MÁY BƠM PISTON
1.1. Vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc và phân loại
1.1.1. Vai trò của máy bơm piston trong công tác khoan dầu khí
Trong công tác khoan khai thác và khoan thăm dò máy bơm dung
dịch khoan là bộ phận không thể tách rời và cũng như không thể thiếu
được. Máy bơm khoan có nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thi công
giếng khoan. Trong quá trình thi công giếng khoan, choòng khoan phá huỷ
đất đá ở đáy giếng khoan, mùn khoan này phải được đưa lên bề mặt nhờ
một loại nước rửa gọi là dung dịch khoan. Để thực hiện quá trình trên,
chúng ta phải sử dụng một loại thiết bị trong đó máy bơm khoan đóng vai
trò quan trọng nhất. Máy bơm khoan có công dụng bơm chất lỏng xuống
xuống giếng khoan để làm mát, làm sạch choòng khoan, làm sạch đáy
giếng khoan đưa mùn từ đáy giếng khoan lên và đặc biệt quan trọng là giúp
cho quá trình khoan được dễ dàng.
Để thực hiện bơm dung dịch khoan xuống đáy giếng khoan, máy
bơm khoan thường sử dụng là máy bơm piston. Máy bơm piston có những
ưu việt riêng mà các máy bơm khác không có được, và được sử dụng rộng
rãi trong khoan dầu khí:
- Có thể bơm các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau;
- Có thể bơm được với áp suất lớn;
- Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau. Đây là yếu tố
quan trọng đáp ứng trong về yêu cầu về công nghệ khoan;
- Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, dễ sửa chữa và bảo dưỡng;
- Độ bền cao và dễ vận chuyển.
1
1.1.2. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston
9
6
2
4
1
3
5
B1
B2
S
7
Pa
8
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston.
1. Piston 4. Hộp van 7. Ống hút
2. Xi lanh 5. Van hút 8. Bể chất lỏng
3. Cần piston 6. Van đẩy 9. Ống đẩy (xả)
Khoảng không gian giữa piston và các van được gọi là khoang
(buồng) làm việc của máy bơm.
Thể tích của buồng làm việc thay đổi tùy theo vị trí của piston trong
quá trình chuyển động.
Trong quá trình làm việc, piston chuyển động tính tiến qua lại trong
xi lanh. Những điểm tận cùng bên phải và tận cùng bên trái của piston
được gọi là điểm chết phải và điểm chết trái của piston.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy bơm piston
Xét trên hình vẽ 1.1, khi piston di chuyển từ vị trí B2 đến vị trí B1,
thể tích buồng làm việc sẽ tăng dần, áp suất P trong đó giảm đi và nhỏ hơn
áp suất trên mặt thoáng của bình chứa chất lỏng Pa (P < Pa). Do đó chất
lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên đi vào ống hút, đi qua van hút vào khoang làm
2
việc của bơm, trong lúc này van đẩy của bơm vẫn đang ở trạng thái đóng.
Khi piston chuyển động từ vị trí B2 đến B1 thì máy bơm thực hiện quá trình
hút và lúc piston dừng lại tại vị trí B1 thì quá trình hút sẽ kết thúc.
Sau đó pison đổi chuyển động và đi ngược từ B1 đến B2. Thể tích
buồng làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút đóng lại và
van đẩy mở ra. Chất lỏng được ép lên van đẩy và đi theo ống đẩy ra ngoài.
Quá trình này gọi là quá trình đẩy.
Quá trình hút và đẩy của bơm được xen kẽ nhau. Một quá trình hút
và đẩy kế tiếp nhau được gọi là một chu kỳ làm việc của máy bơm piston.
1.1.4. Khả năng tự hút của máy bơm piston
Khác với máy bơm ly tâm, máy bơm pison không cần mồi (điền đầy
chất lỏng) trước khi khởi động, mà bơm có khả năng tự hút.
Thật vậy, nếu ta gọi Vo là thể tích khối không khí trong ống hút và
buồng làm việc (khi piston ở B2). Nếu pison di chuyển đến B1 và B1B2 = S,
thì không khí giãn ra với thể tích là Vo + F.S (F.S là thể tích của xi lanh).
Khi đó áp suất không khí trong xi lanh là:
V o F S .
V o
(1.1) P = Pa.
Từ (1.1) ta thấy P < Pa. Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ đi vào ống hút
h
và dâng lên theo độ cao được xác định như sau:
aP P
(1.2)
Nếu pison tiếp tục làm việc, chất lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên dần
theo ống hút và điền đầy khoang làm việc của bơm. Khi đó xem như máy
bơm đã tự mồi xong.
1.2. Ưu và nhược điểm của máy bơm piston
1.2.1. Ưu điểm
3
- Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, bảo dưỡng.
- Có thể tạo ra áp suất lớn.
- Có thể bơm được các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau.
- Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau.
- Máy bơm có độ bền cao.
1.2.2. Nhược điểm
- Chuyển động của chất lỏng qua bơm không ổn định, do đó lưu
lượng của bơm bị dao động.
- Kết cấu của bơm cồng kềnh.
