Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Современный уровень развития зарубежных и отечественных производителей винтовых забойных двигателей 17
Раздел 2. Теоретические основы и методы решения поставленных задач 31
Раздел 3. Определение физико-механических свойств резиновой смеси 42
Раздел 4. Сравнительные прочностные и тепловые расчеты секций рабочих органов ВЗД со статорами стандартной и новой конструкции 56
4.1. Прочностной расчет по определению степени увеличения жесткости винтового зуба статора 59
4.1.1. Учет внутреннего перепада давления жидкости 59
4.1.2. Учет действия крутящего момента ротора 69
4.2 Сравнительный прочностной расчет напряженно-деформированного состояния стандартного статора и нового статора 74
4.2.1. Одношаговый статор винтового забойного двигателя диаметром 95 мм 74
4.2.2. Одношаговый статор винтового забойного двигателя диаметром 195 мм 86
4.2.3. Многошаговые конструкции статоров винтового забойного двигателя 101
4.3 Тепловой анализ статоров стандартной и новой конструкции 105
4.4 Критерии выбора оптимальных конструкций новых статоров 115
Раздел 5. Стендовые и промысловые исследования энергетических характеристик винтовых забойных двигателей со статором новой конструкции 117
Основные выводы 131
Список литературы 133
- Современный уровень развития зарубежных и отечественных производителей винтовых забойных двигателей
- Учет действия крутящего момента ротора
- Тепловой анализ статоров стандартной и новой конструкции
- Стендовые и промысловые исследования энергетических характеристик винтовых забойных двигателей со статором новой конструкции
Введение к работе
Актуальность работы
Эффективное использование долот современных конструкций режущего типа возможно лишь при наличии мощного гидравлического забойного привода, работающего при частоте вращения вала 100-400 об/мин, который бы отвечал необходимым требованиям по надежности и долговечности.
Этим требованиям соответствует многозаходный винтовой забойный двигатель (далее ВЗД). При этом с каждым годом его доля в общем объеме бурения увеличивается. Это отечественное изобретение причислено зарубежными специалистами к выдающимся достижениям буровой техники 20 века. Преимущества и потенциальные возможности этого прогрессивного забойного двигателя дали возможность совершить качественный скачок в технологии бурения сложных по профилю горизонтальных и многозабойных скважин, а при капитальном ремонте скважин ВЗД занял лидирующее положение.
Вместе с тем на сегодня количество прерванных долблений из-за внезапных отказов ВЗД ещё достаточно велико, что приводит к дополнительным затратам на спуско-подъемные операции и снижению технологических показателей бурения. Из выявленных дефектов ВЗД после наработки до 250 часов бльшую долю занимает разрушение резиновой обкладки статора. Повреждения эластомерной обкладки ведут к значительному снижению энергетических характеристик двигателя вплоть до его полного отказа.
Кроме того, для получения высоких крутящих моментов на выходном валу ВЗД используют статоры увеличенной длины (до 7 метров). При производстве таких статоров имеются технологические сложности, связанные с формированием резиновой обкладки, и наблюдается высокий процент брака. При бурении скважин с малыми радиусами искривления ствола применение статоров больших длин также вызывает определенные технологические сложности.
При бурении глубоких скважин с высокими температурами на забое не обеспечивается долговечность ВЗД из-за увеличения механического износа рабочих органов и деформации обкладки при температурном расширении резины, и, как следствие, снижения сопротивления эластомера циклическим нагрузкам.
Кроме того, на забое статор стандартной конструкции не обеспечивает постоянство энергетических характеристик ВЗД из-за изменения упругих свойств резины вследствие её нагрева до высоких температур и увеличения механических потерь на трение при температурном расширении обкладки.
Таким образом, требуется дальнейшее улучшение энергетических характеристик, повышение надежности и ресурса отечественных ВЗД для эффективного применения современных долот. Учитывая, что бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также их капитальный ремонт в большинстве случаев ведутся винтовыми забойными двигателями, необходимость создания ВЗД с повышенными энергетическими характеристиками и долговечностью весьма актуальна.
Цель работы.
Повышение показателей бурения винтовыми забойными двигателями путем создания секций рабочих органов с улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками за счет новой конструкции статора.
Основные задачи исследования:
1. Исследование методов повышения энергетических характеристик секции рабочих органов ВЗД.
