Меню Рубрики

Двигатели внутреннего сгорания буровых установок

Двигатели внутреннего сгорания буровых установок

Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на поршневые (дизельные — с воспламенением рабочей смеси от её сжатия) и карбюраторные — бензиновые (с искровым воспламенением рабочей смеси).

В геологоразведочных организациях эти двигатели находят применение для привода буровых установок и станков , в том числе самоходных, стационарных и передвижных, электроагрегатов и компрессоров.

Наибольшее распространение получили дизельные двигатели как наиболее экономичные в эксплуатации и ремонте, обладающие большой гибкостью рабочего процесса, надёжностью и универсальностью.

Для привода лёгких блочных передвижных гидрофицированных буровых установок нового поколения (типа УПБ-50Б, УПБ-100Б) применены разработанные отечественной промышленностью малогабаритные дизели ТМЗ-450Д/90 мощностью 8 кВт и В24 — 8,2/7,8 мощностью 8,8 кВт.

На самоходных буровых установках в подавляющем большинстве привод осуществляется от двигателей автомобиля или трактора (УКБ-3СТ-Э, УКБ-4С, ЛБУ-50, УРБ-2А-2, УШ-2Т и др.), но в ряде случаев используется и автономный двигатель внутреннего сгорания: дизель Д-65 ПС мощностью 45,6 кВт на установках типа ПБУ-1 и ПБУ-2, дизель Д-144 мощностью 46 кВт на установке МЛТБ, дизель 12ч 8,5/11 мощностью 12 кВт на установке УБР-2М.

Для привода электроагрегатов и компрессоров на геологоразведочных работах отрасли находят применение дизельные двигатели широкой номенклатуры, в том числе 42 10,5/13 мощностью 20 кВт, ЯАЗ-М2046 мощностью 44,1 кВт, дизель А-41Б мощностью 69 кВт, ЯМЗ-238М2 мощностью 100 кВт и другие.

Типовое устройство дизельного двигателя, регулировки и уход за ними приводятся на примере дизеля ЯАЗ-М204, общий вид которого приведён на рис. 108.


Рис. 108. Общий вид (справа и слева) дизеля.

Если смотреть на двигатель со стороны маховика, то справа на нём установлены топливный насос 3.6 с регулятором 7, фильтры грубой 8 и тонкой 3 очистки топлива, пусковой двигатель 1 с редуктором 9 и глушителем 4, форсунки 5, впускная труба 2 основного двигателя, управление декомпрессионным механизмом. Слева размещаются выпускная труба 1, маслозаливная горловина 2, счётчик моточасов 7, привод водяного насоса и вентилятора, декомпрессионный механизм, фильтры грубой 3 и тонкой 4 очистки масла, маслоуказатель 5. Спереди двигателя установлены водяной насос и вентилятор, генератор, передняя опора двигателя, картер шестерен распределения, а сзади — воздухоочиститель и главная муфта сцепления.

Для обеспечения нормальной работы дизеля запрещается:

  • полностью загружать новый или отремонтированный двигатель без обкатки;
  • загружать двигатель при температуре охлаждающей воды ниже 50 °С;
  • длительная работа при температуре охлаждающей воды ниже 80°С;
  • продолжительная перегрузка двигателя;
  • допускать перегрев двигателя;
  • работа двигателя с перебоями, стуками и дымным выхлопом;
  • длительная работа на холостом ходу, приводящая к закоксовыванию поршневых колец;
  • запускать двигатель без прогрева горячей водой и подогретым маслом при температуре окружающего воздуха ниже +5°С.

источник

Буровые установки для колонкового бурения. Силовое оборудование (привод) буровых установок

В современных буровых установках в качестве силового оборудования применяются главным образом электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания. При подземном неглубоком бурении иногда для привода легких буровых станков применяются пневматические двигатели, особенно в шахтах, опасных по газу и пыли.

