射流沖擊器流量補償的試驗研究

1大沖擊行程及沖錘質量為主的試驗方案該試驗的目的是提高液動射流源對壓力的個別影響能力，驗證對負載的適應性，測試源對原油開挖的高泵量和大泵壓的適應性，消除射流能量轉化的規律。對活動的動態特性進行了動態激勵，并獲取了大量試驗數據，從而修改了波槍的數學模型，并為改進激勵器微型計算機的模擬電算提供了基礎。根據試驗目的,結合對射流理論研究所獲得的認識,確立了以增大沖擊行程及沖錘質量為主的試驗方案。通過對液壓鑿巖機的分析給我們很大的啟發,目前液壓鑿巖機大多數行程是可調的,且大沖擊功的液壓鑿巖機,多采用較大的行程。如瑞典的COP1038液壓鑿巖機,其沖擊行程達76.2mm,考慮到液動射流式沖擊器工作時其上、下腔壓力曲線比較平穩,增加沖擊行程必將引起液壓力作用時間的增長,從而可獲得較高的沖擊末速度及沖擊功。此外,由微機模擬電算的結果可看出,對于一確定的沖擊器,假設其能量轉換率一定,則降低其沖擊頻率,必將引起沖擊功的增加。而對于流體機械,增大行程和錘重是降低頻率的有效途徑。液動射流沖擊器的工作原理,決定了其噴嘴是很重要的部分,泵量的變化直接影響噴嘴的特性、射流附壁的特性及能量的轉換。考慮到石油鉆井的排量較大,采用較小噴嘴尺寸的射流元件,大幅度改變泵量,研究其能量轉換規律及對沖擊器性能影響,對設計石油鉆井沖擊器有重要參考價值。2外筒設計加工根據實驗室現有設備情況和試驗方案,采用美國產水泵,其額定泵壓為10MPa,最大排量為1000L/min,設計加工了兩套試驗鉆具,一套鉆具上部缸體外筒直徑為89mm,另一套為150mm,下部沖錘的外筒直徑均為245mm。根據試驗需要,在缸體外筒上引出了上下腔壓力測試接頭,設計了行程調節機構,加工了測試砧子、測試桿和連接不同質量錘子的錐面連接接頭。3石油鉆井沖擊器試驗數據根據所制定的試驗方案,利用所加工的試驗鉆具,在室內進行了大量的試驗工作,歷時近1年多,取得多組有效的試驗數據,為石油鉆井沖擊器的設計提供了可靠的依據。3.1沖擊功與頻率的變化關系試驗時,泵量靠水泵柴油機變檔位和三通閥調節,測試數據如表1所示。由表中數據可繪出泵量Q與沖擊頻率f之間關系曲線,亦可繪出泵量Q與泵壓p及流量利用率η的關系曲線,如圖1及圖2所示。以上試驗數據是利用SC89試驗鉆具測得的,試驗鉆具參數為:活塞沖錘質量23.5kg,行程138mm,射流元件噴嘴截面積44.8mm2,活塞有桿腔截面積1431.84mm2,無桿腔截面積1962.5mm2。分析圖1曲線可以看出,在一定條件下,隨泵量的增加,沖擊功近似呈線性增加的趨勢,沖擊頻率的增加較沖擊功增加幅度慢,呈曲線增加趨勢。這種變化關系可從噴嘴特性及射流附壁的特性來解釋。由于噴嘴處射流的速度很高,水泵輸出的能量在噴嘴處幾乎全部轉化為動能,然后在射流元件的受流口(輸出道)處,又幾乎全部轉化為壓力能。水泵輸出流量越大,噴嘴處流速越高,根據射流附壁理論,則射流附壁越穩定,受流口的流量收獲量越大,于是活塞上腔壓力升高,活塞沖錘的運動加速度增加。若將活塞沖錘的運動近似為等加速度運動,沖擊功近似呈線性增加的趨勢。至于頻率變化曲線,由于考慮到沖錘回程的影響,其增加趨勢減緩。圖2的曲線變化需考慮到噴嘴及射流沖擊器的負載特性來解釋。