2. Определение конструктивных решений по созданию новой секции рабочих органов с повышенными энергетическими характеристиками.
3. Разработка методики и проведение прочностного и теплового расчетов элементов конструкции новой секции рабочих органов.
4. Разработка конструкторской документации на экспериментальную секцию рабочих органов на основании анализа результатов прочностных и тепловых расчетов.
5. Проведение стендовых испытаний экспериментальных образцов с целью получения информации о работоспособности новых секций рабочих органов ВЗД и изменении их энергетических характеристик.
6. Проведение промысловых испытаний новых секций рабочих органов на скважинах.
Методы исследования.
В работе использованы методы компьютерного моделирования, аналитические и графоаналитические методы, экспериментальные исследования, стендовые и промысловые испытания.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечиваются:
- использованием в расчетах методов теории упругости и современных компьютерных расчетных программ, основанных на численном методе конечных элементов;
- положительными результатами стендовых испытаний экспери-ментальных секций рабочих органов;
- положительными результатами промысловых испытаний и эффективной отработкой ВЗД с экспериментальными секциями рабочих органов на буровых предприятиях России.
Научная новизна:
1. Научно обосновано новое направление совершенствования конструкции рабочих органов ВЗД с целью повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик путем повышения жесткости винтового зуба статора с улучшением отвода тепла от резиновой обкладки.
2. С использованием компьютерного моделирования разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния статора ВЗД с учетом физико-механических характеристик резиновой смеси, используемой для формирования обкладки.
3. Разработана математическая модель прочностного и теплового расчетов с целью выбора оптимальной толщины резиновой обкладки в области вершины зуба статора и оптимальной степени увеличения жесткости зуба статора. Предложены схемы граничных условий для модели поведения элементов конструкции рабочих органов ВЗД в скважине.
4. Создан метод расчета температурных полей статора, возникающих при работе ВЗД на нагруженном режиме, и разработана эффективная методика прочностного и теплового расчетов элементов конструкции новой секции рабочих органов ВЗД.
Практическая значимость работы:
-
Разработаны и защищены патентами два варианта конструктивного исполнения статора ВЗД новой конструкции, в которой для повышения жесткости винтовых зубьев использована тонкостенная винтовая металлическая оболочка с внутренним циклоидальным профилем.
-
Создана технология изготовления и освоено производство секции рабочих органов ВЗД со статором предложенной конструкции.
-
Разработан и испытан новый эффективный метод обточки тонкостенных труб, позволяющий изготовлять статоры с внутренним винтовым металлическим профилем.
-
Стендовые испытания экспериментальных секций диаметром 95 мм показали увеличение крутящего момента и максимальной мощности более чем в полтора раза по сравнению со стандартными секциями сопоставимой длины, а также более «жесткую» нагрузочную характеристику работы ВЗД.
-
Стендовые испытания экспериментальных секций ВЗД диаметром 195 мм показали возможность уменьшения длины зацепления рабочих органов в 1,7 раза без изменения таких энергетических характеристик, как крутящий момент, мощность и КПД.
6. Разработанные секции рабочих органов показали свою эффективность в ходе промысловых испытаний в ОАО «Азнакаевский горизонт», ООО «Нефтекамское УБР» и филиале ЦГБ ООО «Газпром бурение».
Апробация результатов исследования.
Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на технических совещаниях ЗАО «Нижневартовскбурнефть» (г. Нижневартовск) и ООО «Смит Сайбириан Сервисез» (г. Губкинский), на заседаниях ученого совета ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» (г. Пермь), ОАО «НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ» (г. Москва) и ООО «ПермНИПИнефть» (г. Пермь), на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПГТУ).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах, из них 2 патента РФ, в т.ч. в 7 публикациях ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и основных выводов. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 48 рисунков. Список использованных источников включает 52 наименований.
Современный уровень развития зарубежных и отечественных производителей винтовых забойных двигателей
Решение проблемы повышения надежности и энергетических характеристик ВЗД необходимо искать в конструкции РО двигателя. На сегодня имеются следующие распространенные методы повысить мощностные характеристики ВЗД:
- за счет изменения геометрии зацепления ротор-статор, что обычно реализуется увеличением наружного диаметра статора;
- увеличением длины активной части статора, при неизменной геометрии зацепления ротор-статор (данный способ подробно описан в статье «Влияние увеличения длины рабочих органов на энергетические характеристики и долговечность винтовых забойных двигателей») [13, 14].