1.3. Phân loại máy bơm piston
1.3.1. Theo phương pháp truyền lực
- Máy bơm truyền động bằng tay.
- Máy bơm truyền có truyền động gián tiếp.
- Máy bơm có truyền động trực tiếp.
1.3.2. Theo cách bố trí xi lanh
- Máy bơm thẳng đứng.
- Máy bơm nằm ngang.
1.3.3. Theo cấu tạo của pison
- Máy bơm có piston dạng đĩa.
- Máy bơm có piston dạng trục.
1.3.4. Theo chất lỏng cần bơm
- Máy bơm dùng để bơm nước lã.
- Máy bơm dùng để bơm axit.
- Máy bơm dùng để bơm dung dịch.
1.3.5. Theo cách tác dụng (số lần hút – đẩy sau 1 vòng quay của trục)
4
- Máy bơm tác dụng đơn.
- Máy bơm tác dụng kép.
- Máy bơm tác dụng ba.
- Máy bơm tác dụng bốn…
1.3.6. Theo áp suất
- Máy bơm áp suất thấp (P < 10 at).
- Máy bơm áp suất trung bình (P = 10 20 at).
- Máy bơm áp suất cao (P > 20 at).
1.3.7. Theo lưu lượng
3 /m h ).
- Máy bơm lưu lượng thấp (Q < 15
3 /m h ).
- Máy bơm lưu lượng trung bình (Q = 15 60
3 /m h ).
- Máy bơm lưu lượng cao (Q > 60
1.4. Lưu lượng của máy bơm piston
1.4.1. Lưu lượng lý thuyết trung bình
Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng đơn là:
V = F.S (1.3)
Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng kép là:
V = (2F - f).S (1.4)
F: diện tích bề mặt làm việc của mặt piston,
F: diện tích mặt cắt cần piston.
Gọi n là số vòng quay của trục bơm quay được trong một phút.
Q
a. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng đơn là:
F S n . . 60
(1.5)
5
b. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng kép là:
(2
).
Q
F f S n . 60
(1.6)
3.
Q
c. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng ba là:
F S n . . 60
(1.7)
2.(2
F f S n .
).
Q
d. Lưu lượng trung bình của máy bơm tác dụng bốn là:
60
(1.8)
1.4.2. Lưu lượng trung bình thực
Lưu lượng trung bình thực của máy bơm piston bao giờ cũng nhỏ
hơn lưu lượng lý thuyết đã tính ở trên vì những lý do sau:
- Có không khí lọt vào bơm.
- Bộ phận lót kín của bơm và các van không thể đảm bảo tuyệt đối
kín khi bơm làm việc dẫn đến rò rỉ chất lỏng.
- Sự đóng - mở chậm của van hút và van đẩy trong quá trình hút và
đẩy kế tiếp nhau làm thất thoát chất lỏng.
Vì vậy, lưu lượng trung bình thực của máy bơm piston được xác
Q .
định theo công thức sau:
tQ
là hiệu suất lưu lượng của máy bơm,
= 0,85 0,90 ứng với máy bơm nhỏ (D < 150 mm),
= 0,90 0,95 ứng với máy bơm vừa (D 150 300 mm),
= 0,95 0,98 ứng với máy bơm lớn (D > 300 mm),
6
(1.9)
B
B
PB, VB
PA, VA
A
A
ZA
ZB
1.5. Cột áp của bơm piston
Hình 1.2. Sơ đồ tính toán cột áp
Khả năng truyền năng lượng của bơm với dòng dung dịch được thể
hiện bằng sự chênh lệch năng lượng đơn vị của dòng dung dịch ở hai mặt
cắt trước sau của máy bơm.
v
A
l
Z
Ta có năng lượng đơn vị tại mặt cắt (A - A):
A
A
P A
A 2
. V g
(1.10)
v
l
Z
Năng lượng đơn vị tại mặt cắt ( B - B) :
B
B
P B
B 2
V . B g
(1.11)
Trong đó
7
: Áp suất dòng chảy tại mặt cắt ( A - A ), (B - B);
VA; VB : Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt ( A - A), (B - B);
α: Hệ số điều chỉnh động năng.
γ: Trọng lượng riêng của chất lỏng bơm.
=> Độ chênh lệch năng lượng hai mặt cắt ( A - A), (B - B ) là:
l = lA – lB =
+ + (ZB - ZA) (1.12)
- Nếu l > 0: Thì chất lỏng được máy cung cấp cho năng lượng. Hay
là máy thực hiện quá trình bơm, máy thuỷ lực gọi là máy bơm.
- Nếu l < 0: chất lỏng truyền năng lượng cho máy thuỷ lực, máy
gọi là động cơ thuỷ lực.
Gọi H = lB - lA là cột áp của máy thuỷ lực (máy bơm). Ta có định
nghĩa: Cột áp H của máy bơm là năng lượng đơn vị (tức năng lượng) trọng
V
V
A
B
B
¢
A
V
V
lượng chất lỏng của chất lỏng trao đổi được với máy thuỷ lực.
