Двигатель внешнего сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

удк 621.431 В. В. ШАЛАЙ

Ю. П. МАКУШЕВ

Омский государственный технический университет 'Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

В статье рассмотрены история создания двигателя Стирлинга, протекание его идеального цикла, расчетные формулы, схема работы и принцип действия, показано устройство действующей модели, рассмотрена ее работа.

Ключевые слова: адиабатный двигатель, расчет, Стирлинг, адиабата, токсичность.

Принцип действии двигатели внешнего сгорании разработал и запатентовал в 1816 г. шотландский священник Роберт Стирлинг, в честь которого он и называется. Прак тическая реализация такого двигателя была осуществлена только в середине '20-х годом прошлого века, а всесторонние исследовании и совершенствование конструкции далеки еще от завершении и в наши дни. Некоторые технологические особенности и используемые материалы не позволяют пока широко применять двигатель Стирлинга в качестве транспортной силовой установки. Хотя уже достигну ты хорошие результа ты и налажено широкое его применение для привода систем на космических объектах и в стационарных силовых агрегатах специального назначения.

Машина Стирлинга представляет собой ус тройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, с внешним подводом теплоты. I (икл состоит из процессов сжатия, нагревания, расширения (рабочего хода) ч охлаждения. Под циклом понимают совокупность процессов, возвращающих систему в исходное состояние. Рабочим телом может служи ть воздух, однако лучше гелий или водород, которые имеют более высокие коэффициенты теплопередачи и обеспечивают течение газа с меньшими гидравлическими сопротивлениями. Потоком рабочего тела управляют путем изменения его объёма, температуры и давления. 11а э том принципе основано превращение те илоты в работу

I. Идеальный цикл С тирлинга.

В цилиндре расположены два поршня, с размещенным между ними регенератором. Регенератор — теплообменник или термодинамическая «губка», способная поглощать и отдавать теплоту. Обычно он состоит из пучка тонких медных проволок 111. Регенератор поглощает и отдает рабочему телу только часть теплоты. Основную порцию теплоты рабочее тело получает от нагретого цилиндра в процессе расширения.

В машине Стирлинга имеются две1 полости с периодически изменяющими объемами, которые находятся мри различных температурных уровнях, соединяются посредством регенератора и вспомогательных теплообменников.

Одни из объёмов, расположенный между регенератором и поршнем, представляет полость сжатия, охлаждаемую, например, оребрепной поверхностью цилиндра до температуры 'Гмин. Данный поршень назовем вытеснителем. Другой объем представляет полость расширении, находящийся при высокой температуре Тмакс, к которому постоянно подводится теплота. Поршень, расположенный в данной полости, назовем рабочим.

Рассмотрим цикл двигателя Стирлинга (рис. I). За исходное примем положение поршня вытесни теля I, находящегося в нижней мертвой точке (НМТ). Рабочий поршень II находи тся около регенератора и является и данный момент времени неподвижным. По-

Рис. I. Принцип работы двигателя Стирлинга

65

Т гит

Рис. 2. Диаграммы диш лтсля Стпрлинг<1 о координатах Р,у и Т5

лость сжатия охлаждается, а к цилиндру полости расширения подводится теплота, например, от горелки. Для пояснения протекания цикла Стирлипга цифрами 1, 2, 3, 4 обозначим положение поршня вытеснители I и рабочего поршня II в цилиндре.

В начале цикла, например, температура рабочего тела равнялась 350 К. после прохождения регенератора — 400 К, а в полости расш и рения достигла 1000 К. На рис. 2 показаны в координатах Р-,9 и Т-Б диаграммы изменения давления и температуры в полостях сжатия и расширения.

теле внешнего сгорания, введем следующие безразмерные параметры:

1) безразмерная температура / = ТЧШ1/Т)ткс, (Г, = = Т,= Г......, а Т, = Т(= Г1шм );

2) безразмерный удельный объем г = |9М„К< /&„„„ , (,9,и ,9, рсишы .9 ,11|М, о ,9, (/ .9, раины ,9.......