Очень часто конструктор не может варьировать наружным диаметром и длиной рабочих органов, так как они ограничены технологией бурения. Таким образом, улучшение энергетических характеристик ВЗД необходимо искать,вхамой конструкции рабочих органов оптимизируя предшествующие варианты исполнения или создавая новые.
Анализ последних исследований по улучшению энергетических характеристик ВЗД- показывает, что конструктивные изменения ведутся в направлении увеличения жесткости винтовых зубьев рабочих органов- и улучшения отвода тепла от резиновой обкладки [15]. В данной работе рассматривается стандартная конструкция статора, представляющая собой металлический остов с внутренней цилиндрической расточкой и прикрепленной резиновой обкладкой, имеющей внутреннюю винтовую поверхность циклоидального профиля. Стандартная конструкция сравнивается с новой конструкцией статора, отличающейся тем, что металлический остов имеет внутреннюю винтовую поверхность циклоидального профиля № прикрепленную к нему резиновую обкладку. Известны следующие конструктивно-технологические решения по формированию внутреннего винтового профиля металлического корпуса статора:
- фрезерование внутренней поверхности трубной или цилиндрической металлической заготовки;
- ковка трубной металлической заготовки на винтовом сердечнике;
- литье металла в полость между корпусом и винтовым сердечником;
- пластическое деформирование методом обкатки роликами внутренней поверхности металлической заготовки;
- набор металлических пластин или сегментов с вырезанным циклоидальным профилем;
- установка в цилиндрический корпус тонкостенного винтового штампованного металлического вкладыша;
- установка в сердцевину резинового зуба металлического прутка.
Приведенные выше способы изготовления новых статоров используют такие известные зарубежные производители как «Baker Hughes», «Kachele», «Robbins&Myers», «BICO», «Schlumberger», «Drilex systems». Сегодня российские производители бурового оборудования, являющиеся конкурентами на внутреннем рынке, также ведут активную работу по созданию новых статоров - ООО «ВНИИБТ-Буровой" инструмент», ООО «Пермнефтемашремонт», ЗАО «Гидробур-сервис» и ООО. «Фирма «Радиус-Сервис». Стоит признать, что сегодня отечественный производитель бурового инструмента вынужден догонять развивающегося зарубежного производителя. Однако, ни в зарубежной, ни в отечественной литературе нет информации о методах проектирования статоров новой конструкции с уменьшенной толщиной резиновой обкладки.
Фирма «Schlumberger» имеет патент на рабочие органы типичной конструкции [16], представленной на рисунке 1.1, где корпус статора имеет внутренний винтовой циклоидальный профиль, а резиновая обкладка может иметь разную толщину на выступах и впадинах винтовых зубьев. Технологически изготовить такой цельный металлический корпус статора сложно. Если внутренний профиль выполнять фрезерованием или ковкой на всей длине статора, то производителю необходимо иметь дорогостоящее оборудование. При изготовлении методом ковки для статоров с различной геометрии- профиля и шага винтовой линии необходимо ставить отдельные эксперименты на определение отклонения винтового шага, т.к. имеет место эффект «пружинения» заготовки из-за действия остаточных напряжений в заготовке.
По патенту, принадлежащему ООО «Фирма «Радиус-Сервис» [17] для упрощения изготовления статора остов может быть.составным из корпуса и вставных статорных гильз, соединенных сваркой (рис. 1.2). Цилиндрические гильзы с внутренней стороны имеют винтовые зубья. Недостатком данной-конструкции является множество сварных соединений, которые не могут обеспечить достаточный запас прочности конструкции при наклонно направленном бурении.
Статор фирмы «Robbins & Myers» [18] имеет цельную гильзу (Рис. 1.3), установленную в цилиндрический корпус. С точки зрения надежности такая конструкция является предпочтительной из-за отсутствия сварных соединений между внутренними гильзами, но технологически является более сложной, т.к. необходимо выдержать геометрию винтового зуба и хода винтовой линии на большой длине.