H = + + (ZB - ZA) (m ) (1.13)
P P
B 2g
Gọi thành phần thế năng đơn vị là cột áp tĩnh:
+ Z (m) (1.14) Ht =
Gọi thành phần động năng đơn vị là cột áp động:
(m) (1.15) Hđ =
(1.16) => H = Ht + Hđ (mét cột nước)
1.6. Công suất (N)
Công suất của động cơ (Nđc) chi phí cho quá trình bơm làm việc bao
gồm các thành phần sau:
- Chi phí công suất để nâng một lưu lượng Q lên độ cao H trong 1
8
đơn vị thời gian được gọi là công suất thủy lực hay công suất có ích (Ntl);
N
tl
Q H . . 75
(1.17)
Công suất thủy lực chính là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với bơm
trong 1 đơn vị thời gian.
- Chi phí công suất để thắng các tổn hao thủy lực, tổn hao thể tích,
tổn hao cơ khí, được đánh giá bằng hệ số tl, V và c.
+ Tổn hao thủy lực tl: bao gồm chi phí để thắng các sức cản thủy
lực do ma sát với thành ống và các tổn hao cục bộ do thay đổi tốc độ dòng
chảy khi chất lỏng chuyển động từ bể chứa đến ống đẩy. Ngoài ra còn để
t
thắng lực quán tính của van.
tl
H H
l
(1.18)
Ht, Hl: Cột áp thực tế và cột áp lý thuyết.
+ Tổn hao thể tích V: được xác định bằng hệ số hút đầy:
V
Q t Q l
(1.19)
Qt, Ql: Lưu lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết.
Như vậy, công suất trên trục của piston là công suất làm việc hay
N
công suất chỉ báo (Nlv):
lv
N tl . tl V
(1.20)
+ Tổn hao cơ khí (c): là các tổn hao từ động cơ đến trục của piston.
Như vậy, công suất của động cơ sẽ là:
.
75.
N tl . V c
tl
Q H . . . . V c
tl
(1.21) Nđc=
1.7. Hiệu suất ()
9
Hiệu suất toàn phần của máy bơm được xác định theo công thức:
tl
.
.
tl
V
c
N N
dc
(1.22)
Thông thường, = 0,67 0,85.
1.8. Phương trình chuyển động của máy bơm piston (phương trình vận
tốc)
L
S
Ta xét hình vẽ sau:
B
O
B1
B2
x
S
Pa
A
Hình 1.3. Quá trình chuyển động của piston.
L: chiều dài thanh truyền,
R: bán kính của tay quay,
S: hành trình của piston,
X: quãng đường chuyển động của piston từ vị trí điểm chết
trái.
: góc quay của tay quay từ điểm chết trái.
: tốc độ góc của trục khuỷu,
10
Từ hình vẽ (1.2) ta thấy:
- Một vòng quay của trục khuỷu thì piston di chuyển được quãng
đường là 2S.
Vận tốc trung bình của piston sẽ là:
r n = S n = 2.2. . Ctb = 2 . 60 60
r n . 15
(1.23)
Giả thiết chiều dài thanh truyền lớn hơn tay quay nhiều lần, lúc này
khi tay quay quay được 1 góc thì piston di chuyển được một đoạn là x.
Ta có:
(1.24) X = AB = Ctb.t = AO – BO
AO = r, BO = r.cos
Suy ra: x = r – r.cos = r.(1 - cos) (1.25)
d
)
r
.sin
r
.sin
* Phương trình vận tốc tức thời của piston là:
dx dt
d dt
( t dt
c
r
. .sin
C =
=> (1.26)
d
j
. r
r . .cos
2
r . .cos
* Gia tốc tức thời của piston là:
dc dt
sin dt
d dt
(1.27)
1.9. Lưu lượng tức thời của máy bơm piston
Q F c .
Ta có công thức xác định lưu lượng của máy bơm piston là:
(1.28)
Do F là tiết diện của ống hút (với quá trình hút) hoặc ống đẩy (với
quá trình đẩy) là đại lượng không đổi và c là vận tốc tức thời của máy bơm
tại một thời điểm bất kỳ, nên lưu lượng của máy bơm piston theo công thức
(1.21) là lưu lượng tức thời.
11
Thay giá trị c từ công thức (1.19) vào (1.21) ta có được:
Q F c F r
. .sin
.
.
(1.29)
Từ công thức (1.22) ta nhận thấy lưu lượng tức thời của máy bơm
piston là một hàm số phụ thuộc vào đại lượng sin. Do đó đồ thị lưu lượng
của máy bơm sẽ có dạng đồ thị của hàm sin.
Gọi m là hệ số lưu lượng của máy bơm piston, m được xác định theo
m
công thức:
Q max Q tb
(1.30)
a1
Qmax
Qtb
O
O
O
0
90
360
180
1.9.1. Lưu lượng của máy bơm tác dụng đơn
a2
12
Hình 1.4. Đồ thị lưu lượng máy bơm tác dụng đơn
Trong bước đẩy, nửa đầu của bước kép lưu lượng chất lỏng thay đổi
theo hình sin oa1a2. Ở bước hút không có chất lỏng bị đẩy ra và được biểu
Q
F c .
max
max
. F r n . . 30
Q tb
F c . tb
F s n F r n F r n . . .2 . . . 30 60 60
m
1
Q max Q tb
diễn bằng đoạn thẳng a2a3.