Электрический привод

Наиболее широко электрический привод применяется в геологоразведочных партиях и экспедициях, длительно работающих в одном районе. При наличии в районе электролиний высокого напряжения для питания буровых установок применяются стационарные и передвижные понизительные трансформаторы. Когда буровые работы производятся длительное время, но высоковольтные электропередачи отсутствуют, электроснабжение буровых установок может быть организовано от передвижных электростанций или от специально построенных временных электростанций. В высокогорных районах, богатых быстрыми горными речками, целесообразно строить гидроэлектростанции небольшой мощности. Необходимый для работы гидравлических турбин напор воды можно получить путем устройства небольших простейших плотин, от которых вода к турбине подводится деривационным каналом, имеющим небольшой уклон.

Для привода буровых станков рекомендуется применять асинхронные электродвигатели переменного тока. Электродвигатели небольшой мощности обычно берутся с короткозамкнутым ротором. При мощности более 8 — 12 кВт целесообразно выбирать электродвигатели с контактными кольцами и пусковыми устройствами, обеспечивающими снижение пусковых токов.

Достоинством электропривода является простота обслуживания и управления, постоянная готовность к работе, высокая экономичность, возможность реверсирования, возможность применения индивидуальных приводов (для насоса, глиномешалки, заточного станка и т. п.).

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

Двигатели внутреннего сгорания применяются для привода буровых установок на поисковых работах, при предварительной разведке и бурении одиночных скважин.

Передвижные станки приводятся от ДВС. Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на три группы:

  • карбюраторные, работающие на бензине и лигроине;
  • дизельные, работающие на соляровом масле или дизельном топливе;
  • калоризаторные, работающие на сырой нефти.

За последние годы в практику разведочного бурения широко внедрен дизельный привод.

При выборе двигателя внутреннего сгорания его расчетная мощность должна определяться по режиму наибольшей нагрузки.

Достоинствами двигателей внутреннего сгорания являются их независимость от внешних источников энергии и экономичное потребление топлива.

Недостатками двигателей внутреннего сгорания являются их относительная недолговечность, необходимость применения коробки скоростей для регулирования величины крутящего момента и реверсирования.

Наиболее часто применяются дизельные двигатели типов Д-38, Д-54 и КД-46 мощностью соответственно 38, 54 и 80 л. с.

Выбор мощности двигателя для колонкового бурения

В процессе строительства скважины двигатель приводит в движение лебедку и вращатель станка. Во время работы вращателя одновременно работает промывочный насос.

Электропривод станка и насоса обычно осуществляется от индивидуальных электродвигателей. При приводе от двигателя внутреннего сгорания последний одновременно приводит вращатель и буровой насос, а в ночное время генератор, необходимый для освещения вышки.

Мощность, потребляемая вращателем, расходуется на работу коронки на забое и на вращение колонны труб в скважине.

Лебедки делают многоскоростными. Многоскоростная лебедка позволяет поднимать длинную тяжелую колонну с малой скоростью, а легкую колонну — с большой; тем самым мощность двигателя используется более рационально.

В период подъема снаряда двигатель загружается только во время извлечения колонны. Например, на собственно подъем одной свечи затрачивается около 12 — 20 сек, а в течение следующих 30 — 40 сек, затрачиваемых на отвинчивание свечи и установки ее на подсвечник, двигатель работает вхолостую.

При спуске труб двигатель загружается еще меньше.

На глубоком бурении подъемные операции обычно задают большую мощность, чем на собственно бурение; поэтому мощность двигателя для станков глубокого бурения, как правило, подбирают из расчета мощности, необходимой для грузоподъемных операций. При неглубоком бурении мощность на бурение и привод насоса может быть больше мощности, затрачиваемой на подъем.

Во время спуско-подъемных операций лебедка загружается через определенные интервалы и только на незначительное время, поэтому для привода колонковых буровых станков наиболее подходят двигатели, допускающие значительные кратковременные перегрузки. Для станков глубокого бурения целесообразно иметь буровые установки с индивидуальными двигателями для привода вращателя и лебедки.

источник

Силовой привод буровой установки. Характеристика и предъявляемые требования. Правила эксплуатации

Силовым приводом называется совокупность двигателей передающих и регулирующих устройств осуществляющих подвод механической энергии к исполнительным агрегатам, машинам и механизмам.