Павловский машиностроительный завод предлагает по патенту [19] внутреннюю гильзу и остов статора конструкции, представленной на рис. 1.3, изготавливать из разных материалов: остов статора выполнен из стали или титанового сплава, а гильза из сплава на основе цинка, меди или алюминия. Таким образом, коэффициент теплопроводности материала гильзы может быть в несколько раз больше коэффициента теплопроводности остова, чем может обеспечиваться лучшее отведение теплоты от резины. Из-за применения дорогих материалов конструкция отличается высокой себестоимостью. Еще одним . недостатком изготовления внутреннего винтового профиля статоров методом литья легким сплавом является ненадежность крепления к ним резиновой обкладки, обусловленная низкими адгезионными свойствами материалов.
Фирма «Artemis Kautschuk and Kunstofftechnik» по патенту [20] предлагает секцию рабочих органов винтового забойного двигателя, остов статора которой представляет собой цилиндрический корпус со вставленной в него тонкостенной оболочкой (рис. 1.4). Такую конструкцию отличает минимальный вес. Недостатком данной конструкции может быть деформация вставленной оболочки из-за большого давления в рабочих камерах при работе ВЗД, а также при большом давлении резиновой смеси на этапе заливки статора при его изготовлении. Более сильно этому подвержена оболочка, изготовленная методом деформирования, т.к. материал её достаточно пластичен.
Конструкция фирмы «Drilex systems» [21] отличается тем, что полости между цилиндрическим остовом статора и винтовой оболочкой заполнены упругоэластичным материалом (рис. 1.5) для предотвращения деформирования тонкостенной оболочки. Однако, применение такого наполнителя не обеспечивает отвода теплоты от резиновой обкладки из-за низкой теплопроводности.
«Фирма «Радиус-Сервис» по патенту [22] заявляет, что для устранения недостатков данной конструкции полости между оболочкой и остовом статора можно заполнить металлом, но упускает технологическую возможность осуществления такого решения.
Жесткость винтового зуба статора может быть повышена и более простым способом. Арматурой может являться металлический пруток (рис. 1.6). Данная конструкция запатентована фирмой «Go-Anker» [23]. Арматура может располагаться по всей длине винтовой линий статора или только в нижней его части. Статор такой конструкции не обеспечивает отведение теплоты от резиновой обкладки.
Учет действия крутящего момента ротора
Схема граничных условий, приведенная на рисунке 2.1, описывает напряженно-деформированное состояние статора от действия внутреннего перепада давления жидкости и оценивает контактное взаимодействие рабочих органов ВЗД. Однако, такая схема не учитывает воздействие на обкладку статора крутящего момента ротора. Для оценки деформации резиновой обкладки статора от действия крутящего момента ротора произведен прочностной расчет согласно схеме, приведенной на рисунке 2.2.
Значение крутящего момента выбрано согласно результатам стендовых испытаний двигателя Д-95 с кинематическим отношением 5/6 и длиной активной части резиновой обкладки 3000 мм на режиме максимального КПД. Момент составил 1,22 кН-м.
По результатам расчета деформации резины в зависимости от толщины резиновой обкладки при действии крутящего момента ротора 1,22 кН-м выявлено, что конструкция статора с эквидистантными, профилями обкладки и металлического остова имеет увеличенные деформации резины на 20% по сравнению-со статором стандартной конструкции, на 4,6% по сравнению со статором с толщиной резины 5 мм, и на 3,7% пс сравнению со-статором с толщиной резины 4,5"мм:
Максимальные значения деформации резины от воздействия момента ротора во всех рассмотренных, случаях (рис. 4.8) расположены в области контакта с ротором на поверхности обкладки, где охлаждение резины эффективно осуществляется потоком промывочной- жидкости. Результаты расчета, а именно поля деформации обкладки, использованы далее при тепловых расчетах.
Таким образом, в диапазоне толщины резиновой обкладки от 4 до 5 мм изменения максимальных значений деформации резиновой обкладки от действия крутящего момента ротора не превышают 5%, что незначительно по сравнению с изменениями уровня деформации резины от внутреннего перепада давления жидкости в статоре. Тогда рациональная конструкция нового статора определяется по п.4.1.1. В данном случае — это конструкция с эквидистантными профилями обкладки и металлического остова.