Qmax
Qtb1
Qtb
Qtb2
O
O
0
180
360
1.9.2. Máy bơm tác dụng kép
13
Hình 1.5. Đồ thị lưu lượng máy bơm tác dụng kép
Trong máy bơm tác dụng kép gồm 2 xi lanh tác dụng đơn, các chốt
khuỷu được đặt lệch nhau 1 góc 180 o . Như vậy, nếu một piston thực hiện
bước đẩy thì piston kia thực hiện bước hút. Điều này cũng hoàn toàn đúng
Q
F c .
max
max
. F r n . . 30
2.
2.
Q tb
F c . tb
F s n . . 60
F r n .2 . 60
F r n . . 15
m
2
Q max Q tb
với bơm 1 xi lanh tác dụng kép.
1.9.3. Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng ba
Trong máy bơm tác dụng ba, ba xi lanh tác dụng đơn làm việc hoàn
toàn như nhau, nhưng tay quay của chúng được đặt lệch nhau 1 góc là
Qmax
Qtb
O
O
0
60O
120
240
300O
O360
120 o .
180O
14
Hình 1.6. Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng ba.
Ở những phần mà hai xi lanh có cùng bước đẩy thì ta phải dùng cách
cộng đồ thị để tìm Q tổng cộng trên ống đẩy. Cuối cùng ta được đường
cong lưu lượng tổng cộng, có 6 lần cực đại sau mỗi vòng quay của trục
Q
F c .
max
max
. F r n . . 30
3.
3.
3.
Q tb
F c . tb
F s n . . 60
F r n .2 . 60
F r n . . 10
m
3
Q max Q tb
khuỷu.
1.9.4. Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng bốn
Người ta chế tạo máy bơm tác dụng bốn gồm 4 xi lanh tác dụng đơn,
trục khuỷu của chúng đặt lệch nhau 1 góc 90 o , hoặc gồm 2 xi lanh tác
Qmax
Qtb
O
0
180O
270O
O360
90
dụng kép và tay quay của chúng đặt lệch nhau 90 o .
Hình 1.7. Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng bốn.
Đường biểu diễn lưu lượng tổng cộng ở 4 buồng làm việc là tổng
tung độ của đồ thị lưu lượng do 4 buồng làm việc sinh ra. Nó đạt 4 lần cực
15
đại sau mỗi vòng quay của trục khuỷu.
Lưu lượng tức thời lớn nhất của máy bơm thể hiện bằng tung độ dc
và nó có độ lớn bằng tổng hai đoạn db và dc (db = dc), tương ứng với =
1, 41.
Q db F r .
. .sin
F
.
o .sin 45
r n . . 30
. F r n . . 60
1, 41.
Q
db dc
2.
. F r
. .sin
max
. F r n . . 30
4.
4.
4.
Q tb
F c . tb
F s n . . 60
F r n .2 . 60
F r n 8 . . 10
m
1,11
1, 41. 4
Q max Q tb
45 o .
Đối với máy bơm tác dụng 4 gồm 2 xi lanh tác dụng kép thì mức độ
không đồng đều của lưu lượng sẽ lớn hơn 1,11 tùy theo tỷ lệ đường kính
cần và đường kính piston.
* Nhận xét:
- Các máy bơm có số xi lanh lẻ thì hệ số ổn định lưu lượng nhỏ.
- Các máy bơm có số xi lanh chẵn thì hệ số ổn định lưu lượng lớn.
- Về mặt kinh tế kỹ thuật thì máy bơm gồm nhiều xi lanh tác dụng
đơn sẽ cồng kềnh, phức tạp nên với máy bơm hiện nay thường sử dụng
những loại sau:
+ Máy bơm tác dụng 3 gồm 3 xi lanh tác dụng đơn.
+ Máy bơm 2 xi lanh tác dụng kép (tác dụng bốn).
+ Máy bơm tác dụng kép.
1.10. Khắc phục hiện tượng chuyển động không ổn định của chất lỏng
trong máy bơm piston
1.10.1. Tác hại của chuyển động không ổn định của chất lỏng trong máy
bơm piston
16
- Làm tăng tổn thất thủy lực.
- Xảy ra sự rung động khi làm việc, gây ra va đập thủy lực làm hư
hỏng các bộ phận của máy bơm.
- Trong trường hợp dùng nhiều bơm làm việc, có thể xảy ra hiện
tượng cộng hưởng biên độ dao động của áp suất dẫn đến giảm độ bền của
thiết bị.
1.10.2. Biện pháp khắc phục chuyển động không ổn định của chất lỏng
trong máy bơm piston
1.10.2.1. Khi thiết kế
- Dùng máy bơm tác dụng kép.
- Dùng máy bơm tác dụng ba (gồm 3 máy bơm tác dụng đơn ghép
với nhau).