Из характеристического уравнения состояния идеального газа для единицы массы рабочего тела следует |2|, что удельный об ьем ,9 , газовая пос тоянная воздуха У?, температура ТI и давление Р1 связаны выражением:

1-2. Сжатие. Поршень вы теснитель движется вверх, а рабочий неподвижен. Давление повышается, а температура остаётся постоянной, так как полость сжатия охлаждается (процесс изотермический). При изотермическом сжатии затрачивается наименьшая работа для создания давления, необходимого для проталкивания рабочего тела через регенератор.

2-3. Нагревание. Оба поршня движутся одновременно, объём между ними остаётся постоянным (процесс изохорический). Проходя через регенера тор, нагретый от предыдущего цикла, воздух (рабочее тело) нагревается и температура Г, давление Р повышаются.

3-4. Расширение. Поршень вытеснитель I неподвижен, а рабочий поршень II поднимается вверх, совершая работу. Через стенку цилиндра от внешнего источника (горелки) подводи тся теплота. При увеличении объёма полости расширения давление надает. Температура рабочего тела достигает максимального значения и остаётся неизменной (теплота пос тоянно подводится).

4-1. Охлаждение. Оба поршня движутся вниз. Объём между ними остаётся неизменным. Рабочее тело из полости расширения перемещается в полость сжатия. Проходя через регенератор, рабочее тело охлаждается отТмК1 ДоТЧИ11, отдавая тепло ту регенератору, которая буде т передана рабочему телу в процессе 2-3 следующего цикла. Площади диаграмм в координатах Р,у и ТН представляют собой работу за цикл (рис 2). В координатах Р,9 и ТБ цикл состоит из двух изотерм и двух изохор.

В действительности не удается осуществи ть в точности указанный цикл, и индикаторная диаграмма имеет видэллипса.

2. Основные формулы, описывающие протека-пня процессов цикла двигателя Стпрлннга.

Для исследования процессов, происходящих в двигателе Стирлинга, используем уравнение сос тояния, Первый закон термодинамики, изменение внутренней энергии, работы и энтропии.

Для описания процессов, происходящих идиша-

.9, = Лур,.

(2.1)

Каждый из четырех процессов цикла харак теризуется параметрами и функциями состояния.

Изометрический процесс сжатия (1-2) (рис. I). I? этом процессе теплота отводится от рабочего тела при минимальной температуре цикла. Работа, затраченная па сжатие рабочего тела, эквивалентна теплоте, отводимой из цикла. При этом внутренняя энергия не изменяется, <1 энтропия уменьшается. При изотермическом сжатии давление обратно пропорционально объему.

РА

р., = £Х-!- = р.г. Т -Т -Т

(2.2)

Отводимая теплота (у равна затраченной работе I и составляет

Р,Щ ]г} = ктм-г

Изменение энтропии

ЛЧп| —

(2.3)

(2.4)

Регенеративный процесс теплоотдачи при постоянном объеме (2-3) (нагревание). В рассматриваемом процессе теплота передается от регенера тора к рабочему телу; температура рабочего тела увеличивается от Т до Г. Работа в этом процессе не производится. Внутренняя энергия и энтропия рабочего тела возрастают. При изохорпом процессе давление газа прямо пропорционально его температуре.

Р,Т, р.,

'7 '

(2.5)

Количество теплоты, получаемое рабочим телом, составит

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N>] (70). 2006

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

о

>, — -Ä i?

О = 2

■ с 5. а

а

■ 2 с

>> -

s ® -г

Ш

с «о

s

-а

5

и

V-' <

с С

Е 5

Ш

* s

s <

2 5 1 S

5 г

о

rj

II *

У =

■с -

-ox.il 5S 2 ^ ~ ï

llêîi = i« t~ С

? I II s r1 " 2

I

кг

ÎJ

II &■

c g.

-

s I

S ¿ 5 S

о

II --

5 é

sj —

2 s

s 2

I =

U

5

î-"

c-

II

O"

il

_

- СЛ,

I ñ w

c.