Тепловой анализ статоров стандартной и новой конструкции
Для рассмотренных выше одношаговых статоров стандартной и новой конструкции в габаритах 95 мм и 195 мм произведен расчет по определению температуры разогрева резиновой обкладки статора во время работы ВЗД [48].
Целью теплового расчета является определение эффективности охлаждения резиновой обкладки статоров различных конструкций и, в совокупности с результатами прочностных расчетов, выбор оптимальной толщины обкладки нового статора.
При повышенных температурах резина, применяемая для изготовления обкладки статора ВЗД, изменяет свои физико-механические и упруго-эластичные свойства, а при нагреве до температуры 180С термически разрушается.
Поскольку динамическая усталость резин в своей основе является процессом, аналогичным статической усталости резин, было сделано предположение, что температурно-временная зависимость прочности при динамическом режиме выражается уравнением, аналогичным уравнению статической долговечности [49]: r = CVr"exp , (4.3)
где т —долговечность при многократных деформациях растяжения; а—максимальное истинное напряжение за цикл; С", т— константы;
U—энергия активации процесса разрушения; Т—абсолютная температура; к — постоянная Больцмана. Из уравнения (4.3) видно, что с повышением температуры образца и напряжения долговечность понижается.
Поэтому с точки зрения стабильности энергетических характеристик ВЗД при длительной работе на нагруженных режимах и повышения долговечности статора вопрос об охлаждении обкладки і статора является очень важным.
Улучшение охлаждения обкладки статора, разогревающейся вследствие действия циклических деформаций резины, являлось одной из задач создания новой конструкции статора. Использование в конструкции статора значительно меньшего объема резины, являющейся материалом с низкой теплопроводностью, и применение металлического корпуса с внутренним винтовым циклоидальным профилем должно обеспечить эффективное охлаждение резиновой обкладки. Резиновая обкладка нового статора охлаждается в наиболее разогретых зонах не только внутренним потоком промывочной жидкости, как это осуществляется для статора стандартной конструкции, но и потоком жидкости в затрубном пространстве через металлический корпус отведением теплоты к его наружной стенке.
Так как каждый зуб статора с определенной периодичностью, зависящей от частоты вращения ротора и кинематического отношения рабочих органов, испытывает одинаковые деформации резиновой обкладки, в тепловом расчете рассмотрен один зуб статора.
При бурении на большой глубине достаточно сложно определить температуру промывочной жидкости внутри и снаружи статора, это зависит от множества факторов. Поэтому при определении методом конечных элементов распределения температурных полей в резиновой обкладке для модели статора применены граничные условия, при которых происходит наиболее эффективное охлаждение резины - температура жидкости внутри и снаружи статора принимается равной 20С.
Для теплового расчета принимается:
- теплоемкость резины 2000 Дж/кг-К, теплоемкость стали 486 Дж/кг-К;
- теплопроводность резины 0,15 Вт/м-К, теплопроводность стали 52 Вт/м-К;
- температура циркулирующей промывочной жидкости внутри и снаружи статора равна 20С (293 К);
- коэффициент теплоотдачи на границе резина-вода 300 Вт/м -К, коэффициент теплоотдачи на границе сталь-вода 1500 Вт/м -К.
Задача определения температурных полей статора рассмотрена как стационарная тепловая задача генерации тепла с учетом конвективного теплообмена, представленная на рисунке 2.5.
Резина является вязко-упругим материалом, часть механической энергии деформации преобразуется в тепловую. Генерацию тепла в эластомере под действием внешних нагрузок можно определить по формуле 2.26.
Значения деформации резины в каждой точке обкладки при расчете выделения теплоты использованы в соответствии с результатами проведенного прочностного расчета. Значения частоты нагружения v винтового зуба статора использованы в соответствии с результатами стендовых испытаний серийных двигателей Д-95 и Д-195 на режиме максимального КПД при расходе 8 и 34 л/с соответственно. Частота-вращения ротора ВЗД внешним диаметром 95 мм и кинематическим отношением 5/6 принята равной 4 Гц, внешним диаметром 195 мм и кинематическим отношением 6/7 - 3,5 Гц.
