Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине
У роботі дано опис стендової установки для моделювання та дослідження конструктивних і гідродинамічних параметрів кавітаційного генератора в свердловині. In this work was given the description of the bench plant for modeling and researching of structural and hydrodynamic parameters of cavitation gen...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33002 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине / В.В. Збереговский, Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский, И.Ф. Чугунков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33002 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Зберовский, В.В. Жулай, Ю.А. Ангеловский, А.А. Чугунков, И.Ф. 2012-05-26T16:55:06Z 2012-05-26T16:55:06Z 2009 Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине / В.В. Збереговский, Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский, И.Ф. Чугунков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33002 622.831.322:532.528 У роботі дано опис стендової установки для моделювання та дослідження конструктивних і гідродинамічних параметрів кавітаційного генератора в свердловині. In this work was given the description of the bench plant for modeling and researching of structural and hydrodynamic parameters of cavitation generator in a mining hole. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине The bench plant for modeling of cavitation generatorin mining hole Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине |
| spellingShingle |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине Зберовский, В.В. Жулай, Ю.А. Ангеловский, А.А. Чугунков, И.Ф. |
| title_short |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине |
| title_full |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине |
| title_fullStr |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине |
| title_full_unstemmed |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине |
| title_sort |
стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине |
| author |
Зберовский, В.В. Жулай, Ю.А. Ангеловский, А.А. Чугунков, И.Ф. |
| author_facet |
Зберовский, В.В. Жулай, Ю.А. Ангеловский, А.А. Чугунков, И.Ф. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехническая механика |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The bench plant for modeling of cavitation generatorin mining hole |
| description |
У роботі дано опис стендової установки для моделювання та дослідження конструктивних і гідродинамічних параметрів кавітаційного генератора в свердловині.
In this work was given the description of the bench plant for modeling and researching of structural and hydrodynamic parameters of cavitation generator in a mining hole.
|
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33002 |
| citation_txt |
Стендовая установка для моделирования работы кавитационного генератора в скважине / В.В. Збереговский, Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский, И.Ф. Чугунков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT zberovskiivv stendovaâustanovkadlâmodelirovaniârabotykavitacionnogogeneratoravskvažine AT žulaiûa stendovaâustanovkadlâmodelirovaniârabotykavitacionnogogeneratoravskvažine AT angelovskiiaa stendovaâustanovkadlâmodelirovaniârabotykavitacionnogogeneratoravskvažine AT čugunkovif stendovaâustanovkadlâmodelirovaniârabotykavitacionnogogeneratoravskvažine AT zberovskiivv thebenchplantformodelingofcavitationgeneratorinmininghole AT žulaiûa thebenchplantformodelingofcavitationgeneratorinmininghole AT angelovskiiaa thebenchplantformodelingofcavitationgeneratorinmininghole AT čugunkovif thebenchplantformodelingofcavitationgeneratorinmininghole |
| first_indexed |
2025-11-26T07:22:44Z |
| last_indexed |
2025-11-26T07:22:44Z |
| _version_ |
1850617006675460096 |
| fulltext |
"Геотехническая механика"
УДК 622.831.322:532.528
В.В. Зберовский, ст.науч.сотр.
(ИГТМ НАН Украины),
Ю.А. Жулай, вед. науч. сотр.
(ИТСТ НАН Украины),
А.А. Ангеловский, И.Ф. Чугунков, инж.
(ОАО «Краснодонуголь»)
СТЕНДОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ
КАВИТАЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА В СКВАЖИНЕ
У роботі дано опис стендової установки для моделювання та дослідження конструкти-
вних і гідродинамічних параметрів кавітаційного генератора в свердловині.
THE BENCH PLANT FOR MODELING OF CAVITATION GENERATOR
IN MINING HOLE
In this work was given the description of the bench plant for modeling and researching of
structural and hydrodynamic parameters of cavitation generator in a mining hole.