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы делятся на автономные (не зависящие от системы энергоснабжения) и неавтономные (зависящие от системы энергоснабжения, т. е. с питанием от промышленных электрических сетей). К автономным приводам относятся установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и с газотурбинными двигателями. К неавтономным приводам относятся установки с электродвигателями, питаемыми от сети трехфазного переменного тока. В зависимости от способа привода исполнительных механизмов силовой привод буровой установки может быть одиночным или групповым.

Основные требования, предъявляемые к силовому приводу:

соответствие мощности и гибкости характеристики (т. е. изменение крутящего момента и частоты вращения в зависимости от условий работы исполнительных механизмов), достаточная надежность, долговечность, небольшая масса и экономическая эффективность).

Мощность силового привода — это номинальная установленная мощность всех двигателей N = SNi , где Ni —номинальная мощность двигателя, кВт.

Гибкость характеристик — способность силового привода автоматически или при участии оператора в процессе работы быстро приспосабливаться к изменениям нагрузок и частот вращения исполнительных механизмов.

Мощность, тип и число двигателей, способ передачи энергии и схему компоновки силового привода выбирают с учетом характера и предела изменения рабочих нагрузок.

Режимы работы силовых приводов непостоянны. Различают три режима работы силового привода: пиковые с кратковременными нагрузками и использованием максимальной мощности двигателей (аварийные работы); повторно-кратковременные нагрузки в период СПО; пусковые и длительные режимы, используемые для привода ротора и насосов в процессе бурения.

Пусковые и регулировочные характеристики силовых приводов

Силовой привод с механической трансмиссией имеет пусковые характеристики, которые зависят только от свойств двигателя и муфт сцепления, используемых при кратковременных режимах пусков и остановок. Разгон трансмиссии происходит под нагрузкой при включенной муфте. При этом двигатель преодолевает сопротивления от статического (рабочего) сопротивления, инерционных сил трансмиссии и сопротивления собственных вращающихся частей, т. е. уравнение механического равновесия при переходных процессах имеет следующий вид:

где Мд и Мст — крутящий момент соответственно двигателя и статических сопротивлений; Мид и Мит — моменты инерционных сил вращающихся частей соответственно двигателя и трансмиссии.

Инерционные моменты : Миi = Ioi*εi

Здесь Ioi —момент инерции вращающихся частей двигателя и трансмиссии, Н-м.с 2 ; εi —угловое ускорение валов, рад/с 2 .

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 полевых условиях. Мощность, диапазоны регулирования частоты вращения и вращающего момента выводного вала привода определяются нагрузками и режимом работы приводимых машин и механизмов. При работе на аварийных режимах должна обеспечиваться надёжность. Выбранный привод должен обеспечить сочетание высокой производительности буровой установки с минимальной стоимостью 1 м проходки. Силовой привод должен иметь гибкую (мягкую) характеристику.

21 Система управления буровой установки. Управляющие и исполнительные механизмы.

Системы управления буровых установок обеспечивают взаимодействие, маневренность всех механизмов и выполняют следующие функции:

пуск и остановку двигателей;

включение и выключение трансмиссий, блокирующих двигатели и передающих мощность на буровые насосы, ротор или лебедку;

включение и выключение буровых насосов, лебедки, ротора, механизма подачи, регулирующего тормоза (гидравлического или электрического) и других устройств;

изменение скорости вращения барабана лебедки и ротора;

торможение и растормаживание барабана лебедки;

включение и выключение устройств для свинчивания и отвинчивания бурильных труб;

управление работой клиньев и других механизмов при отвинчивании и установке бурильных свечей в магазин в процессе спуска и подъема колонны;

включение и выключение компрессора, вспомогательной лебедки или насоса, осветительной установки, устройств для очистки и приготовления промывочной жидкости и других вспомогательных механизмов.

Вся система управления состоит из следующих основных устройств:

устройства для подготовки рабочего агента (воздух, жидкость, электроэнергия) и поддержания его параметров;

управляющих устройств для управления исполнительными механизмами (многоходовые краны различных типов, выключатели, реле и так далее);

исполнительных механизмов – пневматических муфт, цилиндров, диафрагм или других устройств, непосредственно осуществляющих функции соединения валов, тормозов и так далее.

Основными исполнительными механизмами системы управления являются муфты сцепления, тормоз, цилиндры пневмораскрепителя, клиновых захватов и др.

