Клапаны буровых насосов

Для разобщения и соединения рабочей камеры цилиндра поршневого насоса попеременно с всасывающим и напорным трубопроводами служат клапаны.

В современных поршневых насосах широкое распространение получили самодействующие клапаны, которые открываются под действием протекающей через них жидкости, а закрываются под действием пружины и веса тарелки клапана и пружины.

Наиболее распространены кольцевые и тарельчатые самодействующие клапаны.

Кольцевые клапаны (одно- и двухкольцевые) обладают большой пропускной способностью, поэтому применяются в поршневых насосах с большой подачей.

Тарельчатые клапаны (с плоской тарелкой и конической посадочной поверхностью) применяются в насосах высокого давления, а также в насосах для перекачки жидкости с содержанием твердой фазы (глинистые растворы, естественные промывочные жидкости и др.).

К конструкциям клапанов поршневых буровых насосов предъявляют следующие основные требования: обеспечение герметичности в закрытом пространстве, своевременное открытие и закрытие отверстия седла, через которое протекает жидкость, минимальные гидравлические потери при истечении жидкости через клапан, достаточная прочность и износоустойчивость деталей клапана.

Основные размеры клапанов зависят от подачи и числа двойных ходов поршня насоса, а высота его подъема определяется скоростью потока жидкости в клапанной щели. Если размеры клапана и его гидравлическое сопротивление рассчитаны неправильно, то при его закрытии появляется характерный стук, который принимают за критерий правильности выбора размеров клапана для заданных условий работы.

Для соблюдения этого условия - безударной посадки тарелки на седло согласно экспериментальным данным максимальная высота подъема тарелки (в мм):

          (12.170)

где n_в - частота вращения вала насоса, мин-1

Меньшие значения h_max - принимают при перекачке воды, а большие - при перекачивании вязких промывочных жидкостей.

Минимальная высота подъема тарелки клапана должна быть больше диаметра твердых частиц, содержащихся в промывочной жидкости и для насосов геологоразведочного бурения h_min≥2,5 мм.

Экспериментально установлено, что при диаметре поршня 130-180 мм высота подъема нагнетательного клапана составила 13-28 мм, а всасывающего 10-25 мм. Окончательные размеры клапанов, нагрузка на них и высота всасывания должны быть проверены при испытаниях насосов.

Диаметр конического клапана определяют из выражения:

               (12.171)

где F- площадь сечения поршня; R - радиус кривошипа; ω - угловая скорость коренного вала насоса; α=45-60° - угол наклона образующей посадочной поверхности тарелки к оси клапана; μ_к - коэффициент расхода через клапанную щель; ΔР≈10-20 кПа - перепад давления в щели клапана; р - плотность промывочной жидкости.

Коэффициент расхода определяется по графику (рис. 12.18), представленного зависимостью от безразмерного параметра А, равного отношению площади выходного сечения щели клапана (lh) к площади поперечного сечения седла клапана (1 -длина щели)             (12.172)   Рис. 12.18. Зависимость коэффициента расхода μк от параметра А.

Диаметр отверстия седла клапана

Возможная высота всасывания насоса:

формула (12.173)

где ρ- плотность промывочной жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; р_а - атмосферное давлении, Па; р_п - давление паров жидкости. Па; р_н - потери давления на преодоление инерционных сопротивлений жидкости во всасывающей линии, Па; р_к - потери давления в открываемом напором клапане, Па; р_г - давление, вызванное гидравлическими сопротивлениями всасывающей линии.

Ниже приведены зависимость атмосферного давления р_а от высоты местности над уровнем моря:

высота местности над уровнем моря, м	0	400	800	1500	2000	3000
среднее атмосферное давление, кПа.	100,9	95,5	91,5	83,7	78,7	70,6

Теоретический напор зависит от высоты местности над уровнем моря

Высота на уровнем моря, м	0	100	200	500	800	1000	1500	2000	3000
теоретический напор, м	10,38	10,2	10,1	9,7	9,4	9,2	8,6	8,1	6,9

При всасывании теплой воды в цилиндре насоса выделяются пары, создающие во всасывающей трубе парциальное давление р_п, которое зависит от температуры:

Температура воды, °С	0	10	20	30	40	50	80	100
Парциальное давление паров воды, кПа	0,6	1,25	2,36	4,29	7,5	25	48,24	108,3

Потери напора р_н на преодоление инерционных сопротивлений жидкости во всасывающей линии зависят от степени действия насоса и скорости вращения коленчатого вала, причем с увеличением частоты вращения коленчатого вала (числа ходов поршня, плунжера) эти потери увеличиваются.

Потери давления р_к во всасывающем клапане определяются разностью давлений, действующих на нижнюю и верхнюю омываемые поверхности тарелки.

Потери давления, вызванные гидравлическим сопротивлением всасывающей линии р_г, определяются длиной всасывающего трубопровода и количеством различных местных сопротивлений (сужений, крутых поворотов и т.п.).

Напор, развиваемый поршневыми насосами (при расположении на уровне моря), приведен в табл. 12.14

Таблица 12.14 Напор, развиваемый поршневыми насосами, м

Число двойных ходов, мин-1	Температура воды, °С
	0	20	40	50	60	70
50	7,0	6,5	5,5	4,0	2,5	0
60	6,5	6,0	5,0	3,5	2,0	0
90	5,5	5,0	4,0	2,5	1,0	0
120	4,5	4.0	3.0	1,5	0,5	0