X

%

ТГ

S

O ¿ < 2

J

I

<-T X

С

<

s s p 5 s £

I I =

= S S

Й X I

з <u S 5 5

? § i

i 5 I I,H s

? 1 с

I s ¡ *5. g-

ä§ i I

HI §1

S 5

ir i

2 s

I е.: Q¿ — _ — — ^

— w ' ~

-

>4

и

= =

S U

- 3

1 S

a.

18.3

* = a s — c-

Ml

s -

й -

s -= <

- < -Il|¡

5 c = 5

S -3 < = * < - -

m

111! 2 2 = <:

= le I

s . 3

I 5 " c

S £

H

r

ni

— -s a

S С

CC

i 2

I

if s. ?

É

Util

< -

С rs u

S- У ?

Hi Ml

s о a. =

g

с a >s с

2 -

P - X

J 2 ï = = ^

Г- С ~ <

и

>. sc

H S Sj

t

»SN

2 1 S aar

I i,§

5.

S

- 5 I

¡l|

! i i fe

= < a i

г

a

^

s

i

a

g

2 S

S -

y %

SI

s

'5 с

5 =

I '=

1 I

2 ?

>. ?

ь г

r VC ? i

s I

(О -

Ё Г

г-

II

к-

II

¡-Г

;1

г: i а

•5 ~

¿ —

s Е

I I

£

II

а

<

S.

с-

ч к

I £

—

Ii

к Oí

II

V.

£

X С

Г с 2 — >. = s

= 5 Ё i 5

I

с

< ï

<

5 =■ r

= Е 2

? сГ г

5 = s

a s: —

г X Ç

= - ■ А

? I H

I

2 z £ ^

I 5 ^ =

5- — -

|á .

т" г = С

г;

í £ =

= я = |«8 5" ' í =

a cN

II

? >s

a

íí

■о « — г

г: с - <

- .-г

= £

7 =

â <

s

zr 2 о isj

- < 2 (О О г - * л

с. >. = Б < a : ? 2 о

S £ Е ? i -

± >, i I

Í п.

Z Í

X —

Í0 г

II

^ s S-ï < =

9-a. g g s

5 I S«

1111 5 lo I Q.

Il II

г: = £ ^

Ci < =

3 a i —

a = < ? Г Й r 3 = = г

? II

2 < Í ь

s ф

Э- г ? с a

! 8. t e

- о

X -

j. a. â =

a

ri il

= i s

Epô-: ï

ä Ü

>. a £ ~ Sels S ?

t z

n

о <

H С

Ь X

= '=

-г —

- Г

at

< — = —

Г

?

I I

s >, = -

- -

V X

- ci

= 1

Ш I

« 2 Е:

s — • u =

< i < ! I ! i с

^^ = г

~ - — 5 ~ = ><

? ? -

¡I

= <

i I

Е à

t" = I

^c г

— 5 —

- s i

É g r

< Г £

5

Г £

i Б

-Tir

r £ S

: ¡

lé

- и

2 2 i i ä = 2

- r £ = s -

Шi 1111

2 £

< >4

í È E <

< X

— и

- s

? i

=í

II

rt ^

I

C/f

es

л —

2 £

— =

S. V

C r-i

4>

II

ЧГ

II

ьГ| -¿i II

Oí

t-T

I

U II й-

U

и

n СЛ о

Z ?

>N <

ir

II 11 s I

Ei S a Ê

a g_

ir

Ч—. s

¡ü H H

I- с as = —

ïiï я tó <

0 = i а o a

¡Ü 5 " <

111

Ш

\ц

\ -Л

1 I i

III

HS

=■ (S I = = —

= г. —

- I a.

'Ч

í

I <

о

оо

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (70). 2008 |

II.

ш

> х =■

у?

Г =

з ? Г11

1 I 1 ? 5

шн пт

2 Г 7. 3 •= Я 2 =» Г. =

< « 3 V Г-л § 8 11

^ * § г г > -. =

г V 2 1 3

I!!!

