Расчет предохранительного клапана бурового насоса УНБТ-950

 

Министерство  образования и науки РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение  
высшего профессионального образования 
национальный минерально–сырьевой университет «Горный»

 

Курсовой  проект

 

 

по дисциплине:               Монтаж и эксплуатация бурового оборудования

                   ^{(наименование учебной  дисциплины согласно  учебному плану)}

 

Пояснительная записка

 

 

Тема:          Расчет предохранительного клапана насоса УНБТ-950

 

 

Автор: студент гр.   НБ-09                    _______________                        /Рощин Е. К./

                     ^{(подпись)                                 (Ф.И.О.)}

 

Оценка: _____________

 

Дата: ___________________

Проверил:

 

Руководитель  проекта: профессор       _______________         /Шелковников И. Г./

     (должность)       (подпись)                              (Ф.И.О.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт–Петербург

2013

Министерство  образования и науки РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение  
высшего профессионального образования 
национальный минерально–сырьевой университет «Горный»

 

утверждаю

Заведующий  кафедрой

Проф. /Васильев Н.И./

“        “                  20013г.

Кафедра  БС

 

Курсовой  проект

 

По дисциплине:            Монтаж и эксплуатация бурового оборудования

 

Задание

 

Студенту группы                       НБ-09              Рощину Е. К.

                      (шифр группы)                     (Ф.И.О.)

 

1.Тема проекта: Расчет предохранительного клапана насоса УНБТ-950

2.Исходные  данные к проекту: Техническая характеристика поршневого насоса УНБТ-950

3. Содержание пояснительной записки: в соответствии с методическими указаниями.

4. Перечень графического материала: технический чертеж, 1 схема, 1 таблица.

 

 

Руководитель проекта:   профессор                                     Шелковников И. Г.

                                          (должность)                (подпись)        (Ф.И.О.)

 

Дата выдачи задания: 3 октября 2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

Оглавление

Введение 4

1. Буровые насосы 5

2. Нагнетательная линия 7

3. Расчет предохранительного клапана 8

Список использованной литературы 10

 

 

 

Введение

Предохранительные клапаны предназначены  для ограничения повышающегося  давления жидкости сверх установленной  величины с целью предупреждения аварий в насосном агрегате и нагнетательной линии от перегрузок, а также обеспечении  безопасности работы.

Предохранительные клапаны действуют  эпизодически, например, при образовании  пробок, ошибочном пуске насоса, при закрытых задвижках и других случаях, вызывающих чрезмерное увеличение давления насосов.

Поршневые насосы почти не снижают  подачу жидкости при возрастании  сопротивления нагнетательной линии, поэтому в поршневом насосе для  безопасного выхода промывочной  жидкости в случаях превышения давления обязательно должен быть предохранительный клапан, расчет которого приведен в данной курсовой работе.

  

1. Буровые насосы

 

При бурении осуществляется промывка скважины при помощи буровых насосов. Буровые насосы предназначены для  подачи под давлением промывочной  жидкости в скважину. Для бурения  используются только горизонтальные приводные двух- и трехцилиндровые поршневые насосы (рис. 1). При вращении вала 7 с кривошипом 6 шатун 5, совершая колебательное движение, приводит в движение крейцкопф 4, движущийся возвратно-поступательно в прямолинейном направлении, и связанный с ним при помощи штока 3 поршень 12, который совершает движение внутри цилиндра 2. Всасывающие клапаны 11 соединены при помощи всасывающего трубопровода 8, снабженного фильтром 9, с приемным чаном 10. Нагнетательные клапаны 13 соединены с нагревательным компенсатором 1 и напорной линией 14. При движении поршня вправо в левой части цилиндра создается разряжение, под давлением атмосферы жидкость из приемного чана 10 поднимается по всасывающему трубопроводу 8, открывает левый всасывающий клапан 11 и поступает в цилиндр насоса. В то же время в правой полости цилиндра жидкость нагнетается (вытесняется) в напорную линию через правый нагнетательный клапан 13. Левый нагнетательный клапан 13 и правый всасывающий 11 при этом закрыты. При обратном движении поршня всасывание происходит в правой полости цилиндра, а нагнетание — в левой. Таким образом, при передвижении поршня в какую-либо сторону в одной половине цилиндра происходит всасывание, а в другой — нагнетание жидкости, т.е. наблюдается двойное действие насоса.

Рис. 1. 1. Схема работы двухцилиндрового бурового насоса:

1 – компенсатор; 2 – цилиндр; 3 – шток; 4 – крейцкопф; 5 – шатун; 6 – кривошип;

7 – вал; 8 – всасывающий трубопровод; 9 –  фильтр; 10 – приемный чан;

11 – всасывающие  клапаны; 12 – поршень; 13 – нагнетательные  клапаны; 14 – напорная линия 

 

Достаточно широко применяются  трехцилиндровые (трехпоршневые) буровые насосы одностороннего действия. К основным отличиям и особенностям буровых насосов этого типа относятся: наличие трех цилиндропоршневых пар одностороннего действия; повышенные линейные скорости поршней (число ходов в единицу времени) и связанная с этим необходимость установки во всасывающей трубе подпорного насоса; значительно меньшая степень неравномерности подачи жидкости и улучшенные динамические характеристики работы приводной и гидравлических частей.

Завод «Уралмаш» выпускает буровые  насосы двух типов: двухпоршневой насос двустороннего действия — дуплекс УНБ-600А и трехпоршневые насосы одностороннего действия — триплекс УНБТ-950А, УНБТ-1180А1 и УНБТ-750.

