Гидродинамический тормоз буровой лебедки

Гидродинамический тормоз буровой лебедки: функциональное назначение и конструкция Гидродинамические тормоза буровых лебедок относятся к вспомогательным и используют для ограничения скорости спуска бурильных и обсадных труб в скважину. Гидродинамические тормоза представляют собой лопаточное гидравлическое устройство, состоящее из вращающегося ротора и неподвижного статора, рабочая полость которых заполнена жидкостью. Гидродинамический тормоз действует подобно гидромуфте в тормозном режиме, при котором турбинное колесо заклинивается и скольжение становится равным 100 %. При вращении радиальные лопатки ротора отбрасывают жидкость от центра к периферии и направляют ее на лопатки статора. Пройдя по межлопаточным каналам статора, жидкость вновь попадает на лопатки ротора и, таким образом, устанавливается замкнутая циркуляция жидкости между ротором и статором. Силы гидравлических сопротивлений, обусловленные трением жидкости в межлопаточных каналах и потерей напора на удары в вихревых зонах между лопатками ротора и статора, создают тормозной момент, противодействующий вращению ротора. Величина тормозного момента зависит от диаметра и частоты вращения ротора и регулируется уровнем наполнения гидродинамического тормоза рабочей жидкостью. Механические потери, вызываемые трением в опорах и уплотнениях вала ротора, не влияют существенно на величину тормозного момента. Механическая энергия, поглощаемая в процессе торможения, превращается в тепловую и вызывает нагрев рабочей жидкости и деталей гидродинамического тормоза. Допустимая температура нагрева зависит от физических свойств рабочей жидкости. При использовании воды температура нагрева не должна превышать 90 °С, так как при температуре, более близкой к точке кипения, возникает угроза кавитации. Для охлаждения рабочей жидкости используется холодильник, который одновременно служит для регулирования уровня наполнения тормоза жидкостью. 1 – стойка; 2 – втулка; 3, 9 - роликоподшипники; 4, 7 – стаканы фланцевые; 5 – колесо лопастное; 6 – статор; 8 – вал; 10 – канал; 11 – патрубок; 12 -болт; 13 - прокладка Рисунок 1 - Гидродинамический однороторный тормоз буровой лебедки Ротор гидродинамического тормоза, представленного на рисунке 1, состоит из вала 8 и отлитого из чугуна двухлопастного насосного колеса 5 с радиальными плоскими лопатками, наклоненными под углом 45° в сторону их рабочего вращения, совпадающего с направлением вращения барабана лебедки при спуске. Толщина лопаток определяется из требований литейного производства и в зависимости от диаметра ротора составляет 12—25 мм. Число лопаток принимается равным 20—28. Дальнейшее увеличение числа лопаток существенно не влияет на величину тормозного момента и приводит к неоправданному увеличению массы гидродинамического тормоза. Для предохранения от проворачивания под действием крутящих моментов, передаваемых ротором, насосное колесо соединяется с валом ротора прессовой посадкой и шпонкой. Статор 6 состоит из двух симметричных частей, образующих корпус гидродинамического тормоза со стойками 1 для крепления к раме буровой лебедки. Обе части статора отливают из чугуна. Они имеют радиальные лопатки, наклоненные в сторону, противоположную наклону лопаток насосного колеса. Вал 8 на роликоподшипниках 3, 9 и фланцевых стаканах 4 и 7 устанавливается в сквозных расточках статоров. Соосность отверстий обеспечивается центрирующим буртиком в соединении статоров. Стыкуемые плоскости статоров уплотняются паронитовой либо картонной прокладкой 13, затягиваемой крепежными болтами 12. В рассматриваемой конструкции вал ротора устанавливается на роликовом радиальном и радиально-сферическом двухрядном подшипниках в отличие от более распространенных конструкций, в которых оба подшипника роликовые радиальные. Осевое положение вала фиксируется радиально-сферическим подшипником, наружное кольцо которого затягивается торцовой крышкой с регулировочной прокладкой, а внутреннее - закрепительной втулкой 2. Свобода противоположного конца вала обеспечивается перемещением роликов по беговой дорожке внутренней обоймы подшипника. Осевые зазоры между ротором и статором составляют 4-4,5 мм и регулируются набором металлических прокладок, установленных между фланцевыми стаканами и наружными торцами отверстий статоров. Подшипники вала смазываются консистентной смазкой, набиваемой ручным шприцем через масленки. Для предупреждения утечек масла фланцевые стаканы и крышка снабжены щелевыми (жировыми) канавками. Выводной конец вала используется для сцепной муфты, соединяющей гидродинамический тормоз с подъемным валом буровой лебедки. Для уплотнения вращающегося вала применяются сальниковые и торцовые уплотнения. Сальниковые уплотнения благодаря простоте и дешевизне более широко распространены и состоят из плетеной асбестопроволочной набивки В, промежуточной распорной втулки, грундбуксы и нажимных болтов с контргайками. Износ сальникового уплотнения контролируется по утечке рабочей жидкости через каналы 10. При чрезмерной утечке сальники равномерно подтягиваются нажимными болтами. Нельзя допускать перетяжки сальника, так как это приводит к перегреву и преждевременному выходу сальника из строя. Для повышения долговечности сальники вала ротора