1.10.2.2. Khi sử dụng
Dùng bình điều hòa để điều hòa lưu lượng và áp suất của máy bơm
khi làm việc. Có hai loại bình điều hòa gồm:
- Bình điều hòa hút (lắp trên ống hút).
- Bình điều hòa đẩy (lắp trên ống đẩy).
1. Bình điều hòa hút
Trong quá trình làm việc của máy bơm, một phần chất lỏng được
tích lũy trong bình điều hòa. Trên mặt thoáng của chất lỏng trong bình luôn
có màng ngăn chất lỏng với không khí có áp suất chân không. Vì thế chất
lỏng từ trong ông hút lên bình có thể xem như là một dòng chảy ổn định..
Do đó sẽ giảm được tổn thất năng lượng trong ống hút.
Khi lắp bình điều hòa hút, ta có thể:
- Tăng chiều cao hút của máy bơm.
17
- Giảm được dao động áp suất của máy bơm trong quá trình hút.
x
(Px < Pa)
Px
Px
Pa
Hình 1.8. Bình điều hòa hút
Trong quá trình làm việc của máy bơm, một phần chất lỏng được
tích lũy trong bình điều hòa. Trên mặt thoáng của chất lỏng trong bình luôn
có màng ngăn chất lỏng với không khí có áp suất chân không. Vì thế chất
lỏng từ trong ông hút lên bình có thể xem như là một dòng chảy ổn định..
Do đó sẽ giảm được tổn thất năng lượng trong ống hút.
Khi lắp bình điều hòa hút, ta có thể:
- Tăng chiều cao hút của máy bơm.
- Giảm được dao động áp suất của máy bơm trong quá trình hút.
2. Bình điều hòa đẩy
Trong quá trình đẩy, một phần lưu lượng của máy bơm (phần lớn
hơn lưu lượng trung bình) được tích lũy trong bình, mức chất lỏng trong
bình dâng lên, nén không khí ở phần trên của bình và tạo ra áp suất lớn.
Khi van đẩy đóng, nhờ áp suất của khối không khí bị nén trong bình thì
18
chất lỏng tiếp tục được đẩy ra ống đẩy, dao động lưu lượng và áp suất
trong ống đẩy sẽ giảm, dòng chảy của chất lỏng trong ống đẩy sẽ điều hòa
P > Pa
s
x
Px
và ổn định hơn.
Hình 1.9. Bình điều hòa đẩy
Sử dụng bình điều hòa đẩy có tác dụng làm giảm lực quán tính trong
ống đẩy của máy bơm, do đó sẽ giảm tổn thất lưu lượng và áp suất trên ống
đẩy.
* Chú ý:
- Bình điều hòa càng đặt sát máy bơm thì càng có lợi.
- Trong trường hợp ống hút ngắn thì không cần lắp bình điều hòa
hút.
- Bình điều hòa đẩy dùng trong mọi trường hợp.
3. Tính chọn bình điều hòa
Kích thước của bình điều hòa được xác định dựa trên giá trị lớn nhất
của mức độ không ổn định áp suất. Trong bình điều hòa vì có sự thay đổi
mực chất lỏng làm cho không khí trong bình bị nén và nở đồng thời sẽ làm
19
thay đổi áp suất của không khí.
V m i n , P m a x
V t b , P t b
V m a x , P m i n
V, P: thể tích và áp suất chất khí trong bình ở 3 mức trong 1 vòng
quay của trục máy bơm.
Thực tế, nếu mức độ không ổn định của áp suất trong bình nhỏ thì ta
P max
P min
0, 025 0, 05
coi như là đảm bảo được độ ổn định:
P tb
(1.31)
Ta cho rằng trong quá trình thay đổi thể tích, không khí trong bình
P V . max max
P V . tb tb
giãn nở đẳng nhiệt. Theo Booilo – Mariot ta có:
P max
P V . min min P V . min min V
max
(1.32)
.(
V
)
P max
P min
P min
min
P tb
Áp suất trung bình của không khí trong bình điều hòa là:
V max V 2.
2
min
(1.33)
)
V
V
V
P max
P min
min
max
min
Thay (1.25) và (1.26) vào công thức (1.24) ta có được:
2.( V V
V max V
P tb
max
min
V tb
V tb
V là lượng chất lỏng được tích lại trong bình điều hòa.
20
(1.34)
* Bây giờ ta sẽ đi xác định giá trị V.
Ta xét cho trường hợp máy bơm piston tác dụng đơn 1 xi lanh. Đồ
a
Qmax
Qtb
1
2
O
O
O
90
180
360
0
thị lưu lượng của nó có dạng như sau:
Phần diện tích 1a2 là phần lưu lượng dư.
. d V dQ Q dt F r
. .sin
.
dt
dt
tb
F r n . . 30
F r
. .sin
d
F r
. .(sin
)
d
.
1
F r n d . . . n 30 30
Khi đó phân tố thể tích chất lỏng đi vào bình như sau:
V F r
)
d
F r
. .(
cos )
1
2 . . (sin 1
sin
0,323rad
Toàn bộ khối lượng chất lỏng vào bình điều hòa sẽ là:
1
1
1
2,817rad
1
2
Từ điều kiện V = 0 ta có:
=> V = 1,1.F.r = 0,55.F.S (S = 2r)
21
* Với phương pháp làm tương tự ta có được các kết quả sau:
- Với máy bơm tác dụng kép 1 xi lanh: V = 0,21.FS.