X =

•4 -- ~

I I >

г 3

г 5 2

? г

1 = 5

х Е -

* —<

И

II

И

г >

г: -¡|

И

Ш

г ~ о

111

•а ^ =

х ~ —

II1

- X ~

>55

= 5

Гс й ■л -

- 5< .ГГ р

I > =

ш

с >

Й 1

^ = •< х с

2 -* -

> £ % £

з -¡2

1 =

= 5 -

п > * -

а

Г: -

= ¥

■ 3

§

2 I I I 1

£ 2 Е •

- * - - ~

~ ' 2 д -О О

I V т ,

> ~

= ^

1 | СП -

С с •= а

■5 2 $ - -? - X г. —

о -* =

"5 =

■1 а

- —

I о = *

13

I

- 5 =" >

V О -

* £

* ■§

2 = г 2

= £

2 =

а- г;

5 = *

% I 5

--- ~ г

I 5

1 £

? з

2 В

I I

о >

■5 -

2 £

> 5

- =;

Я 5 2:5

н г

п —

§ I

Е &

и 2 "

II

= £ - ? -

~ X

2 <

5 г ■5

Ш

IV"

? 2

о г;

. с

2 5 а Г

— > >

1» I •II I

I =

Г.

п -

£ 5

2 >

1 =

= -о

= >

и —

5 =

с -

2 01

л а протекает паралелыю, по этой причине трудно выделить в отдельном виде1 процессы сжатия, нагревания, расширения и охлаждения.

На рис. 5 показана более простая действующая модель двигателя Стерлинга [3]. При создании модели использовались схемы и разрезы двигателя, предложенные инженером СкурьятЭрнестом Никодимо-вичем.

Рабочий поршень 2 движется в цилиндре I и уплотнён. Он соединён с кривошиппо-шатуппым механизмом 15, который имеет маховик 14. Маховик служит для равномерного вращения коленчатого вала и запуска двигателя. Поршень-вытеснитель 10 располагается в цилиндре 9 с зазором, что обеспечивает движение воздуха из холодной полости V4 в горячую V,.h, наоборот. Цилиндр 0, где движется поршень-вытеснитель 10, включает в себя холодильник О (радиатор), регенератор 7 (ка тушка из медной проволоки). Поршень вытеснитель 10 имеет шток, который уплотнён при помощи сальника 5. 11ри движении поршня-вытеснителя 10 объем воздуха в цилиндре остается постоянным, только он вытесняется из одной полости в другую. При нагревании данного объема воздуха давление повышается, а при охлаждении — понижается. Способность модели повышать и понижать давление в замкнутом пространстве легли в основу работы двигателя Стирлипга.

При помощи горелки 11 правая часть цилиндра 9 нагревается до температуры 500 — 600 К. При движении поршня — вытеснителя 10 вправо (к ВМТ) холодный воздух, проходя через зазоры между поршнем-вытеснителем 10 и горячим цилиндром 9, нагревается. Температура и давление повышаются, и избыточное давление передаётся через трубопровод 3 и действует на площадь рабочего поршня 2.

Рабочий поршень за один оборот коленчатого вала совершает два хода (такта) производя расширение (рабочий ход) и сжатие (двухтактный цикл). Поршень— вытеспительнаходится в нейтральном положении, когда рабочий поршень 2 находится в ВМТ или НМТ. Отсчет движения поршня — вытеснители 10 примем от положении рабочего поршня 2 в IIMT (начало сжатия рабочего тела).

При повороте коленчатого вала от 0 до 90 градусов рабочий поршень 2 совершаем' процесс сжатии, двигаясь к ВМТ, а поршень —вытеснитель 10 от своего нейтрального положения движется влево, проталкивая теплый воздух через кольцевой зазор и охлаждая его при помощи холодильника 6. При вращении коленчатого вала от 90 до 180 градусов рабочий поршень продолжае т изотермическое сжа тие, а поршень —вытеснитель 10 движется вправо к нейтральному положению. После охлаждения рабочего тела начинается его нагрев от регенератора (средняя часть цилиндра). При повороте вала от 180 до 270 градусов поршень —вытеснитель 10 от своего нейтрального положения движется вправо, проталкивая холодный воздух через кольцевой зазор и нагревая его от горячей стенки цилиндра. Рабочий поршень 2 начинает движение поддействи-ем создаваемого давления от ВМТ к НМТ (процесс расширения). При вращении вала от 270 до 360 (0) градусов поршень— вытеснитель 10 возвращается в свое нейтральное положение« (движется влево). Регенератор забирает часть теплоты рабочего тела, охлаждая его. 11икл завершается и включает в себя процессы сжатия, нагревания, расширения, охлаждении.

