Тема 16 Привод БУ

15. ПРИВОД БУРОВЫХ УСТАНОВОК.
15.1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Современные буровые установки оснащены различными по назначению и мощности машинами и механизмами, действие которых обеспечивается соответствующим приводом, состоящим из двигателя, силовой передачи (трансмиссии) и аппаратуры управления. Тип привода, его компоновка и конструкция значительно влияют на технико-экономические показатели буровой установки, различают основной и вспомогательный приводы.
Основным является привод буровой лебедки, насосов и ротора. Мощность его достигает 6 тыс. кВт и более.
Вспомогательный привод предназначен для привода компрессоров, вибросит и глиномешалки, автомата подачи долота, масляных и подпорных насосов, агрегатов для механизации спуско-подъемных операций и других механизмов буровой установки. Суммарная мощность его не превышает 400 кВт. Следует отметить, что в связи с механизацией трудоемких работ в бурении состав вспомогательных механизмов за последние годы значительно расширился. Число двигателей, используемых в приводе вспомогательных механизмов, увеличилось вдвое и достигает 1520 единиц.
В зависимости от используемых двигателей различают дизельные, газотурбинные и электрические приводы буровых установок.
Дизельные и газотурбинные приводы автономные (независимые от промышленных энергосистем) в отечественной практике используются в буровых установках для разведочного и эксплуатационного бурения в районах, отдаленных от промышленных электрических сетей. Освоение новых крупных нефтегазодобывающих районов на необжитых территориях страны потребовало значительного увеличения производства буровых установок с дизельным приводом. В США и других капиталистических странах буровые установки с дизельным приводом используют из-за их экономичности по сравнению с электрическим приводом, обусловленной высокой стоимостью электроэнергии, вырабатываемой частными компаниями.
Электрические приводы относятся к неавтономным, и их выбор предопределяется наличием и стоимостью потребления электроэнергии в районе бурения. Электропривод впервые был использован в отечественных буровых установках. Начало внедрения этих установок относится к 20-м годам и совпадает с периодом восстановления и перевооружения нефтяной промышленности в Азербайджане и Грозном, которые располагали достаточными ресурсами электроэнергии. Дальнейшему распространению электропривода способствовало строительство крупных гидроэлектрических, тепловых и атомных станций, а также создание единой энергосистемы европейской части СССР.
В настоящее время около половины выпускаемых отечественными заводами буровых установок снабжаются электрическим приводом. На их долю приходится примерно 60% годового объема бурения скважины. Развитию электропривода способствовало также создание автономных дизель-электрических и газотурбинных электростанций, работающих на жидком топливе, природном и попутном газах, добываемых в районе бурения. На базе автономных электрических станций переменного и постоянного тока в СССР и за рубежом изготовляют дизель-электрические и турбоэлектрические буровые установки, эффективно используемые для бурения скважин на суше и особенно на море.
По характеру распределения энергии различают групповые, индивидуальные и смешанные приводы.
В групповом приводе лебедка, насосы и ротор буровой установки через соответствующие передачи приводятся от общих двигателей. При этом уменьшаются число и установленная мощность двигателей. К недостаткам группового привода относятся его громоздкость и низкий к.п.д. вследствие большого числа силовых передач, связывающих двигатели с лебедкой, насосами и ротором. С учетом очередности работы буровых насосов, ротора и лебедки необходимым условием применимости группового привода является:
NH+NP13 EMBED Equation.3 1415NЛ
где NH, NP, Nл мощность соответственно насосов, ротора и лебедки.
Опыт и расчеты показывают, что этому требованию отвечают буровые установки для бурения скважин глубиной до 5 тыс. м. Групповой привод широко используется в дизельных буровых установках и реже в электрических.
В индивидуальном приводе лебедка, ротор и буровые насосы имеют собственные двигатели с более простыми передачами. Индивидуальный привод позволяет работать при наиболее выгодной частоте вращения, проводить быстрый пуск и торможение. Простые по конструкции и кинематической схеме передачи обеспечивают компактность буровой установки и сравнительно высокие значения к.п.д. привода. Индивидуальный привод преимущественно используется в электрических буровых установках.
Смешанный привод применяется, когда мощность дизельного группового привода оказывается недостаточной для работы второго бурового насоса. В этом случае лебедка, ротор и один из буровых насосов имеют групповой привод, а второй насос снабжается индивидуальным приводом. В электрических буровых установках распространен смешанный привод, в котором лебедка и ротор имеют групповой привод, а буровые насосы снабжаются индивидуальным приводом.
По числу двигателей различают однодвигательные и многодвигательные приводы. Дизельный групповой привод содержит до четырех параллельно установленных дизелей. Электрический групповой привод имеет два либо один электродвигатель. В электрических буровых установках лебедки имеют двухдвигательный либо однодвигательный индивидуальный привод. Буровые насосы и роторы обычно снабжаются однодвигательным индивидуальным приводом.
Многодвигательные приводы имеют более сложную конструкцию силовых передач, но надежны в эксплуатации, так как в случае отказа одного из двигателей машина не останавливается и действует от остающихся в работе двигателей. Наряду с этим многодвигательный привод экономичнее в эксплуатации, так как позволяет отключить часть двигателей при холостом вращении и других технологических операциях, не требующих затраты всей установленной мощности.
Вспомогательные механизмы буровой установки в основном имеют индивидуальный электрический привод, состоящий из асинхронного двигателя и механической передачи. Двигатели вспомогательных механизмов получают электроэнергию от промышленных сетей либо автономных дизель-электрических агрегатов переменного тока.
Пневмопривод, в котором энергия вырабатываемого компрессором сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию, используется в механизмах, расположенных вблизи устья скважины, где по требованиям пожаробезопасности применение электродвигателей запрещается. Он применяется для автоматического бурового ключа, клиновых захватов ротора, раскрепителей бурильных замков и для механизмов системы пневматического управления. Объемный гидропривод, положительно зарекомендовавший себя при опытно-промышленных испытаниях буровых установок с гидроподъемником и в приводе ротора, широкого распространения не имеет.