- Với máy bơm tác dụng kép 2 xi lanh tác dụng đơn: V = 0,042.FS.
- Với máy bơm tác dụng ba gồm 3 xi lanh tác dụng đơn: V =
0,009.FS.
Dựa vào kết quả V tính được ở trên và giá trị trong khoảng giới
hạn 0,025 0,05 ta sẽ xác định được lượng khí cần nạp vào bình cho từng
V tb
V
loại máy bơm cụ thể:
Kích thước bình điều hòa được chọn trên cơ sở lượng khí chứa trong
bình mà ta xác định ở công thức trên chỉ chiếm khoảng 2/3 thể tích bình.
dH
b
b
H
h
x
Pa
a
a
1.11. Quá trình hút của máy bơm piston
hP
: là cột áp trong xi lanh khi hút (m);
Pa: áp suất mặt thoáng (at);
22
Hh: chiều cao hút của máy bơm (m);
C: tốc độ chuyển động của piston (m/s);
Hoh: tổn thất cột áp trên ống hút (m);
Hv: tổn thất cột áp tại van hút (m);
Hqt: tổn thất cột áp do quán tính chuyển động của khối chất
lỏng trên đường hút (m).
2
H
H
Viết phương trình becnuli cho 2 mặt cắt (a-a) và (b-b) ta được:
h
oh
H H v
qt
P a
P h
c 2
g
(1.35)
Trong đó các đại lượng tổn thất được xác định như sau:
2
2
2
H
.
.
.
a. Tổn thất Hoh:
oh
m
v h g 2
v h g 2
v h g 2
: hệ số tổn thất cục bộ;
m : hệ số tổn thất do ma sát;
v h
(1.36)
. F c F h
: vận tốc tại ống hút;
F: tiết diện bề mặt piston;
Fh: tiết diện ống hút.
H
b. Tổn thất Hv:
v
G R . f
(1.37)
G: trọng lượng van và lò xo (N);
R: lực căng của lò xo (N);
f: tiết diện đĩa van.
23
c. Tổn thất Hqt:
H
.
j
qt
L F . g F . h
j
r
2. .cos
(1.38)
2
H
.(
.
j
* Thay các tổn thất vào trong (1.28) ta có được:
h
(1.39)
P h
P a
g
G R . f
F c ). F 2 h
L F . g F . h
1
* Nhận xét:
hP
- phụ thuộc chuyển động của piston (c) và gia tốc của nó (j).
hP
- Giá trị càng nhỏ thì Hh càng lớn.
* Biện pháp để tăng khả năng hút của máy bơm piston:
- Tăng áp suất mặt thoáng bằng cách cho chất lỏng vào bình kín.
- Giảm chiều cao hút.
- Giảm các yếu tố gây tổn thất (chiều dài ống hút, van, cút nối,…).
1.12. Quá trình đẩy của máy bơm piston
đP
là cột áp Ta gọi Pđ là áp suất trong xi lanh ở quá trình đẩy. Khi đó
tương ứng với Pđ và nó bằng tổng các cột áp sau:
- Cột áp để chất lỏng đi qua van đẩy (H’v).
- Cột áp để nâng chất lỏng lên tới chiều cao đẩy (Hđ).
- Cột áp để thắng tất cả các lực cản trong ống đẩy (Hod).
- Cột áp để cân bằng lực quán tính (Hqt).
24
- Cột áp để thắng áp suất trước cửa ra của ống đẩy (Pod).
Áp dụng phương trình becnuli cho 2 mặt căt (a-a) và (b-b) như hình
2
2
2
H
H
(
)
(
)
.
j
vẽ mục 1.8 ta có:
' v
đ
(1.40)
p đ
c 2
g
P od
F F đ
F F đ
L F . od g F . d
1 .
* Nhận xét:
- Áp suất Pđ có giá trị lớn nhất khi piston bắt đầu chuyển động (x =
S)và nhỏ nhất khi piston ở cuối hành trình đẩy (x = 0).
1.13. Đường đặc tính của máy bơm piston
1.13.1. Đường đặc tính cơ bản H = f(Q) với hai số vòng quay làm việc
D
H
B
G
R
n
n
> n 1
2
1
0
A
C
Q
khác nhau n1 và n2 (n1 > n2)
Hình 1.9. Đường đặc tính lý thuyết
Theo lý thuyết thì đường đặc tính lý thuyết của máy bơm là AB (n1)
và CD (n2) do H và Q không phụ thuộc vào nhau.
Thực tế khi áp suất tăng thì sẽ có tổn thất lưu lượng do chất lỏng rò
rỉ qua bộ phận làm kín hoặc van an toàn mở để xả bớt chất lỏng về bể hút
khi áp suất buồng làm việc quá cao, điều này làm cho lưu lượng thực của
25
máy bơm bị giảm. Vì vậy đường đặc tính có đoạn AG và CR.