регулярно смазываются графитовой смазкой, подаваемой через масленки. Смазка снижает коэффициент трения, и в результате этого уменьшаются нагрев и износ сальника. Сальниковую набивку осматривают и заменяют после снятия фланцевых стаканов. Для ускорения этих операций используются два болта, вставляемые в резьбовые отверстия фланца стакана. При ввинчивании болтов фланцевый стакан вместе с подшипником и крышкой снимают с вала ротора. Известны конструкции гидродинамических тормозов, в которых подшипники вала установлены на выносных опорах. Вследствие этого улучшается доступ для осмотра и замены сальниковых набивок, а подшипники вала полностью изолируются от рабочей жидкости. Недостаток этих конструкций — увеличение длины вала, требующее для установки тормоза соответствующего удлинения рамы лебедки. В качестве рабочей жидкости обычно используют воду, поступающую из холодильника через патрубки 11 в кольцевые камеры статора. По радиальным и тангенциальным каналам А в теле и лопатках статоров вода направляется в межлопаточные полости Б тормоза. Тангенциально направленный поток способствует самовсасыванию, и поэтому поступающая из холодильника вода интенсивно перемешивается с горячей водой в полости тормоза, нагреваемой в результате торможения. Для увеличения проточных сечений тормоза часть лопаток ротора укорочена. Из гидротормоза вода отводится в холодильник через верхний патрубок. Необходимый для этого напор создается углублениями на наружной цилиндрической поверхности ротора либо сужением радиального зазора между ротором и статором у верхнего патрубка, что достигается смещением фланцевых стаканов подшипников ротора относительно оси статора (эксцентриситет равен 6 мм). После охлаждения жидкость самотеком переливается из холодильника в гидротормоз. Создаваемый тормозной момент зависит от уровня воды в холодильнике, устанавливаемого с помощью ступенчатых и бесступенчатых регуляторов. На рисунке 2 показан ступенчатый регулятор уровня, который состоит из вертикальной трубы 8, установленной в холодильнике 1. По высоте трубы 8 смонтированы шесть переливных клапанов 7, управляемых рукоятками 9. При повороте рукоятки эксцентрик с прорезью выдвигает шток 10 и открывает клапан сливного отверстия, на уровне которого холодильник и сообщающийся с ним тормоз заполняются водой. Для предотвращения опорожнения холодильника в случае прекращения подачи воды вентиль 6 водопровода устанавливается на высоте 600 мм от дна холодильника. Нагретая вода поступает в холодильник через патрубок 2 и по патрубку 3 направляется в тормоз. Вода, поступающая в холодильник сверх установленного уровня, сливается через патрубок 4. Кран 5 используется для слива воды. Бесступенчатый регулятор уровня жидкости, представленный на рисунке 3, Волгоградского завода буровой техники имеет поворотную трубу 3, установленную в холодильнике 2. Уровень жидкости в холодильнике и тормозе 1 регулируется углом наклона трубы, поворачиваемой рычагом 5. Вода, поступающая в холодильник сверх установленного уровня, через верхний торец поворотной трубы 3 и трубу 4 сливается в приемную емкость. В бесступенчатых регуляторах завода им. лейт. Шмидта используется поворотная труба складывающейся конструкции, позволяющая уменьшить габариты холодильника. В зарубежных гидродинамических тормозах уровень жидкости регулируется встроенным в холодильник сливным дроссельным клапаном. 1 – холодильник; 2 – патрубок; 3, 4 – трубы; 5 – кран; 6 – вентиль; 7 – клапан переливной; 8 – труба вертикальная; 9 – рукоятка; 10 – шток Рисунок 2 – Ступенчатый регулятор уровня жидкости тормоза Гидродинамический тормоз используется при спуске бурильных труб, когда вес колонны превышает 100—200 кН. При подъеме труб и спуске незагруженного элеватора гидродинамический тормоз необходимо отключать, так как действие его является отрицательным. При подъемных операциях работа гидродинамического тормоза вызывает излишние затраты мощности и износ уплотнений и подшипников вала ротора, что сокращает срок службы тормоза. При спуске незагруженного эле- ватора скорость спуска уменьшается и в результате этого возрастает общая продолжительность спуско-подъемных операций. Для сокращения времени, затрачиваемого на частые включения и отключения, подъемный вал лебедки соединяется с валом гидродинамического тормоза посредством сцепных муфт. Наиболее эффективна фрикционная муфта, позволяющая оперативно соединять тормоз с лебедкой при спусках бурильных свечей. Основные параметры гидродинамических тормозов представлены в таблице 1. 1 – тормоз; 2 – холодильник; 3, 4 – трубы поворотные; 5 – рычаг Рисунок 3 – Бесступенчатый регулятор уровня жидкости в гидродинамическом тормозе Таблица 1 – Техническая характеристика гидродинамических тормозов Тип тормоза УТГ-1000 УТГ-1450 ТГ-1-1200 ШТГ-11200 Активный диаметр ротора, 1000 1450 1200 1200 2 1 1 1 500 400 400 400 при 20 110 45 45 - 250 об/мин 50 170 50 50 3306 5200 3600 2730 - высота 1590 1870 1750 1810 - ширина - 1680 1610 1575 1435 1533 1090 1138 мм Число роторов Максимальная частота вращения ротора, об/мин Тормозной момент, кН∙м, - максимально допустимый Масса тормоза, кг Габариты, мм - длина Регулирование наполнением Полезный объем регулятора уровня воды, м3 Ступенчатое 0,4 0,8 Бесступенчатое 0,52 0,5