Силовые передачи привода предназначены для соединения двигателя с рабочей машиной и согласования их скоростей и вращающих моментов. В приводе буровых установок используются механические, гидродинамические и электрические передачи, различающиеся по принципу действия и преобразующим свойствам. Механические передачи используются в сочетании с гидродинамическими (гидротрансформаторы и гидромуфты) и электрическими (электромагнитные муфты), образуя соответственно гидромеханические и электромеханические передачи. В зависимости от типа двигателей и силовых передач, используемых в основном приводе, различают следующие разновидности буровых установок:
дизельные с механическими силовыми передачами (Уралмаш ЗД-76; БУ3000БД);
дизельные с гидромеханическими силовыми передачами (БУ5000ДГУ-1; БУ75Бр-70; БУ80БрД; БУ2500ДГУ);
электрические переменного тока с механическими силовыми передачами (Уралмаш 4Э-76; БУ3000ЭУК; БУ75БрЭ-70; БУ80БрЭ-1);
электрические переменного тока с электромеханической силовой передачей (БУ5000ЭУ);
электрические постоянного тока с механическими силовыми передачами (БУ15000; БУ6000ПЭМ; БУ5000ЭР, БУ6500ЭР; БУ2500ЭП);
дизель-электрические постоянного тока с механической силовой передачей (БУ5000ДЭР; БУ6500ДЭР);
газотурбинные с механическими силовыми передачами.
Привод буровых установок должен быть надежным и экономичным, безопасным и удобным в управлении, компактным и сравнительно небольшой удельной массы, транспортабельным и приспособленным для монтажа, эксплуатации и ремонта в отдаленных от баз производственного обслуживания полевых условиях. Мощность, диапазоны регулирования частоты вращения и вращающего момента выводного вала привода определяются нагрузками и режимом работы приводимых машин и механизмов. Выбранный привод должен обеспечить сочетание высокой производительности буровой установки с минимальной стоимостью 1 м проходки.
15.2. ДВИГАТЕЛИ БУРОВЫХ УСТАНОВОК.
Двигатели основного привода буровой установки выбирают в зависимости от ожидаемых источников питания, величины требуемой мощности и ограничений по массе и габаритам. При выборе двигателей учитывают механические характеристики буровых насосов, ротора и лебедки, обусловленные технологией бурения и спуско-подъемных операций.
Дизели наиболее распространены в приводе буровых установок. В последние годы заметно расширилось использование газотурбинных двигателей. Карбюраторные и паровые двигатели в современных буровых установках не применяются. Распространенность дизелей объясняется их надежностью, экономичностью и компактностью по сравнению с другими тепловыми двигателями. Энергетические показатели дизеля оцениваются по скоростным, нагрузочным и регуляторным характеристикам, определяемым на основе стендовых испытаний. Скоростная характеристика определяется при постоянной подаче топлива и выражает зависимость крутящего момента М, мощности Nе, часового G и удельного ge расхода топлива, температуры Т и коэффициента полезного действия 13 EMBED Equation.3 1415 от частоты вращения п коленчатого вала дизеля (рис. 15.1). Сохраняя заданную подачу топлива, в процессе испытаний изменяют нагрузку (тормозной момент) и определяют частоту вращения дизеля в режиме его устойчивой работы. Данные, полученные при полной подаче топлива, определяют верхнюю границу поля эксплуатационных режимов работы и используются для построения внешней скоростной характеристики дизеля. Кривые, построенные при неполной подаче топлива, называются частичными скоростными характеристиками дизеля.
Важный параметр дизеля частота вращения, соответствующая максимальному крутящему моменту. По внешней характеристике определяют:
номинальный коэффициент запаса крутящего момента дизеля
КМ=13 EMBED Equation.3 1415100%
коэффициент приспособляемости Кпр = ММ/МН;
скоростной коэффициент КП = пМ/пН.
Здесь ММ, nМ момент и частота вращения в режиме максимального крутящего момента; МН, пН момент и частота вращения в режиме номинальной мощности.
Чем больше коэффициенты КМ и КПР тем устойчивее работает дизель при изменении внешней нагрузки. Небольшие значения коэффициентов КМ и КП свидетельствуют об ограниченной способности дизеля к преодолению возрастающих сопротивлений. С увеличением КП падает мощность дизеля, что обусловливает соответствующее снижение производительности приводной машины. Характеристика такого дизеля приближается к жесткой.
Коэффициент запаса крутящего момента КМ = 513 EMBED Equation.3 141515% может быть увеличен до 3040 % при использовании корректора подачи топлива. Скоростной коэффициент КП = 0,6513 EMBED Equation.3 14150,75 указывает на ограниченную способность дизеля самостоятельно приспосабливаться к переменным по величине нагрузкам исполнительных агрегатов. В связи с этим для приспособления к изменяющимся нагрузкам буровой лебедки, насосов и ротора дизель снабжается гидротрансформатором и коробкой перемены передач.
Показатели внешней характеристики используются для построения нагрузочной и регуляторной характеристик дизеля. Нагрузочная характеристика дает представление об изменении показателей дизеля в зависимости от момента, создаваемого внешней нагрузкой, при постоянной частоте вращения. Регуляторная характеристика строится в зависимости от эффективной мощности двигателя, и в приемлемых масштабах графика дает более наглядную оценку энергетических показателей дизеля. Вследствие ограниченного пускового момента, определяемого мощностью стартера, с исполнительным механизмом дизель соединяется посредством сцепной муфты, отключающей дизель при пуске.
В отечественных буровых установках преимущественно используются четырехтактные 12-цилиндровые дизели с V-образным расположением цилиндров и жидкостным охлаждением.
На рис. 15.1 показаны внешние характеристики дизелей, свидетельствующие о незначительном изменении крутящего момента от частоты вращения.
Базовый дизель В2-400 имеет номинальную мощность 294 кВт при 1600 об/мин и изготовляется в следующих модификациях: В2-400А; В2-400АВ (поставляется с вентилятором) и В2-400АЧ (поставляется без вентилятора). Дизель В2-450А тех же модификаций отличается от В2-400А регулировкой номинальной мощности до 320 кВт при 1600 об/мин. Для дизелей тропического исполнения к шифру добавляется буква «Т». Серия дизеля обозначается буквой «С» с последующей цифрой, указывающей очередность модернизации. Например, дизели В2-450-С2 в результате модернизации имеют более высокий моторесурс, составляющий 60007000 ч. В дизелях серии СЗ устранена зона так называемых резонансных оборотов.