При нагретом цилиндре и вращении маховика 14 двигатель запускается.

Действующая модель имеет диаметр рабочего поршня 40 мм, поршня — вытеснителя 60 мм, радиус кривошипа 15 мм, зазор между цилиндром и поршнем-вытеснителем 1 мм. Общий максимальный объем рабочего цилиндра и цилиндра с поршнем вы тесни телем составляет 180 см '. При сжатии воздуха в рабочем цилиндре объем рабочего тела уменьшается до 140 см1. Этот объем при перемещении поршня вы теснителя остается постоянным, только в нем меняется темпера тура и давление. При частоте вращения вала двигателя 500 мин ' и радиусе кривошипа 0.015 м средняя скорость движения поршня-вытеснителя составляет 0.5 м/с. Средняя скорость воздуха в кольцевом радиальном зазоре, равном I мм, определяется из уравнения постоянства расходов и составляете м/с. При прохождении вытеснителем пути, равному ходу поршня, вытесняется объем равный 85 см'. Этот объем вытесняе тся при движении поршня - вытеснителя к НМТ (охлаждение) и ВМТ (нагрев). При длине цилиндра 10 см и высоте поршня 5 см объем воздуха в цилиндре составляет 140 см'. Поршень —вытеснитель выполнен из изоляционного материала, заполненного стекловатой, с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м-К).

Поршень— вытеснитель повышает и снижает давление (за счет изменения температуры) в замкнутом пространс тве. Рабочий поршень воспринимает изменяемое давление1 и совершает работу.

Эффективную мощность в кВт можно определит!, из выражения:

Ые = Ре ■ Vh • /1 /60, (4.1)

где Ре — среднее эффективное давление в рабочем цилиндре в МПа, V, — рабочий объем цилиндра в литрах, п — частота вращении коленчатого вала в мин '.

Крутящий момент па валу двигателя в Н-м определяется но формуле:

М= 9550 ■ № / п. (4.2)

11ри кру тящем моменте на валу двигателя, равном 0,3 Н-м и частоте вращения вала 500 мин 1, двигатель развивает эффективную мощность 16 Вт. Данная мощность двигателя обеспечивается при рабочем объеме цилиндра в 40 см ' и среднем избы точном давлении в цилиндре0,05 МПа (0,5атм.).

Если принять, чтовдашюй модели до 50% теплоты, сгоревшего топлива, теряется в окружающую среду, а термический КПД равен 50%, механический 60%, то эффективный К11Д установки будет равен 15%.

11редста пленная модель двигателя Стирлипга имеет низкий КПД, но обладает простой конструкцией и наглядно демонстрирует преобразование тепловой энергии в механическую работу.

Для повышения КПД модели рекомендуем ся изменение угла между цилиндрами или кривошипами, разные размеры радиусов кривошипов, для привода рабочего поршня и поршня-вытеснителя и снижение потерь теплоты в окружающую среду путем применения керамики или изоляционных материалов.

11а рис. 6 показана схема нагрева газа (воздуха) и ого охлаждение при движении поршни вы теснители вправо и влево. Правая часть цилиндра нагреваем ся, а левая охлаждается. При движении поршня вправо воздух принудительно проталкивается через кольцевой зазор между поршнем и горячей частью цнлинд-

4 —-ч j)

0

Нагрев газа

с --*■

Охлаждение

Рис. 0. Движение воздуха н зазоре между поришем-пытесннтелем н цилиндром

ра и нагревается, например, до500 К. Температура и давление воздуха в замкнутом объеме повышаются. При движении поршня влево горячий воздух про талкивается через зазоры расположенные в зоне холодильника (оребреппая поверхность), температура снижается, например, до 350 К и давление падае т, ч то обеспечивает приход системы в первоначальное состояние.