Шифр насосов следует читать так: УНБ-600А — уралмашевский насос буровой мощностью 600 кВт; УНБТ-950А — уралмашевский насос буровой трехпоршневой мощностью 950 кВт.

Эти насосы характеризуются оптимальными параметрами кривошипно-шатунного механизма, надежным исполнением гидравлической и механической частей, оборудованы компенсаторами на входе и выходе, системой смазки трущихся частей, консольноповоротными кранами для облегчения работ по замене сменных деталей и узлов гидравлической части, а также автоматическими предохранительными клапанами.

 

2. Нагнетательная  линия

 

От буровых насосов промывочная  жидкость по нагнетательной линии (манифольду) подается в буровой шланг и далее в вертлюг. В состав нагнетательной линии входят: компенсаторы, нагнетательный трубопровод, стояк и задвижки.

Компенсаторы (воздушные колпаки) служат для уменьшения колебаний  давления, вызываемых неравномерностью подачи промывочной жидкости буровыми насосами. Компенсатор представляет собой резервуар, в котором газовая подушка является своеобразной пружиной, смягчающей гидравлические толчки при движении неравномерно поступающей жидкости. Компенсаторы устанавливаются непосредственно на насосе.

Нагнетательный трубопровод предназначен для подачи промывочной жидкости от насоса к напорному буровому рукаву. Нагнетательный трубопровод состоит из горизонтального и вертикального участков. На горизонтальном участке трубопровода монтируются патрубки для присоединения к насосам, обвязки противовыбросового оборудования, магистральные и пусковые задвижки и патрубок для манометра. Горизонтальный участок трубопровода выполняется с уклоном в сторону насосов для обеспечения стекания промывочной жидкости через пусковую задвижку, которая устанавливается в самой низкой точке трубопровода.

Стояк — вертикальный участок трубопровода — в верхней части имеет горловину с фланцем для присоединения бурового шланга, а в нижней части — патрубок с задвижкой для присоединения промывочных агрегатов и патрубок для манометра.

Нагнетательный трубопровод изготавливается  из толстостенных стальных труб диаметром 114... 146 мм, которые свариваются между собой в секции. Секции соединяются между собой при помощи фланцев или монтажных компенсаторов, а также резиновых высоконапорных шлангов. После сборки нагнетательные трубопроводы опрессовываются на полуторократное рабочее давление.

Пусковые задвижки предназначены  для перевода бурового насоса с холостого хода на рабочий, а также для опоражнивания нагнетательного трубопровода во время остановки насоса.

 

3. Расчет  предохранительного клапана

Предохранительный клапан, устанавливаемый  на напорной линии насоса, служит для  защиты гидравлической и трансмиссионной частей насоса и его привода от перегрузок при повышении давления в нагнетательном трубопроводе выше допустимого для установленного диаметра поршней насоса. На схеме 1 показан предохранительный клапан для насоса УНБТ-950.

Клапан состоит из переходника 1, штока 3 с поршнем 2, демпфера 5 и кожуха 7. Шток 3 упирается в нож 8, удерживаемый стержнем 10. Последний проходит через отверстие в ноже 8 и втулках 9, запрессованных в корпусе 4. Семь отверстий в ноже соответствуют различным давлениям, при которых происходит срезание стержней и срабатывание клапана. При подъеме давления в трубопроводе выше установленного на 10—15% стержень срезается, шток с поршнем поднимается и демпфером 5 отбрасывается нож 8, а раствор сбрасывается в резервуар.

Техническая характеристика насоса УНБТ-950:

Мощность на валу, кВт	950
Частота двойных ходов поршней  в минуту, предельная	125
Масса (без шкива и компенсатора), кг	21500
Габаритные размеры ( ), мм	5400 2627 1830
Давление на входе в насос, наименьшее, МПа	0,02
Диаметр поршня, мм	Предельное давление на выходе, МПа
180	19
170	21
160	24
150	27,5
140	32
Мощность, кВт	950

 

Клапан рассчитывается на максимальное давление, создаваемое насосом, тогда давление, при котором срежется стержень (см. выше):

 

  (3.1)

Давление  в нагнетательной линии передается на поршень предохранительного клапана и шток, который действует на нож с силой , которая определяется по формуле:

  (3.2)

где  - площадь сечения поршня.

Окончательно:

;

Момент силы относительно оси ножа уравновешивается моментом напряжений, возникающих в стержне относительно той же оси. Тогда, чтобы произошел срез стержня необходимо выполнение условия:

  (3.3)

где  - плечо силы , - максимально допустимое касательное напряжение (зависит от материала стержня), - площадь поперечного сечения стержня, - расстояние от оси ножа до оси стержня.

Тогда условие (3.3) примет вид:

 

  (3.4)

 

Примем диаметр нагнетательного  трубопровода 146 мм, а диаметр переходника, который соединяет трубопровод  и предохранительный клапан в 80 мм. Чертеж клапана выполнен в масштабе 1:2. Остальные необходимые для  выполнения расчетов размеры будут  сниматься с чертежа в соответствии с масштабом, а именно:

Диаметр поршня

Плечо силы ( ) = 28 мм;

Диаметр стержня  ;

Материал стержня – ст. 45 ( );

Определение расстояния, на котором  необходимо расположить стержень от оси ножа:

Подпись: ______________     Дата: 14.11.2013

 

Список использованной литературы

1. А. Л. Ильский, А. П. Шмидт. Буровые машины и механизмы: Учебник для техникумов. – М.: Недра, 1989 – 396 с.
2. А. Л. Ильский, Ю. В. Миронов, А. Г. Чериобыльский. Расчет и конструирование бурового оборудования. Учеб. пособие для вузов. – М.: Недра, 1985 – 452 с.