Техническая характеристика дизеля В2-450.
Тип дизеля Четырёхтактный, бескомпрессорный с непосредственным распылением топлива.
Число цилиндров 12
Расположение цилиндров V-образное
Диаметр цилиндра, мм 150
Ход поршня, мм:
левой группы 180
правой группы 186,7
Степень сжатия 1415
Номинальная мощность, кВт 330
Частота вращения, об/мин:
при номинальной мощности 1600
минимально устойчивая 600
Удельный расход топлива, г/(кВтч) 22713 EMBED Equation.3 1415 3%
Удельный расход масла г/(кВтч) 8,35
Масса, кг:
воды системы охлаждения 60
масла системы смазки 130
дизеля (сухого) 1400
Рекомендуемые режимы работы дизеля приведены ниже.
Тип дизеля В2-400 В2-450
Частота вращения, об/мин 1200 1300
Мощность, кВт 264 309
Давление масла, МПа 0,60,9
Температура, °С:
воды 6090
масла 7090

Важное направление дальнейшего повышения эффективности привода буровых установок использование более мощных отечественных дизелей: 6ЧН-21/21 с номинальной мощностью 423 кВт при 1200 об/мин и 6ЧН-26/26 с номинальной мощностью 736 кВт. С увеличением единичной мощности сокращается число дизелей буровой установки и, следовательно, упрощается конструкция силовых передач, снижаются потери от спарки дизелей. В дизель-электрических агрегатах, используемых в качестве источников питания электродвигателей вспомогательных механизмов буровой установки, применяются дизели ЯМЗ-238А; К-153 и У1Д6С2.
Газотурбинные двигатели в отличие от дизеля преобразуют тепловую энергию в механическую не циклически, а непрерывно. На рис. 15.2 показана простейшая схема, поясняющая принцип действия двухвального газотурбинного двигателя, который используется в приводе буровых установок. Атмосферный воздух, проходя через ступени компрессора К, сжимается и под давлением поступает в камеру сгорания КС. В этой камере воздух смешивается с топливом, подаваемым форсунками. В результате сгорания образовавшейся смеси создается газовый поток, который поступает в турбину компрессора ТК и свободную турбину ТС. Рабочие колеса турбины компрессора и свободной турбины установлены на отдельных валах и связаны между собой газодинамически. В лопаточных аппаратах турбин энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу. Мощность турбины компрессора ТК расходуется на вращение компрессора и других обслуживающих двигатель агрегатов. Мощность свободной турбины ТС через редуктор Р передается на выводной вал В, соединяемый с приводимым агрегатом. Газотурбинные двигатели снабжены устройствами для запуска, а также для автоматического и ручного управления двигателем. Как видно из рис. 15.3, двухвальный газотурбинный двигатель обладает сравнительно высоким запасом крутящего момента. Максимальный момент в 1,52 раза превышает момент при номинальном режиме. По сравнению с дизелем газотурбинный двигатель обладает более мягкой характеристикой. Способность его резко снижать частоту вращения при загрузке свободной турбины с последующим быстрым выходом на номинальный режим работы является положительной особенностью, благодаря которой упрощаются пусковые устройства в приводе буровой лебедки, насосов и ротора. Работа при «завалах» частоты вращения ограничивается во времени вследствие перегрева двигателя, вызывающего преждевременное сгорание лопаток силовой турбины. По этой причине продолжительность работы газотурбинного двигателя при перегрузках не должна превышать установленных пределов.

Техническая характеристика стационарного газотурбинного двигателя АИ – 23СГ
Тип двигателя Газотурбинный со свободной силовой турбиной
Частота вращения ротора, об/мин:
Турбокомпрессора (9000 – 14600)13 EMBED Equation.3 1415150
Свободной турбины (8000 – 11000)13 EMBED Equation.3 1415120
Тип редуктора Планетарный, двухступенчатый
Передаточное отношение 0,08732
Топливо для двигателя Природный (ГОСТ 5542 – 78) или попутный нефтяной газ
Применяемое масло Смесь масел (по объёму): 75% трансформаторного или МК-3 и 25% МК-22 или МС-20
Компрессор Осевой 10-ступенчатый
Турбины:
Компрессора Осевая двухступенчатая
Свободная силовая Осевая двухступенчатая
Связь между турбинами Гидродинамическая
Масса, кг:
Двигателя со всеми установленными на нём агрегатами и рамой 1290
Рамы двигателя 215
Габариты, мм:
Длина 365013 EMBED Equation.3 14155
Ширина без выхлопных труб 76013 EMBED Equation.3 14155
Высота 97513 EMBED Equation.3 14155

Удельная масса газотурбинного двигателя составляет примерно 1,22 кг/кВт и почти в 7 раз меньше, чем дизеля, поэтому значительно уменьшаются масса и габариты привода и всей буровой установки. Возможность непосредственного соединения выводного вала газотурбинного двигателя с валом трансмиссии упрощает конструкцию и повышает к.п.д. привода. Отсутствие водяного охлаждения облегчает запуск и эксплуатацию двигателя в зимних условиях. Моторесурс газотурбинных двигателей при эксплуатации в бурении достигает 9500 ч, а расход масел почти в 10 раз меньше, чем у дизелей.
Благоприятные пусковые свойства и другие положительные качества этих двигателей свидетельствуют об их конкурентоспособности с более распространенными дизелями. Основные недостатки газотурбинных двигателей повышенный расход топлива и высокий уровень создаваемого шума. Удельный расход топлива примерно в 2 раза больше, чем у дизелей, поэтому буровые установки с газотурбинными двигателями экономически эффективны при наличии доступных местных ресурсов топлива.
Электродвигатели переменного и постоянного тока специальных модификаций, приспособленные для монтажа и эксплуатации при температуре окружающего воздуха ±40 °С и относительной влажности 90 % при 20 °С, используются в приводе буровых установок. Валы двигателей устанавливаются на щитовых подшипниках и имеют один свободный конец для соединительной муфты. Вследствие недостаточной вентиляции, обусловленной повышенной защищенностью от попадания влаги, номинальная мощность буровых электродвигателей на 510 % меньше, чем двигателей единой серии данного габарита.
В числе преимуществ электродвигателей при использовании их в приводе буровых установок следует отметить экономичность и надежность, способность реверсирования и преодоления кратковременных перегрузок, бесшумность работы и сохранение

Рис. 15.4. Механические характеристики электродвигателей







чистоты окружающей среды и рабочих мест. Благодаря возможности торможения электродвигателями значительно облегчаются условия работы ленточного тормоза буровой лебедки, что способствует снижению расхода тормозных колодок. Централизованное электроснабжение устраняет необходимость доставки и хранения топлива и масел и связанных с этим материальных и трудовых затрат.
Тип электродвигателя выбирают с учетом его механических характеристик. Различают естественную и искусственную механические характеристики электродвигателя. Первая соответствует номинальным условиям его питания, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных сопротивлений в цепях двигателя. Искусственные характеристики получаются при изменении напряжения на зажимах двигателя, включении добавочных сопротивлений в цепи двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.
На рис. 15.4 приведены естественные механические характеристики электродвигателей. Важный критерий для оценки механических характеристик двигателей степень их жесткости, выражаемая коэффициентом жесткости, величина которого определяется отношением приращения момента 13 EMBED Equation.3 1415 к приращению частоты вращения 13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415.


















Рис.15.4 Естественная механическая характеристика электродвигателей.
1. Синхронный двигатель абсолютно жёсткий.
(
· =
· ,
·n=0.)
2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
3. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.
(
·=10ч40, 2 и 3- характеристики жёсткие).13 EMBED Equation.3 1415
4. Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением.
5. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.
( 4 и 5
·
· 10 характеристики мягкие).
На графике коэффициент жесткости определяется абсолютным значением котангенса угла наклона механической характеристики к оси абсцисс. Коэффициент жесткости на отдельных участках может быть различным. Абсолютно жесткую характеристику (кривая 1) имеют синхронные двигатели (13 EMBED Equation.3 1415 = 0, 13 EMBED Equation.3 1415 = 13 EMBED Equation.3 1415). Линейная часть характеристики асинхронного двигателя (кривая 2) и характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (кривая 3) относятся к жесткой (13 EMBED Equation.3 14151013 EMBED Equation.3 141540). Характеристика двигателя с большим падением частоты вращения, у которого 13 EMBED Equation.3 1415<10, относится к мягкой: двигатели последовательного (кривая 5) и смешанного (кривая 4) возбуждения, искусственная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.
Таблица 15.1. Техническая характеристика двигателей буровых установок.

Тип двигателя
Номинальная мощность, кВт
Номинальное напряжение, В
Частота вращения, об/мин
К.п.д.,%
13 EMBED Equation.3 1415
Момент инерции ротора, кг13 EMBED Equation.3 1415м2
Масса, кг

АКБ-114-6
320
500
980
92,5
2,5
2,25
2150

АКБ-12-39-6
320
6000
985
91,5
2,3
4
2810

АКБ-13-62-8
500
6000
740
93,5
2,5
10,7
4320

АКЗ-15-41-8Б2
700
6000
750
93,5
2,6

6150

АКЗ-15-41-8Б
850
6000
750
94,5
2,7

6800

А КСБ-15-44-6
630
6000
750
94,7
1,8

3700

АКСБ-15-54-6
800
6000
750
94,9
1,8

4100

А КСБ-15-69-6
1000
6000
750
95,3
1,8

4700


Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в приводе лебедки, насосов и ротора. Управляют этими двигателями с помощью специальных станций, которые осуществляют плавный пуск двигателя с малым пусковым током.

