12.7 Гідродинамічне гальмо бурової лебідки

Гідродинамічні гальма бурових лебідок, що використовується для обмеження швидкості спуску бурильних і обсаджених труб в свердловину, представляє собою лопатевий гідравлічний пристрій, що складається з обертального ротора та нерухомого статора, робоча порожнина яких заповнена рідиною. Гідродинамічне гальмо діє подібно гідромуфті в гальмівному режимі, при якому турбінне колесо заклинюється і ковзання стає рівним 100%. При обертанні радіальні лопаті ротора відкидають рідину від центру до периферії та направляють її на лопаті статора. Пройшовши по міжлопатевим каналам статора, рідина знову попадає на лопаті ротора і, таким чином, встановлюється замкнута циркуляція рідини між ротором і статором.

Сили гідравлічних опорів, обумовлених тертям рідини в міжлопатевих каналах і втратою напору на удари в вихрових зонах між лопатами ротора та статора, створюють гальмівний момент, протидіючий обертанню ротора. Величина гальмівного моменту залежить від діаметра та частоти обертання ротора і регулюється рівнем наповнення гідродинамічного гальма робочою рідиною. Механічні втрати, що викликаються тертям в опорах і ущільненнях вала ротора, не впливають значно на величину гальмівного моменту. Механічна енергія, що поглинається в процесі гальмування, перетворюється в теплову і викликає нагрів робочої рідини, і деталей гідродинамічного гальма.

Допустима температура нагріву залежить від фізичних властивостей робочої рідини. При використанні води температура нагріву не повинна перевищувати 90 С, так як при температурі, більш близької до точки кипіння, виникає загроза кавітації. Для охолодження робочої рідини використовується холодильник, що одночасно служить для регулювання рівня наповнення гальма рідиною.

Ротор гідродинамічного гальма (рис. 12.7) складається з вала 8 та відлитого з чавуна двохлопатевого насосного колеса 5 з Рис. 12.7 радіальними плоскими лопатами, нахиленими під кутом 45' в сторону їх робочого обертання, що співпадає з напрямом обертання барабана лебідки при спуску. Товщина лопат визначається з вимог ливарного виробництва залежно від діаметра ротора складає 12-25 мм. Число лопат приймається рівним 20-28. Подальше збільшення числа лопат суттєво не впливає на величину гальмівного моменту та приводить до непотрібного збільшення маси гідродинамічного гальма.

Для запобігання від провертання під дією крутних моментів, що передаються ротором, насосне колесо з'єднується з валом ротора пресовою посадкою та шпонкою.

Статор 6 складається з двох симетричних частин, що утворюють корпус гідродинамічного гальма з стійками 1 для кріплення до рами бурової лебідки. Обидві частини статора виливають з чавуна. Вони мають радіальні лопаті, нахилені в сторону, протилежну нахилу лопат насосного колеса. Вал 8 на роликопідшипниках 3, 9 та фланцевих стаканах 4 і 7 встановлюються в наскрізні розточки статорів. Співвісність отворів забезпечується центруючим буртиком в з'єднанні статорів. Стискуючі площини статорів ущільнюються паронітовою, або картонною прокладкою 13, що затягується кріпильними болтами 12.

В розглядуваній конструкції вал ротора встановлюється на роликовому радіальному та радіально-сферичному двохрядному підшипниках на відміну від більш поширених конструкцій, в яких обидва підшипники роликові радіальні. Осьове положення вала фіксується радіально-сферичним підшипником, зовнішнє кільце якого затягується торцевою кришкою з регулювальною прокладкою, а внутрішнє — закріпляючою втулкою 2. Вільність протилежного кінця вала забезпечується переміщенням роликів по біговій доріжці внутрішньої обойми підшипника.

Осьові зазори між ротором і статором становлять 4-4,5 мм та регулюються набором металевих прокладок, встановлених між фланцевими стаканами та зовнішніми торцями отворів статорів. Підшипники вала змащуються консистентним мастилом, що набивається ручним шприцом через мастильниці. Для попередження втрат мастила фланцеві стакани та кришка оснащені щілинними (жировими) канавками. Вивідний кінець валу використовується для муфти зчеплення, що з'єднує гідродинамічне гальмо з підйомним валом бурової лебідки. Для ущільнення обертального валу використовують сальникові та торцеві ущільнення.

Рисунок 12.7 — Гідродинамічне однороторне гальмо бурової лебідки

Сальникові ущільнення завдяки простоті та дешевизні більш широко поширені та складаються з азбестодротяної набивки В, проміжної розпірної втулки, грундбукси і натискних болтів з контргайками. Зношення сальникового ущільнення контролюється по втраті робочої рідини через канали 10. При великій втраті сальники рівномірно підтягуються натискними болтами. Не допускається перетискання сальника, бо це приводить до перегріву та передчасному виведенню сальника з ладу.