Пневматическая система управления. На рисунке 14.1 приведена наиболее распространенная схема пневматического управления буровой установкой. Питание системы рабочим агентом – сжатым воздухом осуществляется двумя компрессорами.

Рисунок 14.1 – Схема пневмоуправления

1 – компрессоры; 2 – обратные клапаны; 3 – регулятор давления; 4 – маслоотделитель; 5 – резервуар; 6 – манометр; 7 – предохранительный клапан; 8 – вентиль; 9 – влагоотделитель и осушитель воздуха; 10 – трубопроводы; 11 – управляющий кран; 12 – вертлюжок; 13 – клапан-разрядник; 14 – муфта сцепления; 15 – регулирующий клапан 16 – цилиндр пневматический

Управляющие пневматические устройства

В качестве управляющих устройств в пневматических системах буровых установок применяют клапанные, золотниковые отсекающие и мембранные регулирующие краны.

Регулирующие краны применяют для устройств, требующих регулирования или поддержания требуемой величины давления воздуха, например, в цилиндрах тормозов, управлении подачей топлива дизелей и др.

В буровых установках управление почти всеми механизмами осуществляется бурильщиком со своего поста, для чего большинство механизмов сосредоточивается на пульте.

Компрессоры. Снабжение сжатым воздухом аппаратов пневматического управления буровыми установками осуществляется от небольших компрессорных станций, устанавливаемых на буровой.

Регулятор давления предназначен для автоматического поддержания необходимого давления в системе пневматического управления.

Механическое управление. Механические системы применяются как местное или дублирующее управление или там, где пневматизация и электроуправление нецелесообразны.

Электрическое управление повышает точность и оперативность цепи управления.

При регулировании одновременно нескольких двигателей их механизмы топливоподачи механически связываются общей системой.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9446 — | 7487 — или читать все.

источник

Документы

23.1. ТИПЫ ПРИВОДОВ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Силовым приводом бурового комплекса называют совокупность двигателей и регулирующих их работу устройств, осуществляющих преобразование топливной или электрической энергии в механическую, управление преобразованной механической энергией и передачу ее к исполнительным органам буровой установки (насосу, ротору, лебедке и др.).

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы подразделяют на автономные (не зависящие от системы энергоснабжения) и неавтономные (зависящие от системы энергоснабжения, т.е. с питанием от промышленных электрических сетей). К автономным приводам буровых установок относят установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а также с газотурбинными установками. К неавтономным приводам относят установки с электродвигателями трехфазного переменного тока.

В зависимости от способа привода исполнительных органов силовой привод буровой установки может быть одиночным или групповым. В силовых приводах можно использовать разные средства искусственной приспособляемости; передаточные механизмы, блокирующие несколько двигателей для передачи энергии на один вал и также входящие в состав силового привода. Характеристики группового привода одновременно должны соответствовать характеристикам нескольких механизмов буровой установки, а характеристика одиночного привода — характеристике только одного механизма.

Потребителями энергии буровой установки являются исполнительные механизмы, обладающие различными характеристиками:

исполнительные механизмы для углубления скважины (буровые и подпорные насосы, роторный стол, вращающий бурильную колонну и долото при роторном бурении); устройства для приготовления бурового раствора и очистки его от выбуренной породы и газа;

исполнительные механизмы для спускоподъемных операций (лебедки главная и вспомогательная); частота вращения барабана главной лебедки при подъеме изменяется от 50 до 600 мин -1 ; для лучшего использования мощности требуется бесступенчатое или ступенчатое регулирование частот вращения; при подъеме бурильных колонн идеальна характеристика постоянного использования всей мощности, т.е. N = иМ = const, ю — угловая скорость барабана; M — крутящий момент;

вспомогательные исполнительные механизмы (компрессоры, водяной насос, механизированные ключи и др.); мощность, потребляемая этими механизмами, составляет 10—15 % мощности, потребляемой главными механизмами.

Основные требования, предъявляемые к силовому приводу: соответствие мощности и гибкости характеристики условиям работы исполнительных механизмов, достаточная надежность, долговечность, небольшая масса и экономическая эффективность.