·13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415
Техническая характеристика асинхронных двигателей лебедки, насосов и ротора отечественных буровых установок приведена в табл. 15.1. Номинальная мощность, указанная в таблице, соответствует режиму длительной работы, при котором двигатель не перегревается сверх установленной температуры. Момент МН, соответствующий номинальному режиму, называется номинальным моментом. Отношение максимального момента ММ к номинальному МН характеризует перегрузочную способность двигателя. Кратность пускового момента определяется отношением момента, развиваемого двигателем в неподвижном состоянии, к номинальному моменту.
Электродвигатели серии АКБ, используемые в приводе буровых лебедок, рассчитаны для работы в повторно-кратковременном режиме с числом включений не более 100120 и числом реверсов 1020 в 1 ч. Электродвигатели серии АКЗ закрытого исполнения с принудительной вентиляцией или самовентиляцией предназначены для тяжелых условий работы с частыми пусками и регулированием частоты вращения путем искусственного воздействия на их электромеханические параметры. Электродвигатели этой серии используются в приводе буровых насосов и регулируются по способу, получившему название вентильно-машинного каскада.



Привод состоит из асинхронного двигателя насоса, трехфазного выпрямительного моста для преобразования энергии скольжения двигателя в энергию постоянного тока и источника э.д.с, в качестве которого используется генератор постоянного тока мощностью 250 кВт с приводным синхронным двигателем . Ток ротора асинхронного двигателя после выпрямителя поступает в цепь якоря генератора постоянного тока.





Генератор работает в двигательном режиме, а синхронный двигатель в генераторном, вследствие чего энергия скольжения возвращается в сеть. Регулируя э.д.с. генератора постоянного тока, можно изменить частоту вращения асинхронного двигателя насоса.
Рассматриваемый способ позволяет наиболее экономично искусственно регулировать частоту вращения асинхронных двигателей. Глубина регулирования возрастает с увеличением мощности генератора постоянного тока и синхронного двигателя, входящих в схему машинно-вентильного каскада.
Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором проще и дешевле двигателей с фазным ротором, не требуют сложной пусковой аппаратуры.

·13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415
Привод вспомогательных машин и механизмов буровых установок преимущественно осуществляется асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Исключение составляют вспомогательная лебедка, в приводе которой используется асинхронный двигатель с фазным ротором, и автоматический регулятор подачи долота, силовой узел которого приводится от двигателя постоянного тока.
Тип двигателя
Номинальная мощность, кВт
Номинальное напряжение, В
Частота вращения, об/мин
К.п.д., %
13 EMBED Equation.3 1415
Масса, кг

СДЗ-12-46-8А
320
6000
750
94
1,8
3200

СДЗ-13-34-6
500
6000
1000
94
1,9
3570

СДБ-13-42-8А
450
6000
750
93,9
1,46
4050

СДЗБ-13-42-8
450
60С0
750
94
1,9
4050

СДБ-14-46-8
850
6000
750
94
2,2
6500

СДЗ-13-52-8А
630
6000
750
95
1,44
5420

СДБО-99/49-8А
630
6000
750
94.5
2,2
5600

Синхронные электродвигатели вследствие абсолютной жесткости в приводе буровой лебедки используются с электромагнитными муфтами скольжения, обеспечивающими плавный пуск и относительно небольшое регулирование привода (БУ5000ЭУ). В приводе буровых насосов синхронные электродвигатели используются с фрикционными муфтами (Уралмаш 4Э-76, БУ3000ЭУК, БУ75БрЭ-70). Буровые установки, снабженные синхронными двигателями в приводе лебедки, имеют асинхронные двигатели в приводе насосов. И наоборот, если в приводе лебедки используются асинхронные двигатели, то в приводе насосов синхронные. Лишь в отдельных случаях лебедка и насосы буровой установки имеют привод от синхронных двигателей (БУ2500БЭ).
Техническая характеристика синхронных электродвигателей отечественных буровых установок приведена в табл. 15.2. Вращающий момент, развиваемый двигателем, и ток статора с повышением нагрузки возрастают практически линейно.

Таблица 15.2. Техническая характеристика синхронных двигателей буровых установок.














Так как частота вращения постоянна, мощность также увеличивается линейно. Характерная особенность синхронного двигателя его способность работать с любым cos13 EMBED Equation.3 1415. Это достигается регулированием тока возбуждения. При неизменном токе возбуждения повышение нагрузки на валу двигателя вызывает некоторое уменьшение соs13 EMBED Equation.3 1415.
Кривая к.п.д. синхронного двигателя, как и других электрических машин, изменяется в зависимости от нагрузки. Максимум к.п.д. соответствует нагрузкам, близким к номинальным, и для синхронных двигателей буровых установок равен 94 95.%,. Основные преимущества синхронных двигателей возможность их работы с соs13 EMBED Equation.3 1415=1 и способность улучшать cos13 EMBED Equation.3 1415 в системах, где работают асинхронные двигатели. Момент вращения синхронного двигателя зависит от напряжения в сети в первой стадии. В связи с этим синхронные двигатели по сравнению с асинхронными обладают более стабильным моментом вращения при колебаниях напряжения в сети. Пуск синхронного двигателя возможен после предварительного разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, с помощью дополнительного двигателя либо специальной короткозамкнутой обмотки в роторе, усложняющих конструкцию и повышающих стоимость синхронных двигателей.
Электродвигатели постоянного тока в отличие от асинхронных и синхронных обладают свойством саморегулирования и по естественным механическим характеристикам полнее отвечают требованиям, предъявляемым к основному приводу буровых установок. Вследствие плавного изменения частоты вращения в зависимости от момента, создаваемого рабочей нагрузкой, повышаются производительность и экономичность буровой лебедки, насосов и ротора. В буровых установках двигатели постоянного тока получают питание от электромашинных и тиристорных преобразователей переменного тока, поступающего от промышленной электросети либо автономных дизель-электрических станций.
Тип двигателя
Мощность
(длительная),
кВт
Напряжение, В
Частота вращения, об/мин

П-179-9К
1150
660
220/440

П-153-8К
370
220
750/900

П-172-12К
950
660
400/100

МПЭ-800-800
800
460
800/1200

ДПЗ-99/74-8КМ2
710

200/400

МПП-1000-1000 МЗ
800
460
800

ПС-152-5 К
320

400/1000

П-125-8К
230

750/1000






Таблица 15.3. Техническая характеристика двигателей постоянного тока буровых установок.