由于噴嘴的作用,水泵輸出的泵壓很高,而流體在進入噴嘴前的流速較低,可近似認為,噴嘴處流速的動能主要由壓力能轉化而來。隨著泵量的增高,噴嘴處流速很快增高,泵壓亦必隨之增高,考慮到泵壓的升高亦受到負載的影響,當泵壓升高到一定程度,活塞沖錘運行速度加快,甚至會出現瞬時流量大于水泵供給流量的現象。以表中第三組數據為例,當活塞沖錘末速度為3.5m/s時,其要求瞬時流量為412L/min,而水泵的供給流量僅為344L/min,不足的流量需由穩壓罐及管路系統來補充。由于射流沖擊器屬一開放的系統,所以這種補充是可以實現的,所以表現出一定程度下泵壓的升高趨緩。流量利用率隨泵量增大而降低的結果也可以由上面的觀點解釋。僅以沖程為例,沖擊末速度越高,外界補充流量越多,則在活塞運動消耗流量中,消耗水泵供給流量所占的比例越低,即體現在流量利用率的降低。3.2沖錘試驗結果增加行程的試驗是用SC89試驗鉆具進行的,為方便試驗,錘重選用23.5kg。行程的變化由18mm至230mm,鉆具其它參數與前面的試驗基本相同。試驗所測得的數據見表2。根據相關數據繪制出沖擊功、沖擊頻率隨行程變化的關系曲線如圖3所示。考慮到可比性,水泵排量均選擇在240L/min左右。改變行程的試驗取得突破性進展,獲得最高沖錘末速度為5.43m/s,單次沖擊功達346.45J,該沖擊功與相近直徑的風動沖擊器JG-100相比,是其沖擊功的1.65倍,可以配球齒鉆頭,實現體積碎巖。由圖3可看出,在泵壓、泵量及其它條件基本不變的條件下,隨行程的增加,沖擊功近似呈線性增加的趨勢,頻率近似呈雙曲線趨勢下降。由射流沖擊器的動態曲線可知,沖擊器工作時壓力較平穩,水擊壓力的作用時間短,峰值低,所以沖錘的末速度主要取決于工作腔內液體的作用力及力的作用時間,行程增加,力的作用時間延長,引起沖錘末速度的提高。此外,由于行程的增加,頻率較大幅度地下降,單位時間射流切換的次數減少,從而減少了因射流切換引起的能量損失。據有關資料,沖錘撞擊及射流切換的時間在6~8ms數量級,沖錘回程運動時間約為沖程運動時間的1.4~1.5倍。以表2中第一組數據為例,行程18mm,頻率14.16Hz,則沖程時間約為23.45ms,回程時間約為32.83ms。可見沖錘撞擊及射流切換時間在整個沖擊周期中所占的比例。3.3檢測結果及分析改變錘重的試驗主要用SC150試驗鉆具,射流元件噴嘴截面積為126mm2,活塞無桿腔截面積為6358.5mm2,有桿腔面積為5397mm2。試驗數據見表3。試驗主要檢驗射流元件承受負載的能力,由試驗數據,錘重達173.5kg時,沖擊器工作正常。沖擊功隨錘重增加呈曲線增加的趨勢,而沖擊頻率呈曲線下降的趨勢。由于在回程中,重力方向與沖錘運動方向相反,隨錘重的增加,沖錘運動的加速度減少,它主要影響沖擊頻率的改變。沖擊功隨錘重變化的幅度大小取決于行程。在行程較大的條件下,增大沖錘重量對提高單次沖擊功具有重要意義。4射流沖擊器噴嘴能量轉化規律(1)通過增大行程,大幅度地提高了射流沖擊器的單次沖擊功。SC89試驗鉆具的試驗獲得最高沖錘末速度5.43m/s,單次沖擊功346.45J。(2)闡明了射流沖擊器噴嘴能量轉化規律,即在噴嘴處的能量主要以動能的形式表現,而在射流元件的受流口,又主要轉化為壓力能,推動活塞沖錘作功。(3)通過試驗結果發現