Известны два способа передачи энергии в форме работы и теплообмена. Двигатель Стирлинга можно представить в виде двух механизмов — преобразователя давления в работу и преобразователя энергии топлива в температуру .рабочего тела, которая принудительно повышается и понижается.

Для интенсификации теплопередачи воздух проталкивается через зазор между поршнем и цилиндром. Примерный расче т теплообмена в каналах действующей модели двигателя С тирлинга приводится ниже, а расчеты цикла можно выполнить по формулам 2.1 - 2.14.

Теплопередача между горячим и холодным воздухом, сквозь разделяющую их твердую стенку, определяется из выражения |4):

Ф-К-А-АТ, (4.3)

где Ф — тепловой поток в Вт (Дж/с); к — коэффициент теплопередачи is Вт/(м*-К); Л — площадь охлаждения в м"; ДГ — средний температурный напор в К.

Для цилиндра толщиной 5м м, выполненного из стали 15, с теплопроводностью .50 Вт/(м"- К) и охлаждением рабочего тела воздухом коэффициент теплопередачи равен 80 Bt/(mj K). При охлаждаемой поверхности цилиндра в 47 см { и среднем температурном напоре 160 градусов тепловой поток равен 60 Вт. Увеличение поверхности цилиндра в 15 раз за счет применения ребер тепловой поток увеличился в 11 раз, что позволило охладить рабочее тело на 50 градусов.

Для определения передачи тепла от горячей стенки к рабочему телу (воздуху) вначале находим режим течения воздуха (ламинарный или турбулентный) по формуле:

R(>=v d/v, (4.4)

где v — средняя скорость воздуха в м/с в зазоре между поршнем— вытеснителем и цилиндром; эквивалентный диаметр кольцевого зазора (cl = du — dj в м; v — кинематическая вязкость воздуха в mVc при средней температуре 10()"С.

Re = 8-0.002/23.14- 10" = 690.

Следовательно, движение в пограничном слое ламинарное (Re меньше 10').

Для определения коэффициента теплоотдачи от нагретой стенки цилиндра к воздуху найдем кри терии Нуссельта по формуле:

Nu — 0.67 Re"' ■ Pr"", (4.5)

где Рт кри терий 11рандтля,лля воздуха он равен 0.7 и характеризует соотношение между полями скоростей и температур.

Nu 0.67 ■ 669" ' 0.7"" = 15.

Коэффициент теплоотдачи определяют из выражения

а = Nu-l / CÍ3, (4.6)

где /. коэффициент теплопроводности воздуха в Вт/(м- К),

а - 15- 0.0321/0.002 = 240 Вт/(м2-К).

Тепловой поток, переданный горячим цилиндром рабочему телу, определяется по формуле:

Ф = а- Г- Al, (4.7)

где F - площадь нагрева цилиндра в м2при прохождении воздуха в кольцевом зазоре; Д1 — средний температурный напор в кольцевом зазоре при входе и выходе из него.

Ф = 240 ■ 0.0084 • 50= 100 Вт.

С увеличением зазора между цилиндром и поршнем — вытеснителем уменьшается коэффициент теплоотдачи и переданное количество теплоты рабочему телу.

Средний температурный напор определен из условия, ч то температура гильзы постоянная, например, 200 "С. Воздух входит в кольцевой зазор (щель) при температуре 50 "С, на выходе приобретает температуру примерно равнуютемпературе поверхности гильзы.

Двигатель Стирлинга представляет изолированную систему, в которой нет обмена с окружающей средой, которую он не загрязняет. Процесс сгорания топлива но зависит от времени (как у двигателей внутреннего сгорания) и его можно организовать с минимальным выбросом вредных веществ. При использовании энергии Солнца двигатель Стирлинга представляет механизм, не загрязняющий атмосферу. Главное преимущество двигателя Стирлинга в том, что он по имеет токсичного выхлопа газов и може т работать па любом виде топлива.

В заключение следует отметить, что в статье представлен принцип работы двигателей внешнего сгорания, приведены расчетные формулы идеального цикле!, дано устройство и принцип действующей модели с кривошипно-шатунпым механизмом, приведена методика расчета.