Отсутствие надежных и дешевых источников питания, ограниченный выбор необходимых для буровых установок двигателей, повышение требований к техническому обслуживанию и некоторые другие факторы на определенном этапе затрудняли внедрение электропривода постоянного тока. Поэтому первоначально двигатели постоянного тока использовались в единичных образцах буровых установок, предназначенных для сверхглубокого бурения. На основе накопленного положительного опыта в последующем были созданы буровые комплексы с электроприводом постоянного тока для плавучей (Уралмаш 6000 ПЭМ) и полупогружной (Уралмаш 6000/60 ППЭМ) буровых установок.
В последние годы ведутся опытно-конструкторские разработки и промышленные испытания тиристорного электропривода с питанием от промышленных электросетей. За рубежом электропривод постоянного тока используется преимущественно в дизель-электрических буровых установках.
Основные технические данные двигателей постоянного тока, используемых в отечественных буровых установках, приведены в табл. 15.3.
В зависимости от способа включения обмотки возбуждения различают двигатели постоянного тока параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Регулирование двигателей постоянного тока.
а) Регулирование двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.
б) Регулирование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.


·=13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415

в) Регулирование двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением.

·13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415

г) Регулирование двигателя постоянного тока от электромагнитных преобразователей переменного тока, поступающих от сети или от автономных дизель-электрических станций.

Рис.15.8. Схемы включения обмотки возбуждения при регулировании двигателей постоянного тока.

На рис. 15.19 показаны механические характеристики двигателя параллельного возбуждения, наиболее распространенного. Прямая 1 определяет естественную механическую характеристику, которой обладает двигатель при номинальном напряжении питания, полном магнитном потоке и отсутствии внешних сопротивлений в цепи якоря. Прямые 25 относятся к искусственным характеристикам, которыми обладает двигатель при увеличении сопротивления цепи якоря (прямая 2), ослаблении магнитного потока (прямая 3), уменьшении напряжения питания (прямая 4) и шунтировании якоря резистором (прямая 5).
Наклон механических характеристик зависит от сопротивления в якорной цепи. Чем меньше это сопротивление, тем жестче механическая характеристика.
Рис.15.19. Механические Рис.15.20. Рабочие характеристики
Характеристики двигателя двигателя с параллельным
Параллельного возбуждения. Возбуждением.

Внутреннее сопротивление цепи якоря обычно невелико, поэтому естественная характеристика (прямая 1) двигателя является жесткой. При увеличении сопротивления цепи якоря характеристика становится менее жесткой (прямая 2), Поскольку частота вращения п0 идеального холостого хода не зависит от сопротивления якорной цепи, механические характеристики для различных сопротивлений цепи якоря пересекают ось ординат в одной точке.
Момент МК называется начальным пусковым моментом и определяется величиной тока якоря при неподвижном якоре (пусковым током). При включении в цепь обмотки возбуждения добавочного резистора магнитный поток ослабляется, возрастает п0, уменьшается МК, а перепад частоты вращения увеличивается, вследствие чего механическая характеристика двигателя по сравнению с естественной становится менее жесткой (прямая 3). Изменение напряжения, подводимого к якорю, приводит к пропорциональному изменению частоты вращения холостого хода. При этом жесткость механической характеристики не изменяется. Механическая характеристика (прямая 5) при шунтировании якоря резистором оказывается более жесткой, чем характеристика, выраженная прямой 2.
На рис. 15.20 показаны рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением. Частота вращения с ростом нагрузки, а следовательно, и силы тока, немного падает. Полезный момент на валу вследствие уменьшения частоты вращения возрастает несколько быстрее полезной мощности:
М=30N2/13 EMBED Equation.3 1415n13 EMBED Equation.3 1415.
К.п.д. двигателя повышается с увеличением полезной нагрузки. При больших нагрузках рост к.п.д. замедляется вследствие возрастающих потерь в обмотке якоря, пропорциональных квадрату силы тока.
Характерная особенность двигателя с последовательным возбуждениемрезкое падение частоты вращения при увеличении нагрузки. Рабочие характеристики двигателей со смешанным возбуждением являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.
Торможение двигателей постоянного тока может быть механическим и электрическим. Предпочтительнее электрическое торможение, обеспечивающее при помощи механических тормозов остановку двигателя в конце торможения и фиксацию механизма в неподвижном состоянии.
Сравнительная характеристика приводов
За последние десятилетия далеко вперед шагнула мировая и отечественная науки практика сооружения нефтяных и газовых скважин.
Разработки современного оборудования для комплектования буровых установок для бурения на суши и на море. Для морских буровых платформ, а также на суши были разработаны и испытаны следующие узлы бурового оборудования, обеспечивающие повышения уровня механизации трудоемких процессов при строительстве скважин:система верхнегопривода СВП, новое поколение буровых лебедок с использованием быстроходных электродвигателей постоянного тока.
Последние разработки предусматривают использование лебедок новой серии "ЭТ". Они имеют идеальную подъёмную характеристику с полным использованием входной мощности и регулированием скорости подъёма от 0 до 100%. Все они построены по единой кинематической схеме, а именно: барабан лебедки через зубчатую двухскоростную коробку передач соединен с одним или двумя быстроходными двигателями постоянного тока. На среднем быстроходном валу коробки передач установлен дисковый тормоз с пневматическим или гидравлическим приводом. В конструкции лебедок отсутствуют шинно-пневматические муфты.
Лебедка буровая серии "ЭТ" представляет собой современный образец подъемного оборудования, в котором нашли отражение новые тенденции в мировом нефтебуровом машиностроении.
Электропривод лебедки обеспечивает не только подъем, но и регулируемый спуск колонны бурильных и обсадных труб. Он обеспечивает полную остановку и удержание груза в неподвижном состоянии некоторое время (~ 30 с) до момента наложения основного тормоза. Поэтому вспомогательный тормоз не требуется. При бурении двигатель работает в режиме регулятора подачи долота. В случае аварийного отключения электроэнергии двигатель способен произвести подъем колонны, работая от дизельной электростанции небольшой мощности
Система управления приводом обеспечивает полную управляемость приводными электродвигателями кроме подъема и спуска так же и в переходных режимах- для торможения при подъеме и разгоне при спуске.
Новые системы управления главными приводами на базе микропроцессорной техники (цифровые)
Системы управления позволяют автоматизировать управление и создать АСУ приводами. К главным приводам относятся приводы буровой лебедки, привод ротора, приводы буровых насосов.
Комплектные тиристорные устройства.
Все тиристорные преобразователи буровой установки сосредоточены в комплектных тиристорных устройствах- контейнерах. Тиристорный контейнер представляет собой электротехнический модуль, состоящий из:
– оболочки- бокса;
–·рамы- основания;
шкафов с электрооборудованием, установленных внутри контейнера.
В состав контейнера так же входит система автоматического поддержания заданного диапазона температуры внутри тиристорного контейнера.
Во всех тиристорных преобразователях применены цифровые системы управления типа SIMOREG фирмы "СИМЕНС" или система управления типа Flex Pack 3000 фирмы "Аллен Бредли".
Привод главных механизмов буровой установки на базе регулируемых асинхронных электроприводов.
Современное состояние развития техники привода позволяет предложить для буровых установок, регулируемые привода переменного тока, которые по ряду показателей превосходят электропривода постоянного тока, за счет:
·– повышения надежности;
·– уменьшения эксплуатационных затрат;
·– более простое выполнение взрывозащиты.
Кроме того, применение преобразователей частоты с активным выпрямителем позволяет существенно улучшить энергетику питающей сети за счет стабилизации напряжения сети. Активный выпрямитель, при этом, общий для привода лебедки и ротора.
Каждый двигатель привода лебедки и ротора питается от своего автономного инвертора напряжения. Двигатель регулятора подачи долота получает питание от отдельного преобразователя частоты.
Применение преобразователей частоты с активным выпрямителями для привода лебедки позволяет свести к минимуму величину гармонических составляющих в составе потребляемого тока и величину реактивной мощности при работе привода лебедки в режиме СПО. Кроме того, активный выпрямитель может быть использован в режиме компенсатора реактивной мощности в режиме бурения.
Каждый буровой насос приводится от двух асинхронных двигателей с к.з. ротором, питание которых производится от одного преобразователя частоты.
Автоматизированная система управления буровой установкой
Автоматизированная система управления (АСУ) буровой установкой предназначена для управления приводами главных механизмов (лебедка, ротор, буровые насосы) и относящимися к ним пневмоприводами, приводами смазки и вентиляции в ручном и полуавтомати ческом режимах. Управление главными механизмами осуществляется с пульта бурильщика. На пульте бурильщика осуществляется визуализация состояния главных приводов.
АСУ выполняется на базе программируемых логических контроллеров фирмы "СИММЕНС" серии S7 или на базе программируемых логических контроллеров фирмы "Аллен Бредли" LOGIX 5550 PROCECCOR.
Электрический привод
ОАО «Генерация» предлагает различные виды электрических приводов, которые подразделяются:
– по виду двигателя ( электрический привод постоянного и электрический. привод переменного тока);
– по возможности регулирования скорости ( нерегулируемые и регулируемые электрические приводы)
Поскольку в сложных условиях бурения необходимо регулирование подачи насоса для обеспечения требуемой скорости проход ки, а также при восстановлении циркуляции бурового раствора, для бурового насоса целесообразно применение регулируемого электропривода с возможностью плавного изменения скорости вращения двигателя.
Частотно-регулируемый электропривод переменного тока является, в настоящий момент, наиболее перспективным и удобным в эксплуатации, поэтому применение данного привода является наиболее рациональным.
Преимущества частотно-регулируемого электропривода по сравнению с тиристорным приводом постоянного тока:
надежность и простота в работе
экономичность в обслуживании (двигатель не требует обслуживания (нет коллекторного узла)
высокий коэффициент мощности
малые габариты системы и простота системы в целом (нет необходимости применения ФКУ (фильтрокомпенсационной установки).