1.13.2. Đường đặc tính làm việc Q = f(H), N = f(H), = f(H) ứng với n =
N, Q,
Q = f(H)
N = f(H)
0
H
const
Hình 1.10. Đường đặc tính làm việc.
- Điều chỉnh Q bằng cách thay đổi H, với n = const.
- Khi H = const thì Q, N, sẽ tỷ lệ thuận với n.
1.13.3. Đường đặc tính xâm thực của máy bơm
Hiện tượng xâm thực ở máy bơm là hiện tượng xuất hiện bọt khí ở
trong chất lỏng được bơm. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng xâm
thực là do sự xuất hiện các bọt khí, xảy ra khi:
- Chiều cao hút quá lớn làm giảm nhiệt độ sôi.
- Nhiệt độ chất lỏng quá cao.
- Trong chất lỏng có khí đồng hành.
- Đường ống hút quá nhỏ, quá dài làm tăng tổn thất thủy lực.
Đường đặc tính xâm thực cho thấy khả năng làm việc bình thường
của máy bơm ứng với số vòng quay không đổi và nhiệt độ làm việc nhất
26
định phụ thuộc độ chân không của máy bơm.
Q
n2 >> n1
Q2
n2
Q1
n1
Kgh
K2 K1
Hình 1.11. Đường đặc tính xâm thực của máy bơm
K1, K2 là điểm giới hạn phạm vi làm việc an toàn của bơm ứng với
trị số áp suất chân không giới hạn. Nếu độ chân không vượt quá các trị số
giới hạn thì bơm sẽ làm việc trong tình trạng bị xâm thực.
1.14. Ghép máy bơm
Trên hình vẽ 1.12 biểu diễn sự phụ thuộc giữa áp suất trong hệ tuần
P
a
2(//)
Po
1(nt)
No
P o _ 2 P1
N1
O
Qo
Q
Qo_ 2
hoàn và lưu lượng trong quá trình khoan (biểu diễn qua đường Oa).
27
Hình 1.12. Đặc tính khi ghép máy bơm
Giả sử trong quá trình khoan, chúng ta cần một lưu lượng là Qo, khi
đó áp suất và công suất thủy lực tương ứng sẽ phải là Po và No. Nhưng tại
oN 2
. thời điểm làm việc, chỉ có máy bơm có N1 nào đó, giả sử là N1 =
Như vậy, để có thể đạt được giá trị công suất No thì ta phải tiến
hành kết hợp làm việc những máy bơm có N1.
1. Ghép nối tiếp hai máy bơm
Khi tiến hành ghép nối tiếp hai máy bơm, mỗi máy bơm sẽ có lưu
oP 2
. Khi đó sự làm việc của mỗi máy bơm sẽ lượng là Qo và áp suất là
được xác định tại điểm 1 trên đường N1.
Tuy nhiên, khi cho hai máy bơm ghép nối tiếp nhau làm việc, nếu
một máy bị sự cố không hoạt động được thì lưu lượng của máy kia không
đổi nhưng máy bơm chỉ có áp suất bằng một nửa áp suất yêu cầu cho nên
máy bơm không làm việc bình thường được.
Để khắc phục hiện tượng trên ta cần lắp thêm máy bơm đỡ trên ống
hút của máy bơm piston (có thể lắp máy bơm ly tâm).
2. Ghép song song hai máy bơm
Khi tiến hành ghép song song hai máy bơm, mỗi máy bơm sẽ có
oQ 2
lưu lượng là và áp suất là Po. Khi đó sự làm việc của mỗi máy bơm sẽ
được xác định tại điểm 2 trên đường N1.
Khi một máy bơm gặp sự cố mà không hoạt động được thì lưu
lượng sẽ giảm đi một nửa, còn áp suất sẽ giảm đi 4 lần (điểm P1). Khi đó
quá trình khoan không đảm bảo nhưng sẽ không xảy ra hiện tượng phức
tạp gì đối với máy bơm.
1.15. Điều chỉnh lưu lượng của máy bơm piston
28
Ta có công thức:
Q
i F S n . . . 60
Từ công thức trên ta thấy để thay đổi giá trị lưu lượng Q, ta có thể
thực hiện những phương pháp sau:
- Thay đổi số cặp piston-xi lanh (i): số cặp piston – xi lanh tỷ lệ
thuận với lưu lượng của máy bơm, có thể tăng thêm 1 hay 2 cặp tùy theo
thiết kế của máy bơm đang sử dụng.
- Thay đổi cặp piston – xi lanh: phương pháp này chính là thay đổi
đường kính cặp piston – xi lanh (thay đổi tiết diện F của piston). Mỗi máy
bơm đều được thiết kế sao cho phù hợp một vài bộ piston – xi lanh (trong
công tác khoan dầu khí thường có từ 6 đến 12 bộ) với đường kính cặp
piston – xi lanh thay đổi trong khoảng d = 10 12 mm.
- Tăng chiều dài hành trình piston (S), phương pháp này thực hiện
trong quá trình thiết kế máy bơm cho tổ hợp hay nhiệm vụ nhất định.
