внутренним зацеплением: внешнюю неподвижную и внутреннюю подвижную, через которую и происходит передача момента и частоты вращения. Используются исполнения внешней шестерни с посаженными на зубья роликами и без роликов для малых гидромоторов.

Распределитель гидравлического мотора вращается синхронно с внутренней шестерней, что обеспечивается карданным валом. Именно поэтому важно правильно позиционировать распределитель относительно героторной пары при сборке или ремонте гидромотора. В этом случае цикл всасывания — нагнетание для каждой межзубовой полости происходит практически без утечек.

Преимущества орбитальных (героторных) гидромоторов:

- плавность хода во всем диапазоне скоростей;

-постоянный крутящий момент в широком скоростном интервале;

-высокий момент страгивания;

-повышенное противодавление при отсутствии дренажа (усиленное уплотнение вала);

-высокий к.п.д.;

-большой срок службы при работе в экстремальных условиях;

-высокая прочность и компактность;

-высокая стойкость к нагрузкам как в аксиальном, так и радиальном направлениях;

-применимость в гидравлических системах как с открытым, так и закрытым контуром потоков рабочей жидкости;

-возможность использования самых разнообразных рабочих жидкостей.

.

Рисунок 1 – Планетарный гидромотор

Гидромоторы с планетарными шестернями имеют большую величину рабочего объема при ограниченных габаритных размерах. Это достигается за счет того, что на каждый оборот приводного вала приходится большое число тактов вытеснения.

К гидромотору рабочая жидкость подводится через линию А и отводится через линию В. В распределителе (2), запрессованном в корпус (1), предусмотрены два кольцевых канала (13) для подвода и отвода жидкости и 16 продольных желобков распределительной шайбы (10), которая соединена с валом (4) с помощью шлицевого соединения. Таким образом, ротор (6) и распределительная шайба (10) вращаются с одинаковой скоростью. Радиально расположенные пазы (11) на распределительной шайбе соединяют распределитель (2) с рабочими камерами, образованными внутренней поверхностью полого колеса (7), наружной поверхностью ротора, внутренними роликами (8) и боковыми поверхностями. Усилие в рабочих камерах создает крутящий момент на роторе. При этом полое колесо (7) опирается на внешние ролики (9).

Работа гидромотора происходит следующим образом:

-рабочая жидкости из источника питания (насоса) при номинальном давлении подается в подводящую линию А, затем через распределительный диск 10 попадает в рабочие камеры, объем которых ограничен профилем роторной шестерни 6, совершающей вращательное движение, и полого колеса 7, совершающего плоскопараллельное движение, а также местами их контакта. (В отличие от героторного гидромотора, где роторная шестерня вращается с эксцентриситетным смещением оси относительно оси статора, огибая внутреннюю поверхность статорного колеса и, тем самым, меняя объемы рабочих камер, в планетарном гидромоторе роторная шестерня на всем протяжении работы имеет общую ось со статорным кольцом, а сателитное колесо 7 в свою очередь смещается на эксцентриситет и меняет объемы рабочих камер.)

При попадании рабочей жидкости в рабочие камеры она оказывает давление на стенки роликов роторной шестерни 6, причем направление движения зависит от разности открытых площадей ролика. Движение происходит в направлении большей площади, т.к. на нее действует большее усилие. Роторная шестерня, в свою очередь, приводит в движение сателитное колесо 7(гидровращатель), которое меняет объемы рабочих камер, вытесняя жидкость через пазы 11 распределительной шайбы 10 и далее в сливную линию В. Вращение роторной шестерни позволяет создать крутящий момент выходного звена.

Рисунок 2 – Планетарное зацепление высокомоментного гидромотора.