Под мощностью силового привода подразумевают номинальную установленную мощность всех двигателей N = ZN;; где N — номинальная мощность двигателя, кВт.

Под гибкостью характеристики понимают способность силового привода автоматически или при участии оператора быстро приспосабливаться в процессе работы к изменениям нагрузок и частот вращения исполнительных механизмов. Гибкость характеристики определяется коэффициентом приспособляемости, диапазоном собственного регулирования, частотой вращения валов силового привода и приемистостью двигателей.

Приемистостью называют интенсивность протекания переходных процессов, т.е. время, в течение которого двигатель и силовой привод реагируют на изменение нагрузки.

Коэффициент приспособляемости (или перегрузочная способность) -это отношение кп =Mmax/MH, где Mmax и Мн — наибольший и номинальный крутящие моменты.

Диапазон регулирования частоты вращения — отношение максимальной частоты вращения nmax к номинальной пн.

Если в силовой привод входят и средства искусственной приспособляемости, то его коэффициент приспособляемости кп = кпд кп.т, а диапазон регулирования R = ЯдЯт, где кпд и Rд — коэффициент перегрузки и диапазон собственного регулирования двигателя в пределах устойчивых режимов работы; кп.т и Rx — то же, для средств искусственной приспособляемости, входящих в силовой привод.

Коэффициенты кпд и Rд зависят от типа двигателя и вида используемой энергии (табл. 23.1). Если значения кпд и Rд недостаточны, то применяют средства искусственной приспособляемости, т.е. между двигателями и исполнительным механизмом включают промежуточные гидравлические или электромашинные передачи.

Относительная масса двигателя, или масса, приходящаяся на 1 кВт, влияет на мобильность буровой установки. Относительная масса для двигателей, применяемых в буровых установках, колеблется от 2 до 15 кг на 1 кВт. Практикой бурения установлено, что для тяжелых и мощных буровых установок наиболее подходят двигатели с относительной массой 6-12 кг на 1 кВт.

Экономическую эффективность силовых приводов буровых установок с двигателями разных типов определяют на основании данных эксплуатации или опыта промышленных испытаний установок; экономическая эф-

Значения кпл и R для различных двигателей

ДВС тихоходный (500-750 мин -1 )

ДВС быстроходный (1200- 1700 мин -1 )

Асинхронный электродвигатель Синхронный электродвигатель Газовая турбина двухвальная Газовая турбина одновальная

Комбинированная газовая турбина с двигателем со свободно

Паровой двигатель буровых установок

ДВС быстроходный с турботрансформатором

ДВС с электромашинной передачей постоянного тока

фективностъ зависит от расхода топлива или энергии, смазочных материалов, их стоимости, коэффициента использования мощности первичных двигателей, затрат на уход и обслуживание, транспортирование, монтаж и демонтаж силовых приводов в буровой установке.

В силовых приводах широко используют асинхронные и синхронные электродвигатели трехфазного переменного тока. Преимущество этого вида привода по сравнению с ДВС в том, что обслуживание гораздо проще, и что при снабжении буровых электроэнергией отпадает необходимость в систематическом подвозе топлива, а это особенно затруднительно в районах с суровым климатом и при большой отдаленности буровых.

Недостатки этих двигателей — жесткость характеристики и необходимость применять средства искусственной приспособляемости. В районах, где нет электросетей большой мощности, применяют буровые установки с ДВС. В последнее время для бурения глубоких скважин шире используют приводы с электродвигателями постоянного тока, применяя системы выпрямителей и питание от сетей трехфазного тока.

Выбор мощности, типа и числа двигателей, способа передачи энергии и схемы компоновки всего силового привода зависит от характера изменения рабочих нагрузок. Использование мощности исполнительными механизмами в процессе проводки скважины, характеристики двигателей и средств искусственной приспособляемости при совместной работе с двигателями обусловлено способом и технологией бурения.

В процессе проводки скважины необходимая мощность, частота вращения и крутящие моменты изменяются на всех исполнительных механизмах в широких пределах. Потребляемая мощность и энергия зависят от глубины и диаметра скважины, способа бурения, типа буровой установки, режима работы, климатических условий и др. По мере углубления скважины возрастает расход энергии, затрачиваемой на каждый пробуренный метр скважины, в результате уменьшения скорости механического бурения, увеличения гидравлического сопротивления прокачиванию жидкости и увеличения веса бурильной колонны и объема спускоподъемных операций.