Trong công tác khoan tại khoan trường, phương pháp này không sử dụng
được.
- Thay đổi tỷ trọng của chất lỏng cần bơm: khi tỷ trọng chất lỏng
giảm thì lưu lượng của máy bơm sẽ tăng lên và ngược lại.
* Chú ý:
Máy bơm dung dịch khoan là bộ phận quan trọng nhất trong quá
trình tuần hoàn dung dịch khoan. Máy bơm cần cung cấp lưu lượng dung
dịch cần thiết trong quá trình khoan. Lưu lượng của máy bơm khoan được
lựa chọn dựa vào các thông số tiêu chuẩn sau:
- Vận tốc nâng dung dịch khoan trong khoảng không vành xuyến
giữa giếng khoan và cột cần khoan;
- Rửa sạch dụng cụ khoan;
- Thời gian tối đa để nâng hạt mùn lên mặt;
29
- Dạng dòng chảy trong khoảng không;
- Ổn định thành giếng khoan;
- Khoan bằng động cơ đáy.
Áp lực đẩy của máy bơm liên quan trực tiếp đến tổn thất áp suất
trong hệ thống tuần hoàn dung dịch, tổn thất với các vòi phun dụng cụ phá
đá, với sự sụt áp động cơ đáy, với lưu lượng và các tính chất vật lí của
dung dịch.
1.16. Sự làm việc của van trong máy bơm piston và tính toán van
d
3
v
1
4
H
d1
v1
2
v1 f1
1.16.1. Cấu tạo van (van hút và van đẩy tương tự nhau)
Hình 1.13. Cấu tạo van
3. Lò xo 1. Đĩa van
2. Đế van 4.Thành buồng làm việc
V1: vận tốc qua đế van;
F1: diện tích thoát của đế van;
L: chu vi đĩa van;
H: chiều cao nâng của đĩa van;
30
V: tốc độ qua khe hở van;
: hệ số dòng chảy khi chất lỏng chuyển động trong khe hở
van.
1.16.2. Tính toán van
Trong máy bơm piston, van hút và van đẩy có cấu tạo tương tự như
nhau và dùng để ngăn cách các buồng làm việc của máy bơm với ống hút
và ống đẩy. Van tự mở dưới áp suất chất lỏng, lò xo lúc này sẽ bị nén và
đĩa van tự mở. Van đóng lại nhờ trọng lượng của đĩa van và sức nâng của
lò xo.
F c .
Do dòng chảy của chất lỏng là đều và liên tục nên ta có:
v f 1. 1
(1.41)
Khi van nâng tới độ cao H thì chất lỏng khối lượng chất lỏng do
F c .
piston đẩy ra và đi qua khe hở van là:
H
v L H . . . F c . v L . .
. .sin . F r v L . .
(1.42)
. F r . v L . .
2
Khi thì Hmax =
Công tác thiết kế van gồm các việc sau:
- Xác định đường kính lỗ van.
- Đường kính đĩa van.
- Chiều cao nâng lớn nhất.
- Kích thước lò xo.
- Thiết kế cấu tạo và tính toán bền các phần tử của van.
Điều kiện để tính toán thiết kế van: Là van phải làm việc êm và
không có tiếng gõ đập khi đóng van. Sự phát ra tiếng gõ đập có liên quan
31
mật thiết đến tốc độ khi đĩa van hạ xuống đế. Muốn không sinh ra tiếng
gõ đập thì theo Kykoleb sự phụ thuộc giữa Hmax và số vòng quay của trcuj
(800 1000)
n H . max
khuỷu cửa bơm sẽ là:
L
Khi đã xác định được Hmax thì ta sẽ xác định được chu vi đĩa van L:
F r . . v H . .
max
(1.43)
Tốc độ chất lỏng qua khe hở van được xác định dựa vào loại chất
lỏng và chiều cao hút của máy bơm:
- Đối với máy bơm piston có công suất nhỏ thì v = 6 – 8 m/s.
- Đối với máy bơm piston có công suất lơn thì v = 12 – 14 m/s.
Giá trị Hmin được lấy phụ thuộc vào kích thước hạt mùn lớn nhất,
thường thì chọn Hmin 2,5 mm.
d
L
Khi đã biết L thì ta sẽ tính được đường kính đĩa van từ công thức:
Khi chất lỏng đi qua van có chênh áp, và tốc độ v liên quan đến H
v
2.
g H .
theo công thức sau:
(1.44)
Giá trị H trong công thức trên còn phải đủ lớn để thắng trọng lượng
H
đế van (G) và sức căng của lò xo khi mở van (R):
G R . f
(1.45)
2
v
g 2 .
R
.
f
.
G
Từ đó ta có được:
G R . f
v 2
g
(1.46)
Ta sẽ có Rmax tương ứng với vmax.
32
Khi đóng van thì sức căng của lò xo sẽ là Ro với:
(
).
R
oR
max
1 1 2 3
Căn cứ vào Rmax, Ro, và các thong số d1, số vòng lò xo I, ta sẽ chọn
33
được lò xo cho van của máy bơm.