При расчете выделяемого тепла используютсяf значения деформации эластомера, определенные в прочностных расчетах (раздел 4.2), как от действия перепада давления жидкости в рабочих камерах, так и от действия крутящего момента ротора. Предполагается, что при полном обороте ротора-, отдельный зуб статора воспринимает деформации от - действия» перепада давления жидкости в рабочих камерах при. контакте «вершина зуба-ротора -вершина зуба, статора», от натяга при контакте «впадина ротора - вершина зуба статора», ъ: также4 от действия? крутящего,- момента ротора количество раз, равное количеству зубьев ротора.
Вычисленные значения выделяемого тепла в резине при циклическом деформировании обкладки статора от воздействия момента ротора, внутреннего перепада давления и натяга рабочих органов приведены на рисунках 4.24 и 4.25.
Из-за более высоких значений деформации резины в обкладке нового статора в отдельных областях генерируется больше теплоты, чем в обкладке стандартного статора.
Определены поля температур в обкладке статоров. Распределение температурных полей в статоре показано на рисунках 4.26, 4.27, 4.28, 4.29.
Стендовые и промысловые исследования энергетических характеристик винтовых забойных двигателей со статором новой конструкции
Испытания экспериментальных секций рабочих органов ВЗД проводились на горизонтальном испытательном стенде, разработанном специалистами «ВНИИБТ - Буровой инструмент», снимающем стендовую характеристику ВЗД в виде зависимостей частоты вращения и давления от тормозного момента сопротивления при постоянном расходе рабочей жидкости [51, 52]. В качестве рабочей жидкости при стендовых испытаниях использовалась вода.
При помощи измерительно-информационной системы в течение испытания производилась регистрация и обработка на ЭВМ параметров работы ВЗД: расхода рабочей жидкости, вращающего момента на валу шпинделя, перепада давления, частоты вращения вала. По полученным параметрам построены графики зависимостей мощности и КПД двигателей от тормозного момента.
Целью испытаний экспериментальных секций рабочих органов является определение работоспособности новой техники, энергетических характеристик опытных образцов, подтверждение правильности выбранного способа увеличения энергетических характеристик ВЗД.
Опытные секции рабочих органов ВЗД собирались из, статоров- новой конструкции и серийных роторов. Винтовая поверхность циклоидального профиля серийных роторов получена фрезерованием І ДЛЯ стендовых испытаний опытные секции рабочих органов собирались с серийной шпиндельной секцией, прямым переводником и шарнирным торсионом. Во избежание поломок система автоматики стенда была настроена на отключение насосов при достижении давления 12 МПа для секции диаметром 95 мм и 14 МПа для секции диаметром 195 мм.
Испытания включали обкатку опытной секции рабочих органов на режиме холостого хода в течение 15 минут перед определением энергетических характеристик. Цель обкатки - разогрев резиновой обкладки статора.
На предприятии ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» изготовлены и прошли стендовые испытания секции рабочих органов ВЗД диаметром 95 и 195 мм со следующими параметрами (таблица 5.1)
Сравнение энергетических характеристик экспериментальных секции рабочих органов ВЗД диаметром 95 мм в составе с новыми статорами проведено с осредненными показателями серийных образцов.
Для сравнения энергетических характеристик секций рабочих органов с различными длинами зацепления вводятся их удельные значения, отнесенные к ходу винтовой линии статора.
Результаты стендовых испытаний секций рабочих органов Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2.
Длина винтового зацепления экспериментальной секции рабочих органов Д-95Х.5/6.50.010 №4 из-за возникших при её изготовлении технологических дефектов меньше длины зацепления серийных секций Д-95.5/6.50.010 на 60 мм. Количество полных ходов винтовой линии статора для экспериментальной секции составило 4, серийной секции - 5. Другими словами, для экспериментальной секции рабочих органов количество замкнутых единичных шлюзов [53], на которых создается неуравновешенная сила, образующая крутящий момент, на единицу меньше, чем у серийной секции рабочих органов. Для экспериментальной секции Д-95Х.5/6.43.010 №2 на длине активной части резиновой обкладки 2600 мм количество полных ходов винтовой линий статора составило также 4.
Диаметральный натяг в зацеплении рабочих органов Д-95Х.5/6.50.010 №4 составил 0,15 мм. Диаметральный натяг в зацеплении рабочих органов Д-95Х.5/6.43.010 №2 составил 0,4 мм.
При испытаниях экспериментальных секций диаметром 95 мм из-за ограничения давления в нагнетательной линий стенда 12 МПа при расходе воды 8 л/с не удалось достичь режима максимальной мощности, а при расходе 10 л/с и режима максимального КПД.