Режимы работы двигателей непостоянны. Различают три режима работы силового привода: пиковых кратковременных нагрузок с использованием максимальной мощности двигателей (аварийные работы); повторнократковременных нагрузок в период спускоподъемных операций бурильных колонн; длительный, который используют для привода ротора и насосов в процессе бурения.

Пригодность двигателя того или иного типа и необходимых средств искусственной приспособляемости для привода буровой установки определяется их характеристиками и технико-экономическими показателями. При выборе типа двигателей, способа передачи энергии к исполнительным органам и при разработке схемы компоновки всего силового привода следует подбирать сочетание характеристик и этих показателей так, чтобы возможно полнее удовлетворить требованиям бурения, монтажа и демонтажа оборудования. В зависимости от этих факторов выбирают схему и конструкцию всех передач, приводящих лебедку, насосы, ротор и другие агрегаты, чтобы обеспечить их наиболее эффективное использование. Для решения этой задачи должны быть известны характеристики основных исполнительных органов, двигателей и трансмиссий.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В буровых установках применяют ДВС, эксплуатируемые на тяжелом топливе или газе. Двигатели, работающие на легком топливе (бензине или керосине), не применяют из-за их неэкономичности.

Соответствие ДВС заданным условиям работы определяется его внешней характеристикой и конструкцией. Внешней, или механической, характеристикой ДВС называют изменение мощности, крутящего момента и расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

ДВС могут работать при изменении массового соотношения количеств воздуха и топлива в сравнительно небольшом диапазоне — от 15:1 («бедная» смесь) до 11:1 («богатая» смесь); этим и объясняется, что крутящий момент, развиваемый этими двигателями, почти постоянен. Работу ДВС регулируют изменением подачи топлива. Если подача топлива ограничена и применяется «бедная» смесь, то частота вращения уменьшается и двигатель не развивает полной мощности; такую характеристику называют частичной.

Приемистость и приспособляемость ДВС определяются конструкцией системы подвода топлива и воздуха, а также моментом инерции вращающихся частей шатунно-поршневой группы. Эту группу быстроходных двигателей облегчают, благодаря чему рассматриваемые двигатели имеют большую приемистость, чем тихоходные. С увеличением коэффициента собственной приспособляемости двигателя возрастает устойчивость его работы при переменных режимах нагрузки, что особенно важно для двигателей, приводящих в движение буровые лебедки.

Обычно в заводской характеристике ДВС указывают его номинальную мощность. Номинальной мощностью ДВС называют мощность нового двигателя, полученную во время заводских стендовых испытаний при определенной (номинальной) частоте вращения пн (точка В на рис. 23.1); при этом двигатель развивает номинальный момент (точка В’) при номинальном расходе топлива (точка В”) и нормальных окружающих условиях (атмосферное давление 760 мм рт. ст., температура воздуха +20 °С, влажность 70 %).

Согласно нормам для подъемной части буровых установок следует использовать режим работы ДВС при котором он развивает 80 % номинальной мощности (точка С) при меньшем расходе топлива (точка С«).

При длительных режимах работы ДВС на приводе насосов и ротора рекомендуют использовать только 60 % номинальной мощности (точка D), что достигается уменьшением подачи топлива, обеспечивающим наиболее экономичный режим работы (точка D”). При форсировании ДВС может развить и большую мощность (точка А). Однако этот режим связан с повышенным расходом топлива (точка А’ ) и снижением момента (точка А) вследствие увеличения внутренних потерь в двигателе. При таком режиме срок службы ДВС резко уменьшается и использование его неэкономично. Недостатком ДВС является то, что их нельзя запускать под нагрузкой — необходимо устанавливать в трансмиссиях муфты, позволяющие включать их на ходу; кроме того, мощность двигателя зависит от давления, температуры и влажности окружающего воздуха.