Исследование параметров высоконапорного нагнетания жидкости через
шпуры или скважины при проведении профилактических мероприятий по
предотвращению газодинамических явлений (ГДЯ) в забоях подготовитель-
ных выработках является сложной горно-экспериментальной задачей. Пара-
метры нагнетания определяются падением давления и объемом закачанной в
пласт жидкости, а напряженное состояние и зона разгрузки массива – пара-
метрами сейсмоакустического сигнала и глубиной герметизации скважин.
Однако, применение технических средств, обеспечивающих высокона-
порное нагнетание жидкости в статическом режиме, не исключает вероят-
ность проявления гидроразрыва и гидроотжима краевой части пласта с про-
воцированием ГДЯ. При этом прорыв жидкости в забой выработки по напла-
стованию пласта приводит к резкому падению давления и невозможности
оценить эффективность нагнетания.
Как показали горно-экспериментальные исследования гидроимпульсного
воздействия, его применение позволяет устранить вышеотмеченные недос-
татки, однако для оценки и контроля эффективности этого способа использу-
ются параметры гидрорыхления, которые не в полной мере соответствуют
параметрам импульсного нагнетания.
Учитывая, что методики контроля гидроимпульсного воздействия по аку-
стическому сигналу в настоящее время еще не разработаны, для исследования
импульсного нагнетания создана стендовая установка, которая представляет
собой замкнутую систему и включает в себя: емкость для жидкости; систему
насосов и трубу, имитирующую скважину; регулирующую и регистрирую-
щую аппаратуру (рис. 1).
Стенд представляет собой замкнутую систему и включает следующие ос-
новные узлы: 1 – открытая емкость объемом 8 м
3
; 2 – подпиточный насос; 4 –
входной трубопровод; 5-7 – три насоса высокого давления; 9 – объект испы-
Выпуск № 82
тания; 10 – вентиль запорный; 11 – фильтр; 12 – расходомер жидкости; 13 –
регулируемые дроссели для задания давлений на входе и выходе испытуемого
объекта; 14 – трубопровод слива; 15 – электрический щит; 16 – трубопровод.
Рис. 1 – Структурная схема гидравлического стенда
К стендовой установке подключена система датчиков давления и визуаль-
ная аппаратура, регистрирующая расход и рабочее давление жидкости с по-
дачей сигналов через усилитель на персональный компьютер. Вдоль насосов
расположен входной коллектор 4, который имеет ниппельное соединение с
входным патрубком каждого насоса. Выходные патрубки насосов параллель-
но подключены к напорному трубопроводу 8, который выходит на участок
объекта испытания. Емкость для жидкости 1 расположена на специальном
каркасе на высоте 1,5 м от пола. Емкость с помощью вентиля 10 через фильтр
11 соединена с входом подпиточного насоса (Q = 160 л/мин, Рн = 7,0 МПа),
обеспечивающим бесперебойное функционирование насосной установки.
Электропитание системы осуществляется от распределительного щита 15.
Для обеспечения необходимого расхода воды через испытуемый объект пульт
управления насосами позволяет включать от одной до трех насосных устано-
вок одновременно.
Исходя из технических средств и серийного оборудования используемого
на шахтах, а так же горно-геологических условий залегания и свойств выбро-
соопасных угольных пластов установка для стендовых испытаний обеспечи-
вает моделирование условий работы кавитационного генератора в скважине и
"Геотехническая механика"
достоверность инструментальных измерений его характеристик.
Гидродинамическая система стенда позволяет при расходе жидкости от
30 л/мин до 120 л/мин поддерживать давление на входе в кавитационный ге-
нератор до 32 МПа и плавно регулировать давление подпора в диапазоне от
0,05 до 0,9 значения давления подачи жидкости. При работе стенда преду-
смотрены различные варианты расположения кавитационного генератора в
модели скважины (рис. 2).
Модель скважины (имитатор скважины) включает в себя входной гидрав-
лический канал 1, соединенный посредством ниппельного соединения с гиб-
ким шлангом высокого давления стенда, кавитационный генератор 2, пере-
ходник 3, трубопровод-имитатор скважины 4, на выходе из которого установ-
лен подпорный дроссель 5, соединенный со сливным трубопроводом стенда
6. Технологические возможности стенда позволяют проводить испытания как
автономного генератора (рис. 3.2, а), так и с его расположением до трубопро-
вода-имитатора скважины без переходника 3 (рис. 3.2, б) и с ним (рис. 3.2, в),
а также с погружением устройства непосредственно в трубопровод-имитатор
(рис. 3.2, г).
Исходными данными для разработки стенда и испытаний генератора кави-
тации являются параметры серийно выпускаемого оборудования и физико-
механические свойства угля.
По параметрам насосных установок: давление жидкости от 1,0 МПа до
32 МПа; расход жидкости от 35 л/мин до 120 л/мин.
По свойствам угольного пласта: давления подпора (давление газа в пласте)
от 1,0 МПа до 20,0 МПа; сопротивление угля на сдвиг от 2,0 МПа до 6,0 МПа.
Физическими величинами, которые характеризуют гидроимпульсное воз-
действие, являются значения давления жидкости на входе и выходе из генера-
тора и средний расход жидкости через него. Величины импульсов давления
жидкости за генератором Р1 и в трубопроводе-имитаторе скважины Р2, Р3,
Р4 и Р5 на различных расстояниях от среза генератора (рис. 2, г).
Все измерительные параметры распределяются по динамическому диапа-
зону изменения на две категории – статические параметры, изменение кото-
рых во времени происходит с частотами менее чем 4 Гц, и динамические па-
раметры, изменение которых во времени происходят с большими частотами.
Все стендовые параметры являются статическими.
Выпуск № 82
1 – входной гидравлический канал; 2 – кавитационный генератор; 3 – переходник;
4 – трубопровод-имитатор скважины; 5 – подпорный дроссель; 6 – сливной трубопровод
стенда; 7 – последиффузорный канал
Рис. 2 – Схемы испытаний кавитационного генератора
Динамическими параметрами являются значения пульсаций давления
жидкости на выходе из кавитационного генератора и в трубопроводе-
имитаторе скважины. Для измерения статических параметров давления ис-
пользуются технические манометры со значением приведенной погрешности
0,6%, что позволяет получить среднее значение давления в месте установле-
ния манометров.
Методика измерения объемного значения расхода жидкости через устрой-
ство основана на преобразовании скорости потока жидкости в мерном трубо-
проводе, который устанавливается непосредственно перед входным коллек-
тором насосов, в частоту оборотов специальной турбинки датчика расхода.
Физическое значение расхода жидкости определяется по показаниям датчика
со значением приведенной погрешности 1%. Измерение динамических пара-
метров давления жидкости основано на прямой регистрации полных значений
параметра с использованием соответствующих датчиков давления путем пре-
"Геотехническая механика"
образования физической величины в электрический сигнал.
Структурная схема системы измерения для статических параметров при
измерении параметров устройства в стендовых условиях приведенная на ри-
сунке 3. Она включает в себя первичные преобразователи физических вели-
чин (расходомер и манометры), регистрацию значений приборов в протокол и
их занесение в персональный компьютер (ПК).
ТДР – турбинный датчик расхода жидкости; Р0 и Р1 – технические манометры класса 0,6
Рис. 3 – Структурная схема измерений статических параметров устройства
Структурная схема системы измерения динамических параметров кавита-
ционного генератора при стендовых испытаниях приведена на рис. 4.
В качестве первичных преобразователей используются индуктивные дат-
чики полного давления типа ДДИ-20, которые дают возможность измерять
значение давления до 120,0 МПа в импульсе. Датчик имеет чувствительную
мембрану, на заданном расстоянии от которой установлена индуктивная ка-
тушка. Принцип работы датчика основан на изменении индуктивности ка-
тушки в зависимости от прогиба мембраны при воздействии статико-
динамического давления. Собственная частота мембраны составляет не
меньше 20000 Гц, гистерезис не более 2 %, нелинейность тарировочной ха-
рактеристики в диапазоне от 0 до Рmax не более 5 %.
Датчик включается в одно плечо высокочастотного индуктивного моста,
который находится в преобразователе ИВП-2. Индуктивный высокочастот-
ный двухканальный преобразователь ИВП-2 – является вторичным преобра-
зователем в системе измерения быстроизменяемых давлений и предназначен
для преобразования комплексного сопротивления датчика в электрическое
напряжение. Изменение индуктивности датчика, обусловленное давлением,
действующим на мембрану, превращается в отклонение исходного напряже-
ния ИВП-2.
Выпуск № 82
РКЩ – распределительный кабельный щит; ИВП-2 – двухканальный индуктивный преоб-
разователь; ККП – коммутируемый кабельный пульт; L-1250 – многоканальный АЦП
формата PCI, ПК – персональный компьютер класса Athlon-800
Рис. 4 – Структурная схема системы измерений динамических параметров
Краткая характеристика ИВП-2:
- несущая частота - 40000Гц;
- измерение пульсаций давления в диапазоне частот от 0 до 10000Гц;
- неравномерность амплитудно-частотной характеристики в диапазоне
частот до 8000 Гц составляет не более 10 %, а в диапазонные частот от 8000
Гц до 10000 Гц – не более 20 %.
Сигнал от датчика ДДИ-20, через преобразователь ИВП-2, поступает в
многоканальную плату ввода аналоговой информации типа L-1250, в которой
аналогово-цифровым преобразователем (АЦП-12) превращается в цифровой
вид и подается в аппаратно программный комплекс на базе ПЭВМ Athlon-
800. Суммарная приведенная погрешность измерений давления датчиком
ДДИ-20 с преобразователем ИВП-2 составляет 5,19 %.
Программное обеспечение для управления работой платы L-1250 и записи
на магнитные носители информации при проведении испытаний обеспечива-
ет специализированный программный пакет “DASYLAB” и отдельные биб-
лиотеки и драйверы программного пакета “GemisWIN”. Эти программы раз-
решают устанавливать отдельный коэффициент усиления сигналов по каж-
дому измерительному каналу, включать в работу любое количество из 16
имеющихся каналов, задавать частоту дискретизации аналогового сигнала до
500 кГц и проводить запись входной информации в объемах, определенных
свободной емкостью винчестера компьютера.
Обработка результатов испытаний также делится на два вида. Статические
параметры рассчитываются по разработанному шаблону в пакете Exel. Для
"Геотехническая механика"
динамических параметров проводится перерасчет первичных записей с АЦП
в физическую величину и выдача их в виде графика во временной области
для дальнейшего анализа средствами Exel.
Для снижения основной относительной погрешности проводится сквозное
тарирование измерительного канала от датчика до ПК. Относительные по-
грешности при такой методике измерений в основном обусловлены погреш-
ностью датчиков. Перечень использованных при проведении работ на стенде
средств измерения и их основные относительные погрешности приведены в
таблице 1.
Таблица 1 – Перечень средств измерения
№
п/п
Пара-
метр
Название
измерителя
Тип
датчика
Рабочий диапазон Основная
погреш-
ность, %
по амплитуде по частоте
Гц
1 Q
Турбинный датчик рас-
хода жидкости
ТДР-І7
4,0-12,0
л/с
0 – 1 0,5
2 Р0
Манометр технический
класса 0,6
МТ60 0-450 кгс/см
2
0 – 1 0,6
3 Р1
Манометр технический
класса 0,6
МТ60
0-450 кгс/см
2
0 – 1
0,6
4 Р1
Датчик пульсаций дав-
ления
ДДИ-20
0,05-130
МПа
20-60000 5,2
5 Р2
Датчик пульсаций дав-
ления
ДДИ-20
0,05-130
МПа
20-60000 5,2
6 Р3
Датчик пульсаций дав-
ления
ДДИ-20 0,05-90 МПа 20-60000 5,2
7 Р4
Датчик пульсаций дав-
ления
ДДИ-20 0,05-90 МПа 20-60000 5,2
8 Р5
Датчик пульсаций дав-
ления
ДДИ-20 0,05-90 МПа 20-60000 5,2
Полученные во время испытаний сигналы от датчиков ДДИ-20 и записан-
ные с шагом дискретизации 20 мкс в виде отсчетов АЦП, пересчитываются в
физическую величину по формуле
Рi = Ni/Кт,
где Ni – текущее значение отсчета датчика в i-й момент времени; Кт – тариро-
вочная чувствительность датчика.
Данные испытания формируются в виде файлов первичных значений
пульсирующего давления в аппаратно-программном комплексе Athlon-800 и
представлены в виде осциллограммы для дальнейшей обработки по опреде-
лению частоты f и размаха Р1 колебательной величины давления на выходе
из устройства и в трубопроводе-имитаторе скважины Р2 – Р5.
Как пример оценки применения методики измерений и обработки резуль-
татов исследований на рисунке 5 представлена осциллограмма записи вели-
Выпуск № 82
чины давления Р1 во времени на выходе из генератора с dкр = 2,5 мм при
давлении на входе Р0 = 10 МПа и значении параметра кавитации 0,16.
0
50
100
150
200
250
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Р ,МПа1
25
20
15
10
5
0
t, c
Рис. 5 – Фрагмент осциллограммы записи давления Р1 во времени на выходе из кавита-
ционного генератора с dкр = 2,5 мм и Р0 = 10 МПа
Из рисунка видно, что на выходе из кавитационного генератора наблюда-
ются периодические колебания давления Р1, которые имеют ударный харак-
тер с крутым фронтом нарастания и падения давления. Такой вид колебаний в
гидродинамике имеет название пульсаций давления и характеризуется часто-
той и размахом автоколебаний давления.
Частота пульсаций автоколебаний давления на выходе из генератора обу-
словлена возникновением режима периодически срывной кавитации и опре-
деляется из осциллограммы по формуле
f = n (1/t),
где n – количество периодов пульсаций; t – длительность n-периодов пульса-
ций в секундах.
Размах автоколебаний давления Р1 на выходе из экспериментального об-
разца кавитационного генератора представляет собой разницу между макси-
мальным Р1max и минимальным Р1min значениями давления в импульсе
Р1 = Р1max – Р1min.
Также определяется и величина пульсаций в трубопроводе-имитаторе
"Геотехническая механика"
скважины Р2 – Р5.
При исследовании характеристик экспериментального образца генератора
кавитации ГК-2,5 проводилось при задании входным дросселем (рис. 1) уста-
новившегося значения давления на входе Р0 = 5; 10; 20; 30 МПа. При каждом
установившемся давлении на входе Р0 выходным дросселем дискретно изме-
нялось давление на выходе (в трубопроводе-имитаторе скважины) Р1 с шагом
0,025Р0 при Р1 = (0,05 - 0,3)Р0 и с шагом 0,05Р0 при Р1 = (0,3 - 0,8)Р0. Одно-
временно, при установившихся значениях давлений на входе Р0 и выходе Р1,
по команде «Замер» осуществляется контроль и измерения динамических па-
раметров со временем регистрации не менее 10 секунд на каждой частоте.
Таким образом, разработанный гидравлический стенд и методика опреде-
ления динамических характеристик кавитационного генератора позволяют
имитировать процесс гидроимпульсного воздействия на угольный пласт через
шпуры или скважины и проводить исследование конструктивных и режим-
ных параметров генераторов импульсов давления. Применение при лабора-
торных исследованиях серийно выпускаемого оборудования позволяет отме-
тить адекватность стендовых испытаний режимов работы кавитационного ге-
нератора условиям его работы в скважине при нагнетании жидкости в уголь-
ные пласты.
Рекомендовано до публікації д.т.н. Л.М. Васильевим 18.08.09.
|