15.3. СИЛОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ И АГРЕГАТЫ.
Силовые передачи представляют собой устройства, предназначенные для передачи мощности от двигателей лебедке, насосам, ротору и другим потребителям энергии буровой установки. Силовые передачи основного привода выполняют следующие функции:
регулирование момента и частоты вращения в соответствии с изменением эксплуатационных нагрузок, действующих на буровую лебедку и ротор;
регулирование числа ходов поршней бурового насоса в зависимости от необходимой подачи и давления;
суммирование мощности двигателей при групповом и многомоторном приводе;
распределение мощности между лебедкой, насосами и ротором в буровых установках с групповым приводом;
плавное включение и защиту двигателей от чрезмерных перегрузок;
реверсирование лебедки и ротора, приводимых от тепловых двигателей.
В приводе буровых установок используются механические, гидравлические, электрические и пневматические передачи, различающиеся по способу преобразования передаваемого вращающего момента. Как правило, гидравлические и электрические передачи используются в сочетании с механическими, образуя гидромеханические и электрические передачи.
Механические передачи наиболее просты и надежны в эксплуатации, отличаются ступенчатым изменением частоты вращения и сравнительно высоким к. п. д., не зависящим от передаточных чисел. В приводе буровых установок используются следующие виды механических передач: понизительные зубчатые редукторы, суммирующие и раздаточные цепные редукторы, клиноременные и карданные передачи, цепные и зубчатые коробки перемены передачи, шинно-пневматические муфты и другие устройства, выбираемые в зависимости от используемых двигателей, назначения и компоновки привода.

На рис. 15.21. показана кинематическая схема смешанного дизельного привода с механическими передачами, принятая в буровых установках Уралшам ЗД-76. В блок а входят три дизеля (/, //, ///), предназначенные для привода буровой лебедки и








Рис. 15.21. Кинематическая схема смешанного дизельного привода с механическими передачами.
одного насоса. Блок б служит для привода второго насоса от двух дизелей (IV и V). Мощность дизелей передается лебедке и насосам посредством эластичных муфт ЭМ, понизительных редукторов Р, шинно-пневматических муфт А, клиноременных передач КРП и зубчатой коробки перемены передач КПП.
Трехдизельный блок а позволяет раздельно и одновременно передавать мощность КПП буровой лебедке и насосу 1. При этом могут быть использованы один из дизелей, любая пара дизелей и все три дизеля /, //, III. Двухдизельный блок б позволяет обеспечить привод насоса 2 от каждого дизеля в отдельности или одновременно от двух дизелей IV, V. Оба блока содержат конструктивно одинаковые силовые агрегаты, объединяющие в одном блоке дизель, понизительный редуктор и клиноременную трансмиссию. По числу клиноременных шкивов различают одношкивный 1Ш и двухшкивный 2Ш силовые агрегаты. В блоке а указанные агрегаты соединяются с третьим агрегатом Тр, называемым силовым агрегатом коробки перемены передач.
В трехдизельном блоке одношкивный силовой агрегат 1Ш используется для привода компрессора К, а в двухшкивном силовом агрегате 2Ш, используемом для привода насоса 1, трансмиссия имеет два клиноременных шкива диаметром 500 и 630 мм, установленных на отдельных валах и соединяемых между собой шинно-пневматической муфтой Д.
Коробка перемены передач КПП, предназначенная для лебедки У2-5-5, имеет пять прямых и четыре обратные скорости. От двухшкивного силового агрегата мощность дизелей /, //, /// передается приводному валу коробки перемены передач посредством сдвоенной шинно-пневматической муфты Г. Через карданные валы КВ1 и КВ2 вращение сообщается буровой лебедке Четыре первые скорости включаются с помощью блок-шестерен 32/54 и 50/38 и передаются лебедке через карданный вал КВ1. Пятая независимая «быстрая» скорость, включаемая с поста бурильщика, передается лебедке от вала КВ2. Для прямого и обратного хода используется блок-шестерня 28/28. Ниже указаны соединения зубчатых колес и шестерен в зависимости от передаваемых скоростей.
Скорость I II III IV V Реверс
Соединение зубчатых
колес и шестерен"... 28/38 28/38 28/38 28/38 28/38 28/70
38/82 38/82 38/82 38/82 38/82 32/88
32/88 54/66 70/50 82/38
Тормоз Т предназначен для остановки валов при отключении коробки перемены передач. Электростартер СТ и зубчатая передача 174/10 служат для проворачивания валов с целью совмещения зубьев включаемых шестерен.
Одношкивный силовой агрегат (рис. 15.22) состоит из рамы /, на которой установлены дизель 2, понизительный редуктор 4 и стойки 7 клиноременной трансмиссии 6. Вал дизеля соединяется с приводным валом редуктора эластичной муфтой 3. Ведомый вал редуктора соединяется с трансмиссионным валом шинно-пневматической муфтой 5, наполняемой сжатым воздухом через вертлюжок 8.
Двухшкивный силовой агрегат с коробкой перемены передач (рис. 15.23) отличается тем, что шкивы 6 располагаются на од ном сплошном валу, который передает мощность трех дизелей (см. рис. 12.21). На раме 1 вместе с дизелем 2, редуктором 4, стойками 8 размещаются коробка перемены передач 10 и натяж ной ролик 7. Сжатый воздух поступает в шинно-пневматическую муфту 5 через вертлюжок 5, установленный на торце ведомого вала редуктора, а в спаренную шинно-пневматическую муфту 9 с торца приводного вала коробки перемены передач через вертлюжок 11.





