Для підвищення довговічності сальники вала ротора регулярно змащуються графітовим мастилом, що подається через мастильниці. Мастило знижує коефіцієнт тертя, в результаті цього зменшується нагрів і зношення сальника. Сальникову набивку оглядають і замінюють після зняття фланцевих стаканів. Для прискорення цих операцій використовуються два болта, що встановлюються в різьбові отвори фланця стакана. При монтуванні болтів фланцевий стакан разом з підшипником і кришкою знімають з вала ротора. Відомі конструкції гідродинамічних гальм, в яких підшипники вала встановлені на виносних опорах. Внаслідок цього покращується доступ для огляду та заміни сальникових набивок, а підшипники валу повністю ізолюються від робочої рідини. Недолік таких конструкцій — збільшення довжини валу, що потребує для установки гальма відповідного подовження рами лебідки.

В якості робочої рідини переважно використовують воду, що поступає з холодильника через патрубки 11 в кільцеві камери статора. По радіальних та тангенціальних каналам А в тілі та лопатах статорів вода направляється в міжлопатеві порожнини Б гальма. Тангенційно направлений потік сприяє самовсмоктуванню, і тому поступальна з холодильника вода інтенсивно перемішується з гарячою водою в порожнині гальма, що нагрівається в результаті гальмування. Для збільшення проточних січень гальма частина лопат ротора вкорочена.

З гідрогальма вода відводиться в холодильник через верхній з холодильника в гідрогальмо. Створюваний гальмівний патрубок. Необхідний для цього напір створюється заглибинами на зовнішній циліндричній поверхні ротора або звуженням радіального зазору між ротором і статором біля верхнього патрубка, що досягається зміщенням фланцевих стаканів підшипників ротора відносно осі статора (ексцентриситет рівний 6 мм). Після охолодження рідина сама переливається момент залежить від рівня води в холодильнику, що встановлюється з допомогою ступеневих і безступеневих регуляторів.

На рис. 12.8 показано ступеневий регулятор рівня, який складається з вертикальної труби 8, встановленої в холодильнику 1. По висоті труби 8 змонтовано шість переливних клапанів 7, що керуються ручками 9. При повертанні ручки ексцентрик з проріззю висуває шток 10 і відкриває клапан зливного отвору, на рівні якого холодильник та сполучене з ним гальмо заповнюється водою. Для попередження спорожнення холодильника у випадку припинення подачі вентиль 6 водопроводу встановлюється на висоті 600 мм від дна холодильника.

Рисунок 12.8 — Ступеневий регулятор рівня рідини гальм

Нагріта вода поступає в холодильник через патрубок 2 і по патрубку 3 направляється в гальмо. Вода, що поступає в холодильник понад встановленого рівня, зливається через патрубок 4 на трубі 8. Кран 5 використовується для зливу води.

Безступінчастий регулятор рівня рідини (рис. 12.9) Волгоградського заводу бурової техніки має поворотну трубу 3, встановлену в холодильнику 2. Рівень рідини в холодильнику та гальмі 1 регулюється кутом нахилу труби, що повертається важелем 5. Вода, що поступає в холодильник понад встановлений рівень, через верхній торець поворотної труби 3 і трубу 4 зливається в приймальну ємність. В безступінчастих регуляторах заводу ім. лейт. Шмідта використовується поворотна труба конструкції, що складається, яка дозволяє зменшити габарити холодильника. В закордонних гідродинамічних гальмах рівень рідини регулюється вмонтованим в холодильник зливним дросельним клапаном [43].

Рисунок 12.9 — Безступінчатий регулятор рівня рідини в гідродинамічному гальмі

Гідродинамічне гальмо використовується при спуску бурильних труб, коли вага колони перевищує 100-200 кН. При підйомі труб і спуску незавантаженого елеватора гідродинамічне гальмо необхідно відключити, так як його вплив є негативним. При підйомних операціях робота гідродинамічного гальма викликає надлишкові витрати потужності і зношення ущільнень та підшипників вала ротора, що скорочує час служби гальма. При спуску незавантаженого елеватора швидкість спуску зменшується і в результаті цього зростає загальний час спуско-підіймальних операцій.

Для скорочення часу, що витрачається на часті включення та відключення, підйомний вал лебідки з'єднується з валом гідродинамічного гальма з допомогою з’єднюючих муфт. Найбільш ефективна фрикційна муфта, що дозволяє оперативно з'єднувати гальмо з лебідкою при спусках бурильних свічок.

Технічна характеристика гідродинамічних гальм [1, 43]

Тип гальма	УТГ-1000	УТГ-1450	ТГ-1-1200	ШТГ-1-1200
Активний діаметр ротора, мм	1000	1450	1200	1200
Число роторів	2	1	1	1
Максимальна частота обертання ротора, об/хв	500	400	400	400
Гальмівний момент, кНм: при 250 об/хв максимально допустимий	20 50	110 170	45 50	45 50
Маса гальма, кг	3306	5200	3600	2730
Габарити гальма, мм: висота ширина довжина	1590 — 1435	1870 1680 1533	1750 1610 1090	1810 1575 1138
Регулювання наповненням	Ступінчасте		Безступінчасте
Корисний об'єм регулятора рівня води, м3	0,4	0,8	0,52	0,5
Маса регулятора, кг	245	426	328	215
Габарити регулятора, мм: висота ширина довжина	1950 478 —	2466 1094 1062	1925 950 1400	1750 910 1075

Примітка: УТГ — гідродинамічне гальмо УЗТМ; ТГ —гідродинамічне гальмо ВЗБТ; ШТГ — гідродинамічне гальмо заводу ім. лейт. Шмідта.