Будова і принцип дії турбобурів

Турбобур – вибійний гідравлічний двигун, в якого гідравлічна енергія потоку промивальної рідини перетворюється в механічну роботу вихідного вала, до якого приєднується долото.

Перший в світі турбобур був запропонований в 1923 році російським інженером М. А. Капелюшніковим. Турбобури Капелюшнікова не знайшли застосування, тому що при одноступеневій турбіні рідина протікала по її лопатках зі швидкістю (50...70) м/с. Така велика швидкість промивальної рідини, що несла з собою абразивні частинки вибуреної породи, приводила до швидкого зношування лопатей турбіни. Крім цього турбобур Капелюшнікова мав невелику потужність (3,5... 11) кВт і низький ККД (25... 30) %.

В 1934 році інженери П. П. Шумілов, Р. А. Іоаннесян, Е. І. Тагієв і М. Т. Гусман запропонували новий турбобур, який принципово відрізнявся від турбобура Капелюшнікова (в ньому вже була передбачена багатоступенева турбіна). В новому турбобурі число ступеней доходило до 100... 150, що дозволило збільшити потужність турбобура і зменшити частоту обертання вала (цим самим відпала необхідність у редукторі). Ця робота завершилась в 1940 році створенням промислового турбобура.

В сучасних різних моделях турбобурів застосовується від 100 до 350 ступеней. Такі турбобури для зручності виготовлення і монтажу виконують із 2…3 секцій.

Будова односекційного турбобура показана на рис.4.1. Він складається з деталей двох систем: які обертаються – ротора і які не обертаються – статора. До ротора відносяться вал з насадженими на ньому робочими колесами, частинами опор (що обертаються) і деталей кріплення. Систему статора складають корпус з перевідником, направляючі колеса, нерухомі частини опор і ніпель. Кріплення деталей на валу і в статорі забезпечується силами тертя, які діють на торцях деталей при затягуванні різьбових з’єднань роторної гайки і ніпеля. Ротор фіксується відносно статора за допомогою осьової і радіальної опор. Для регулювання взаємного положення лопатевих систем ротора і статора служить кільце 11, розміщене між статором і підп’ятником. Обертовий момент в статорі

1, 24– перевідники; 2 – втулка корпуса; 3 – корпус; 4 – контргайка; 5 – ковпак; 6 – роторна гайка; 7, 10 – диски п’яти; 8 – підп’ятник; 9 – кільце п’яти; 11, 17 – регулювальні кільця; 12, 18 – ущільнюючі кільця; 13 – статор, 14 – ротор; 15 – втулка середньої опори; 16 – середня опора; 19 – упор; 20 – шпонка; 21 – втулка нижньої опори; 22 – ніпель; 23 – вал

Рисунок 4.1 – Односекційний турбобур

сприймається корпусом турбобура, який жорстко зв’язаний з бурильними трубами. Рівний але протилежно направлений обертовий момент, який діє в роторі, через вал турбобура передається долоту.

Турбінні колеса бувають литими або збірними. В умовах вібраційного навантаження застосовують більш міцні монолітні колеса, але кращі форми лопатей з чистою поверхнею мають колеса, змінні ободки яких виготовлені із сталі методом точного литва або із полімерних матеріалів. Маточини збірних коліс виготовлені із трубних заготовок, з’єднуються з лопатевою частиною за допомогою ексцентричного з’єднання. Для підвищення міцності, колеса мають ободки, однак в турбобурах малого діаметру застосовують безободкові диски.

В якості опор турбобура використовують гумометалеві підшипники ковзання і кулькові підшипники: упорно-радіальні, упорні і радіальні.

Гумометалевий упорно-радіальний підшипник виконується у вигляді багатоступеневої проточної п’яти. Ступень п’яти складається із підп’ятника 1, диска 2 і втулки 3. Гумове облицювання підп’ятника (рис.4.2, а) має три робочі поверхні – дві плоскі торцеві, які сприймають осьові навантаження, і внутрішню циліндричну, яка працює як радіальний підшипник.

1 – підп’ятник; 2 – диск; 3 – втулка

Рисунок 4.2 – Гумометалеві підшипники (а, б) і опори кочення (в, г)

Радіальний підшипник середніх опор складається із зовнішньої та внутрішньої втулок і з’єднуючих їх ребер, приварених до втулок. Гумове облицювання завулканізоване у виточці внутрішньої втулки (див. рис.4.1). Радіальним підшипником служить також ніпель.

На всіх гумових облицюваннях розміщені канавки, які служать для мащення підшипників промивальною рідиною. Матеріалом для облицювання служить тепломаслостійка гума, яка зберігає свої властивості при температурі до 110° С, в середовищі, яке містить нафту, газ і інші хімреагенти.

В сучасних турбобурах, поряд з гумометалевими підшипниками, застосовують багаторядні безсепараторні кулькові підшипники – упорно-радіальні (рис.4.2, в) і упорні (рис.4.2, г), а також однорядні радіальні. Упорні підшипники монтують на гумометалевих амортизаторах (їх ресурс в декілька раз вищий, ніж у гумометалевої п’яти).

Досвід експлуатації секційних турбобурів показав неможливість їх використання з гідромоніторними долотами із-за того, що навіть при незначному перепаді тиску через нижню радіальну опору (ніпель) протікає (10…25)% промивальної рідини.

Шпиндельні турбобури дозволяють значно зменшити втрати промивальної рідини і покращити енергетичні характеристики турбобура, оскільки в них осьова опора винесена в окрему нижню секцію – шпиндель (рис.4.3). Функції радіальних опор у шпинделі виконують втулки, які облицьовані гумою і встановлюються над осьовою опорою і під нею. Над верхньою і нижньою радіальними опорами встановлені сальникові ущільнення валу. Звільнення осьової опори від функції радіальної, а також зменшення втрати рідини, що протікає через неї, підвищує ресурс роботи опорних компонентів.

Застосовуються шпинделі, як з гумометалевою опорою, так із багатоступеневою кульковою опорою з встановленням різних сальникових пристроїв, які зменшують просочування промивальної рідини до ніпеля шпинделя.

До шпинделя приєднують одну (при бурінні невеликих глибин), дві, три або чотири послідовно з’єднані турбінні секції, конструкції яких аналогічні до конструкцій верхніх секцій секційного турбобура. Загальна кількість турбін досягає 100…450. Принцип з’єднання турбінних секцій між собою і приєднання до них шпинделя аналогічний з’єднанню секцій у секційних турбобурах (обертовий момент між валами секцій передається через конусно-шліцеві муфти).

Дата добавления: 2015-07-10