В результате испытаний секций Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 установлено следующее:
1. По сравнению с осредненной характеристикой серийно выпускаемых секций Д-95.5/6.010 экспериментальные секций Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 имеют более высокий удельный крутящий момент на режиме максимального КПД, который при расходе 8 л/с составляет 0,35 кН-м/ход против 0,24 кН-м/ход (больше на 46%). На режиме максимальной мощности при расходе воды 5 л/с удельный крутящий момент секций Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 составил 0,40 кН-м/ход, превышая показатель серийной секции на 25%.
2. По результатам стендовых испытаний новые секции Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 имеют повышенную частоту вращения ротора на режиме холостого хода по сравнению со стандартной секции рабочих органов (рис.5.1). Это обусловлено меньшим рабочим объемом камер экспериментальных секций, связанным с конструктивными и технологическими особенностями изготовления нового статора диаметром 95 мм. Новая конструкция статора обеспечивает более «жесткую» нагрузочную характеристику работы ВЗД. Так, при нагрузке ротора моментом сопротивления 2 кН-м частота вращения ротора экспериментальной секции Д-95Х.5/6.50.010 №4 снижается на 20,9, 10,2 и 7,1% относительно частоты вращения ротора на режиме холостого хода при расходах 5, 8 и 10 л/с, для экспериментальной секции Д-95Х.5/6.43.010 №2 соответственно 35, 15,7 и 6,4%, а для серийной секции уменьшение частоты вращения значительно больше — 51,3, 33 и 21,6% соответственно.
3. Перепад давления рабочей жидкости на режиме холостого хода для статора новой конструкции имеет более высокие значения по сравнению с перепадом давления статора стандартной конструкции. При расходах 5, 8 и 10 л/с перепад давления на холостом ходу для секции Д-95Х.5/6.50.010 №4 составил 1,75, 2,80 и 3,73 МПа соответственно, для секции Д-95Х.5/6.43.010 №2 - 2,2, 3,0 и 4,2 МПа соответственно, для серийной секции Д-95.5/6.010 — 1,76, 2,60 и 3,29 МПа соответственно.
4. Максимальная мощность экспериментальных секций Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 при расходе воды 5 л/с составила 29,95 и 27,50 кВт. Максимальная мощность серийной секции при расходе 5 л/с меньше показателя секции Д-95Х.5/6.50.010 №4 на 28,4% и составила 23,32 кВт. При расходах 8 (рис.5.2, а) и 10 л/с (рис.5.2, б) при испытаниях экспериментальных секций не достигнут режим максимальной мощности. Удельные значения максимальной мощности при расходе 5 л/с составили 6,11 кВт/ход для секции Д-95Х.5/6.50.010 №4 и 6,35 кВт/ход для секции Д-95Х.5/6.43.010 №2, чем превысили показатель серийной секции на 31,1 и 36,3% соответственно.
5. При расходе 5 л/с максимальный КПД секции Д-95Х.5/6.50.010 №4 составил 64,12%, что является достаточно высоким показателем для объемных гидравлических машин. При расходе 8 л/с КПД секции РО Д-95Х.5/6.50.010 №4 превысил показатель серийной секции на 19% (Рис.5.3). При расходе воды 10 л/с при испытаниях экспериментальных секций не достигнут режим максимального КПД.
Выводы по результатам стендовых испытаний секций Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2:
1. Экспериментальные секции рабочих органов Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 работоспособны.
2. Экспериментальные секции рабочих органов Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2 имеют повышенные энергетические характеристики по сравнению с характеристиками серийных секций РО: увеличенный на 46% удельный крутящий момент при расходе воды 8 л/с на режиме максимального КПД, более жесткую нагрузочную характеристику, увеличенную на 36,3% удельную максимальную мощность при расходе воды 5 л/с.
3. Разница в перепаде давления в экспериментальных и серийных секциях на режиме холостого хода свидетельствует о повышенных механических потерях в секциях Д-95Х.5/6.50.010 №4 и Д-95Х.5/6.43.010 №2. Данный факт свидетельствует об увеличенной жесткости винтового зуба статора и не является отрицательным фактором, при котором обеспечивается лучшее уплотнение рабочих камер во время работы героторного механизма.