Рис.15.22. Одношкивный силовой агрегат.
Понизительный редуктор служит для снижения частоты вращения, передаваемой дизелем, до пределов, допускаемых клиноременной передачей. Передаточное число редуктора 1,53, модуль прямозубого зацепления равен шести. Приводной вал-шестерня 5 (рис.15.24) и ведомый вал 9 с насаженным колесом 8 устанавливаются на подшипниках 11 в расточки оребренного чугунного корпуса 3 и крышки 2, соединяемых болтами. Стыкуемые поверхности корпуса и крышки уплотняются картонной прокладкой. Поверхности зубьев шестерни и колеса после цементации подвергаются закалке и шлифовке. Валы редуктора имеют конические хвостовики с резьбой для посадки и крепления полумуфт.
Ведомый вал 9 снабжен отверстием для подвода воздуха к шинно-пневматической муфте. Уровень масла в редукторе контролируется маслоуказателем 1. Для предупреждения утечек масла через выводные концы валов во фланцах 7 установлены севанитовые уплотнения 6, поджимаемые крышками 10. В корпусе редуктора располагается змеевик 4 для охлаждения масла холодной водой. В зимних условиях используется для подогрева масла горячей водой либо паром.

Рис. 15.23. Двухшкивный силовой агрегат.


























Рис.15.24. Понизительный редуктор.

К числу основных недостатков механических передач относится ступенчатое изменение частоты вращения. Согласно равенству мощностей двигателя и исполнительного механизма Мдвnдв13 EMBED Equation.3 1415=Мп, изменение рабочих нагрузок и моментов М на заданной передаче n = nдв/i = const вызывает соответствующее изменение вращающего момента двигателя Мдв, что неблагоприятно сказывается на его экономичности и долговечности. Правильный выбор передачи в соответствии с рабочей нагрузкой зависит от квалификации бурильщика и поэтому не всегда отвечает наиболее выгодным режимам работы двигателя. Для переключения передач затрачивается дополнительное время, что приводит к увеличению продолжительности выполняемых технологических операций.
В гидромеханических передачах механические передачи сочетаются с гидродинамическими. В приводе буровых установок преимущественно используют гидротрансформаторы. Гидродинамические муфты применяют реже, так как они требуют более сложной системы управления для глубокого и продолжительного регулирования передаваемого вращающего момента. Из числа известных гидротрансформаторов в приводе буровых установок

Рис.151.25. Конструктивная схема a и характеристика комплексного гидротрансформатора б.
используются преимущественно комплексные, обладающие наиболее приемлемыми для условий бурения свойствами.
Гидротрансформаторы конструктивно отличаются от гидромуфт тем, что в их рабочей полости (рис. 15.25), кроме турбинного 1 и насосного 2 колес, устанавливается неподвижный лопаточный аппарат 3, называемый реактором. Преобразование момента в гидротрансформаторе происходит в результате воздействия лопаток реактора на скорость и направление потока жидкости, поступающей из насосного колеса на турбину. Вследствие значительных гидравлических потерь в реакторе максимальное значение к.п.д. наиболее совершенных гидротрансформаторов не превышает 0,80,92, тогда как у гидромуфт он составляет 0,940,98.
Преобразующие свойства гидротрансформатора и высокий к.п.д. гидромуфты в определенной степени совмещаются в комплексном гидротрансформаторе, конструктивное отличие которого состоит в том, что реактор соединяется с корпусом через муфту свободного хода МСХ 4. При больших нагрузках, когда момент на турбине Мт больше момента насосного колеса Miu на реакторе возникает момент Мр, заклинивающий МСХ и удерживающий реактор в неподвижном состоянии.
При уменьшении нагрузки, когда момент на турбине оказывается равным или меньше момента насосного колеса, МСХ расклинивается и реактор вращается в сторону насосного колеса, не влияя на поток рабочей жидкости. Таким образом, комплексный гидротрансформатор способен работать в режимах гидротрансформатора и гидромуфты. В любом случае алгебраическая сумма моментов, приложенных к гидротрансформатору, равна нулю:
МН + МР МТ = 0
Из рассмотренного условия следует, что момент на валу турбины МТ, расходуемый на преодоление внешней нагрузки, равен по абсолютной величине сумме моментов, затраченных на закручивание потока рабочей жидкости:
Мт = Мн + Мр. (15.1)
Основные параметры гидротрансформатора: коэффициент трансформации момента вращения
К = Мт/МН = 1 + МР/МН; (15.2)
коэффициент полезного действия
13 EMBED Equation.3 1415, (15.3)
где i=nТ/nН передаточное отношение гидротрансформатора.
Внешняя характеристика комплексного гидротрансформатора, показанная на рис. 15.25,б сплошными линиями, представляет собой графически выраженную зависимость к.п.д. и вращающих моментов насосного и турбинного колес от передаточного отношения при постоянной частоте вращения насосного колеса. Как видно, внешняя характеристика комплексных гидротрансформаторов разделена на зоны ГТ и ГМ, определяющие работу соответственно в режимах гидротрансформатора и гидромуфты.
Вращающие моменты рабочих колес гидротрансформатора определяются по известным формулам:
13 EMBED Equation.3 1415 (15.4)
где 13 EMBED Equation.3 1415 плотность рабочей жидкости; 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 безразмерные коэффициенты момента турбины, насоса и реактора; пН частота вращения насосного колеса; D максимальный (активный) диаметр рабочей полости колес гидротрансформатора.
Для лопастных колес с геометрически подобными проточными элементами коэффициент момента 13 EMBED Equation.3 1415 величина постоянная при кинематическом подобии потоков, т. е. при i== const. На основании указанного для удобства выполнения расчетов, связанных; с моделированием гидротрансформаторов, их опытные характеристики представляются в виде зависимостей коэффициентов момента насосного и турбинного колес от передаточного отношения
13 EMBED Equation.3 1415.
Рассматриваемые безразмерные зависимости на рис.15.25,б показаны пунктирными линиями. От внешних характеристик они отличаются масштабом построения и не зависят от абсолютных значений 13 EMBED Equation.3 1415, п и D.
Коэффициент полезного действия гидротрансформатора изменяется по закону, близкому к квадратичной параболе. Для сравнения на рис.15.25,б штрихпунктирной линией показано изменение к.п.д. гидромуфты, величина которого, как известно, равна передаточному отношению. В рабочей зоне ГТ, где гидротрансформатор преобразует величину момента (K>1), к.п.д. выше, чем у гидромуфты. На границе зон ГТ и ГМ реактор отключается, и гидротрансформатор переходит на режим работы гидромуфты. При этом моменты на насосном и турбинном колесах выравниваются (К=1), а к.п.д. при дальнейшем увеличении частоты вращения турбины возрастает прямо пропорционально передаточному отношению.
Важным параметром гидротрансформатора является коэффициент прозрачности, указывающий на характер изменения момента насосного колеса от частоты вращения турбины:
П = МН(i=0)/МН(i=1)=13 EMBED Equation.3 1415 (15.5)
где МН(i=0) и 13 EMBED Equation.3 1415 момент и коэффициент момента насосного колеса при максимальной нагрузке на турбине (i = 0 турбина застопорена); МН(i=1) и 13 EMBED Equation.3 1415 момент и коэффициент момента насосного колеса при коэффициенте трансформации, равном единице (для комплексных гидротрансформаторов режим гидромуфты).
Гидротрансформаторы, у которых П>1, обладают прямой прозрачностью. В этом случае уменьшение частоты вращения турбины, вызванное увеличением внешней нагрузки, сопровождается ростом момента насосного колеса гидротрансформатора. Если П=1, то гидротрансформатор непрозрачен, т.е. насос не реагирует на изменение нагрузки на турбине. При П<1 гидротрансформатор обладает обратной прозрачностью с увеличением нагрузки на турбинное колесо частота его вращения и момент насосного колеса снижаются.
На прозрачность гидротрансформатора решающее влияние оказывают размещение рабочих колес в круге циркуляции и угол наклона лопаток насоса. У прозрачных гидротрансформаторов 13 EMBED Equation.3 1415 = var, а у непрозрачных 13 EMBED Equation.3 1415 = const для всех значений i. Зависимости MT = f (i) и MH = f (i) на рис.15.25,б относятся к непрозрачному гидротрансформатору и свидетельствуют о том, что с увеличением вращающего момента турбины частота ее вращения снижается при неизменном моменте насосного колеса. На практике это проявляется в том, что с увеличением внешней нагрузки, действующей на ведомый вал гидротрансформатора, частота вращения его снижается. Так как момент и частота вращения насосного колеса остаются неизменными, режим работы двигателя при этом также не изменяется.
Комплексные гидротрансформаторы придают дизельному приводу ряд новых свойств и возможностей. На рис.15.26 показана внешняя характеристика дизель-гидравлического агрегата САТ-450, состоящего из дизеля В2-450 и гидротрансформатора: ТТК1. Представленные на рисунке экспериментальные зависимости показывают, что в дизель-гидравлическом агрегате частота вращения выходного (турбинного) вала пТ изменяется от нуля в тормозном режиме до максимума в режиме холостого хода при практически неизменной частоте вращения дизеля пД.


