Розрахунок гідравлічного реле часу

Одним з важливих конструктивних елементів випробувального обладнання вважається гідравлічне реле часу, яке призначено для забезпечення необхідного сповільнення в спрацюванні клапанної системи при дії на неї розтягуючих або стискуючих навантажень. Враховуючи відносно широкий температурний діапазон роботи випробувального обладнання (20-200⁰С), необхідно, щоб гідравлічне реле часу виконувало всі функції незалежно від температурного режиму. Це досягається спеціальною конструкцією гальмівної камери, де передбачено перетікання робочої рідини по каналах чи щілинах з великим гідравлічним опором. В залежності від температурних умов роботи гідравлічний опір регулюється зміною довжини каналу, поперечних розмірів каналу, або в’язкості робочої рідини. В залежності від конструктивного виконання каналу гідравлічного опору реле часу можна розділити на декілька основних типів:

1) гідравлічне реле часу, в якому рідина перетікає по гвинтовому каналу, що виконаний на зовнішній поверхні поршня;

2) гідравлічне реле часу, в якому рідина перетікає по кільцевій циліндричній щілині;

3) гідравлічне реле часу, в якому рідина перетікає по кільцевій щілині, що утворена двома конусними поверхнями;

4) гідравлічне реле діафрагмового типу.

Найрозповсюдженішими є гідравлічні реле першого типу, які використовують в комплекті випробувального інструменту КВІ-2М-146. Для розрахунку гідравлічного реле часу, тобто визначення оптимальних конструктивних параметрів, необхідно в кожному конкретному випадку визначити витрату робочої рідини. Нижче подано розрахунок гідравлічного реле часу з гвинтовим каналом квадратного перерізу, а розрахункова схема показана на рисунку 2.31.

Для визначення витрати рідини через щілину сталого поперечного перерізу скористаємось формулою:

(2.12)

де: - перепад тиску на вході і виході щілини, Па;

- зазор, м;

b - ширина щілини, м;

- динамічна в’язкість робочої рідини, ;

- довжина щілини, м.

Величина зазору визна­чається з співвідношення

(2.13)

Тоді величина витрати рідини через щілину буде дорівнювати

(2.14)

Величина перепаду тиску, яка залежить від стискуючого навантаження, що передається на поршень, визначається з співвідношення

(2.15)

де: - стискуюче навантаження, яке передається колоною труб на гідравлічний випробувач пластів, Н;

- площа кільцевого перерізу гальмівної камери, м².

(2.16)

де: - внутрішній діаметр гальмівної камери, м;

- зовнішній діаметр штока, м;

Об’єм рідини, яка перетікає через щілину, визначається так

(2.17)

де - довжина робочого ходу штока випробувача пластів, м.

Час перетікання робочої рідини з підпоршневого простору в надпоршневий дорівнює

(2.18)

Підставивши 2.17 в 2.18 і визначивши з 2.18 підставляємо його та 2.15 в 2.13 отримаємо:

(2.19)

З виразу 2.19 знаходимо - довжину каналу для перетікання рідини, щоб при даних геометричних розмірах і величині стискуючого навантаження забезпечити потрібний час сповільнювання.

(2.20)

Оскільки гвинтова лінія щілини має малий крок, то її довжину можна знайти з такого виразу

(2.21)

де : - середній діаметр гвинтової нарізки, м

(2.22)

- кількість витків нарізки, що перекривається зовнішньою обоймою.

Прирівнявши 2.21 і 2.22, маючи на увазі, що у формулі 2.21 не врахований вплив крайового ефекту, а також похибок, допущених під час виготовлення різьби, і можливість часткового перетікання рідини по щілині, утвореній поверхнями діаметрів і , отримаємо:

(2.23)

де - константа реле. Оскільки величина його залежить тільки від геометричних розмірів і якості виготовлення деталей реле, то:

(2.24)

- поправочний коефіцієнт, який визначається дослідним шляхом і враховує можливість перетікання рідини між внутрішньою поверхнею зовнішньої обойми та виступами нарізки на внутрішній обоймі. Його величина знаходиться в межах 1,03-1,05.

Відомо, що в’язкість рідини суттєво залежить від температури та тиску. При виготовленні реле на заводі його тарують і в паспорті вказують в’язкість рідини, температуру, стискуюче навантаження, кількість витків, що знаходяться в зачепленні при таруванні, а також час спрацювання реле. Оскільки в умовах свердловини режим роботи реле суттєво відрізняється від режиму роботи на поверхні, то дійсний час спрацювання реле під час випробування пласта буде рівний

(2.25)

де: і - час спрацювання реле, відповідно, при випробуванні свердловини і таруванні, с;

і - кількість витків що перекриваються зовнішньою обоймою, відповідно при випробуванні свердловини і таруванні;

і - динамічна в’язкість робочої рідини при температурі і тиску у свердловині та при таруванні, відповідно, ;

і - величина стискуючого навантаження на гідравлічний випробувач пласта під час випробування та при таруванні, відповідно, Н.

Щоб час спрацювання реле під час випробування дорівнював часу спрацювання при таруванні, дійсна кількість витків, що повинні перекриватись зовнішньою обоймою, повинна дорівнювати:

. (2.26)