ЬнОлнографический список

1. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга ; перевод с англ. М. : Энергетика IÍ17ÍÍ. — 152 с,

2. К уди нон h.A., Картавюв D.M. Техническая термодинамика : учеб. пособие для втузов. — М. : Высшая школа, 2000. - 261 с.

3. Скурьят Эрнест. И снова «Стирлимг». - Техника -молодежи. -1986. - №7. - С. 26-30.

4 Брюханов О.Н., Шевченко С II Тепломассообмен : учеб. пособие. - М. : Издательство ДСП, 2005. — 4(50 с.

ШЛААЙ Виктор Владимирович, ректор ОмГГУ, док-гор технических паук, профессор, заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и таза, стандартизация и сертификации».

МАКУШЕВ Юрии Петрович, кандидат-технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и тепловые двига тели» Сибирской государственной автомобиль-но-дорожпой академии.

Дата поступления статьи н редакцию: 1 1.1 1.20011 г. © Ш<1Л,1й В.В., Макушео Ю.П.

УДК 624.042.7 Ю. А. БУРЬЯН

В. Н. СОРОКИН Ф. Ю. ЯЕСКИН' А. С. БЕКШЕНЁВ '

Омский государственный технический университет 'ОАО «Самотлорнефтегаз» г. Нижневартовск "ЗАО «Пирс», г. Омск

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (06 08 00881а).

СКВАЖИННЫЙ имплозионный ГЕНЕРАТОР МНОГОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ

В/работе рассмотрен принцип работы имплозионного генератора многоразового действия, определены скорость струи жидкости в имплозионной камере и перспективы технологии локального гидроразрыва пласта с использованием импульса давления методом имплозионного воздействия.

Ключевые слова: имплозия, пласт, генератор, плунжер, скважина.

В настоящее время многие месторождении находится на поздней с тадии разработки. В связи с этим возникает проблема выработки остаточных извлекаемых запасов. Низкая продуктивность скважин обусловлена многими факторами, в том числе низкими коллекторскими свойствами пласта и ухудшением (фильтрационных характеристик призабойиой зоны пласта в процессе освоения и эксплуатации. Метод, описанный в данной рабо те, позволяет увеличить коэффициент продуктивности скважины и ускорить выработку запасов.

Обработка призабойиой зоны пласта осуществляется при помощи имплозионного устройства |l|. Оно воздействует на пласт путем создания импульсов высокого давления в зоне перфорации с целыо повышения нефтеотдачи и приемистости скважин.

Суть метода заключается в улучшении (фильтрационной характеристики призабойиой зоны пласта (ПЗП) за счет использовании энергии гидравлического удара падающего столба скважипной жидкости, который приводит к образованию серии трещин.

На рис. 1 схематично изображено имплозионпое устройство многоразового действия. К цилиндру 2 при помощи переходной втулки крепится патрубок входных окон 6. Другим концом па трубок крепится к колонне НКТ5.11а ш танге 3 ус тановлен плунжер I,

который может производить мосту нательные движения в вертикальном направлении в цилиндре. В нижней части цилиндра установлен шариковый клапан 4.

Имплозионпое устройство работает следующим образом. На колонне НКТ имплозионпое устройство опускается в интервал перфорации. Под действием штанг 3 плунжер I поднимается вверх со скоростью, определяемой режимом работы подъёмного механизма. Придвижении плунжера вверх в камере цилиндра 2 создается разрежение. Это возможно благодаря работе обратного клапана 4, который перекрывает при ток (флюида к нижней части камеры цилиндра. Над плунжером давление равно гидроста тическому давлению в скважине. Таким образом, перепад дав-лений пади мод плунжером может достигать значения 150 атмосфер и более в зависимости от глубины скважины.

При дальнейшем движении плунжера вверх, он выходи т в расширенную часть переходной втулки, в этот момент на жидкость находящуюся непосредственно над полостью цилиндра действует перепад давления и она входит в имплозионную камеру и устремляется вниз. Перепад давлении продолжает ее ускорить и в момент ее встречи с обра тным клапаном, она уже обладает высокой скоростью (до 100 -:-150 м/с). 11роходя имплозионную камеру, столб жид-