0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 nT, об/мин.
Рис.15.26. Внешняя характеристика силового агрегата САТ – 450.
Вращающий момент выходного вала МТ плавно снижается от максимума в тормозном режиме до минимума в режиме холостого хода. Коэффициент трансформации момента К = 6 и умень шается до К = 3,213 EMBED Equation.3 14154 при к.п.д. гидротрансформатора, равном 0,7. Бесступенчатое изменение момента и частоты вращения позволяет полнее использовать мощность дизеля в приводе буровой лебедки и обеспечить автоматическое изменение скорости подъема в зависимости от нагрузки на крюке. Однако вследствие ограниченности коэффициента трансформации в зоне практически приемлемых значений к.п.д. гидротрансформаторы в приводе буровых лебедок самостоятельно не используются и дополняются механической коробкой перемены передач.
В связи с этим расширяется диапазон экономического регулирования момента до пределов, охватывающих весь практически возможный диапазон изменения действующих на буровую лебедку нагрузок при спуско-подъемных, ловильных и других работах. Такие передачи обеспечивают непрерывно-ступенчатую тяговую характеристику лебедки. Одновременно коробка перемены передач используется для реверсирования дизель-гидравлического агрегата, так как собственно гидротрансформатор нереверсируемый.
В приводе буровых насосов гидравлические передачи обеспечивают автоматическое изменение давления и подачи при изменении гидравлических сопротивлений в системе циркуляции промывочного раствора. Способность гидротрансформатора развивать большие вращающие моменты при малой частоте вращения турбинного колеса создает условия для пуска насосов под нагрузкой, т.е. без применения пусковых задвижек. В приводе ротора гидромеханическая силовая передача по сравнению с механической передачей обеспечивает более благоприятный режим бурения и снижение аварий с бурильными трубами.
Анализируя работу гидротрансформаторов и их характеристики, можно отметить ряд других положительных качеств, благодаря которым гидротрансформаторы широко используют в силовых передачах буровых установок. Из характеристики непрозрачного гидротрансформатора (см. рис.15.25, б), следует, что даже при заклинивании турбинного вала (i = 0) момент Мн на насосном валу, нагружающий двигатель, остается неизменным. В связи с этим при правильном подборе гидротрансформатора устраняется возможность перегрузки и остановки дизеля, что способствует повышению срока его службы.
Гидромеханические передачи позволяют упростить управление буровой лебедкой. Так, после подъема незагруженного элеватора нет необходимости переключения лебедки с высшей на низшую передачу для последующего приподъема колонны труб с целью освобождения элеватора или клиньев. Это видно из рассмотрения равенства мощностей на насосном и турбинном колесах гидротрансформатора:
MTnT=MHnH13 EMBED Equation.3 1415,
Учитывая, что MH = 13 EMBED Equation.3 1415D5nn2, рассматриваемое равенство можно представить в виде:
13 EMBED Equation.3 1415.
Подставляя вместо частоты вращения насоса пH равное ему значение частоты вращения двигателя nд, получаем
MT = 13 EMBED Equation.3 1415 (15.6)
13 EMBED Equation.3 1415 (15.7)
Формула (XVI.6) показывает, что путем сравнительно небольшого изменения частоты вращения двигателя можно обеспечить необходимое для приподъема колонны увеличение момента МT при неизменной частоте вращения пT выходного вала гидротрансформатора. Из формулы (15.7) следует, что при постоянном моменте частота вращения пT выходного вала пропорциональна кубу частоты вращения двигателя. Поэтому регулировкой частоты вращения двигателя можно изменять скорость крюка в широком диапазоне, поднимая бурильную колонну при прихватах и затяжках и удерживая ее в подвешенном состоянии.
Рассматриваемые режимы работы ограничиваются определенным диапазоном нагрузок, не вызывающим перегрева гидротрансформаторов. Рабочая жидкость между насосным и турбинным колесами гидротрансформатора поглощает крутильные колебания двигателя, способствуя снижению уровня шума и вибраций. Благодаря гидротрансформатору улучшается синхронизация параллельно работающих дизелей, что позволяет полнее использовать их суммарную мощность.










Рис. 15.5 Регулирование асинхронного двигателя с фазным ротором (реостатное регулирование)

Рис. 15.6 Регулирование асинхронного двигателя получившего название вентильно-машинного каскада

~ U

f13 EMBED Equation.3 1415

f13 EMBED Equation.3 1415=const

Рис. 15.7. Частное регулирование асинхронного электродвигателя



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 38449
    Размер файла: 565 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий