Марина Валерьевна Корчагина, кандидат технических наук, доцент кафедры машин и оборудования нефтегазового комплекса
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Marina V. Korchagina, Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor of the Machinery and Equipment of the Oil and Gas Complex Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Валентин Николаевич Степанов, старший преподаватель кафедры машин и оборудования нефтегазового комплекса
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Valentin N. Stepanov, Senior Lecturer of the Machinery and Equipment of the Oil and Gas Complex Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Сергей Олегович Киреев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машин и оборудования нефтегазового комплекса
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Sergey O. Kireev, Dr.Sci. (Eng.), Professor, Head of the Machinery and Equipment of the Oil and Gas Complex Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Алексей Романович Лебедев, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры машин и оборудования нефтегазового комплекса
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Alexey R. Lebedev, Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor of the Machinery and Equipment of the Oil and Gas Complex Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Introduction. When applying hydraulic fracturing technology to increase the efficiency of formation fluids, high-pressure pumps with a crosshead drive assembly are used. The major problem in the operation of these pumps is the wear of the crosshead guides. The crosshead is a flat sliding friction pair, leading to wear of the plunger seals and a decrease in the basic pump performance indicators. To solve this problem, it was previously proposed to use new materials and antifriction coatings, original designs of friction units, etc. However, a detailed description and solution to the problem under consideration has not been found in the literature at present. The objective of this study is to determine, under maximum load, the influence of the unit design, process temperature and pressure in the lubrication system on the values of the parameters that provide for the hydrostatic mode for a flat thrust bearing in a crosshead-guide unit of a high-pressure plunger pump.Materials and Methods. The parameters were determined by the simulation technique using modal analysis applicable in the case of high dynamic loads acting on the studied unit. The calculation of the hydrodynamic parameters of the lubricating layer was based on the combination of the Reynolds model and the Stokes model in numerical modeling. The study was conducted using a calculation model representing a section of a plunger pump, considered as “flexible bodies” model, in the field of gravity forces. The mathematical dependences of the parameters under consideration were presented in the form of regression equations obtained from the results of a numerical experiment.Results. The maximum load on the lower crosshead guide was determined, for which further hydrodynamic studies were conducted. Factors influencing the process were studied — gaps filled with lubricant (depending on the design of the unit), temperature, and pressure in the lubrication system. Mathematical dependences of the influence of the considered factors on the values of the parameters determining the establishment of the hydrostatic mode were obtained.Discussion and Conclusion. The obtained mathematical models show the degree and influence of the factors under consideration on the studied parameters of the hydrostatic lubrication mode of the unit — the force acting on the crosshead from the lubricating layer, and the mass flow rate of the lubricant at the outlet of the system. It is found that the greatest influence is exerted by the change in the volume of gaps filled with lubricant, the mass flow rate of lubricant at the entrance to the system, which simulates the increase in pressure in the lubrication system of the friction unit. The results obtained do not contradict the conclusions reached in works on similar topics, and can be used in further research.
Введение. При использовании технологии гидроразрыва пласта для повышения эффективности пластовых флюидов используют насосы высокого давления с крейцкопфной компоновкой приводной части. Основная проблема при эксплуатации данных насосов — износ направляющих крейцкопфа, представляющего собой плоскую поступательную пару трения, приводящий к износу уплотнений плунжера и снижению основных показателей насоса. На пути решения данной задачи ранее было предложено применение новых материалов и антифрикционных покрытий, оригинальных конструкций узлов трения и пр. Однако детального описания и решения рассматриваемой проблемы в настоящее время в литературе не найдено. Целью данного исследования является определение при максимальной нагрузке влияния конструкции узла, температуры процесса и давления в системе смазки на значения параметров, обеспечивающих гидростатический режим для плоского подпятника в узле крейцкопф-направляющие плунжерного насоса высокого давления.Материалы и методы. Определение параметров проводилось методом имитационного моделирования с использованием модального анализа, применимого в случае возникновения высоких динамических нагрузок, действующих на исследуемый узел. Расчет гидродинамических параметров смазочного слоя основан на объединении модели Рейнольдса и модели Стокса в численном моделировании. Исследование проводилось с использованием расчетной модели, представляющей собой секцию плунжерного насоса, рассматриваемой с точки зрения модели «гибких тел», в поле сил гравитации. Математические зависимости рассматриваемых параметров представлены в виде уравнений регрессии, полученных по результатам численного эксперимента.Результаты исследования. Определено значение максимальной нагрузки на нижнюю направляющую крейцкопфа, для которого проводились дальнейшие гидродинамические исследования. Исследованы факторы, оказывающие влияние на процесс — зазоры, заполняемые смазкой (зависящие от конструкции узла), температура и давление в системе смазки. Получены математические зависимости влияния рассмотренных факторов на значения параметров, определяющих установление гидростатического режима.Обсуждение и заключение. Полученные математические модели показывают степень и характер влияния рассматриваемых факторов на исследуемые параметры гидростатического режима смазки узла — силу, действующую на крейцкопф от смазочного слоя и массовый расход смазки на выходе системы. Выявлено, что наибольшее влияние оказывают изменение объема зазоров, заполненных смазкой, массовый расход смазки на входе в систему, который моделирует увеличение давления в смазочной системе узла трения. Полученные результаты не противоречат выводам, полученным в работах подобной тематики, и могут быть использованы в дальнейших исследованиях.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.