Тепловая энергия, потребляемая ДВС на буровых, составляет 40 —

Рис. 23.1. Внешние характеристики ДВС:

1 — мощность; Г, Г’ — мощность при работе на частных характеристиках; 2 — крутящий момент; 3 — удельный расход топлива (N/NH, М/Мн, п/пн, у/ун — соответственно относительные мощ

ность, крутящий момент, частота вращения и расход топлива)

60 МДж/ч при КПД, равном 0,25 — 0,35 (в зависимости от конструкции и состояния двигателя), а часовой расход топлива составляет 250 — 350 г/(кВт-ч).

Наиболее широко распространены дизели с наддувом, однако не любой их тип можно использовать в буровой установке. ДВС должен быть приспособлен к работе на переменных режимах и длительной работе на холостом ходу.

Под внешней, или механической, характеристикой электродвигателя подразумевают зависимость крутящего момента от частоты вращения, напряжения, частоты тока и магнитного потока в якоре.

В каталогах указывают номинальные пусковые и рабочие характеристики, т.е. мощность, крутящий момент, скольжение и КПД двигателя при номинальных напряжениях и частоте переменного тока на клеймах двигателя и температуре окружающей среды 20 °С. Так как мощность двигателя определяется температурой нагрева его обмотки, то в зависимости от температуры окружающей среды и условий охлаждения электродвигатель может развивать мощность, отличающуюся от указанной в каталоге.

В буровых установках для привода главных и вспомогательных исполнительных механизмов применяют электродвигатели следующих типов:

асинхронные трехфазного переменного тока с короткозамкнутым или фазным ротором; синхронные трехфазного переменного тока; постоянного тока с разными схемами возбуждения.

Различают три типа внешних характеристик электродвигателей (рис. 23.2):

Рис. 23.2. Внешние характеристики электродвигателей:

1 — синхронного; 2 — асинхронного; 3 -постоянного тока (А, А’ — номинальный момент)

абсолютно жесткая (линия 1) -частота вращения при изменении момента постоянна; такую характеристику имеют синхронные электродвигатели;

жесткая (кривая 2) — с увеличением момента частота вращения уменьшается незначительно; такой характеристикой обладают асинхронные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока параллельного и независимого возбужде-» ния;

гибкая (кривая 3) — при небольшом изменении момента значительно изменяется частота вращения; такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения.

Частота вращения электродвигателя и развиваемый им момент могут изменяться автоматически без воздействия каких-либо внешних регуляторов; в этом случае автоматическим регулятором является противоэлектро-движущая сила самого двигателя.

Естественные характеристики электрических двигателей можно изменять с помощью регулирующих устройств, на которые воздействует оператор; такие характеристики называют искусственными.

При выборе двигателя для силового привода важно знать, как будут изменяться его основные параметры, т.е. крутящий момент M, частота вращения п и мощность N в зависимости от изменения напряжения и частоты тока в питающей сети.

В асинхронных электродвигателях переменного трехфазного тока параметры изменяются по следующим зависимостям.

где — nc = 60f /z — синхронная частота вращения, мин -1 ; f — частота тока (для промышленных сетей f = 50 Гц); z — число пар полюсов.

Крутящий момент M пропорционален квадрату питающего напряжения, поэтому рассматриваемый привод весьма чувствителен к колебаниям напряжения. Максимальный крутящий момент обратно пропорционален квадрату частоты тока сети.

Для силовых приводов буровых установок с питанием от общепромышленных сетей переменного тока при допускаемом колебании напряжения от +5 до — 10 % максимальный момент может уменьшаться до 0,8 номинального, указанного в каталогах. При пуске электродвигателей сила тока увеличивается, а напряжение в сети падает ниже допустимых пределов. В связи с этим асинхронные двигатели должны обладать высокой перегрузочной способностью даже в период падения напряжений и возрас-

Рис. 23.3. Внешние характеристики асинхронных двигателей переменного трехфазного тока:

1, 2 — сила тока и крутящий момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; 3, 3′, 3″, 3′» — относительный момент асинхронного двигателя с фазным ротором; 4 — относительный момент асинхронного электродвигателя с повышенным скольжением (///н — относительная сил.а тока)

тания пусковых моментов даже в период падения напряжений и возрастания пусковых моментов сопротивления при относительно небольшой силе пускового тока, при этом они должны развивать необходимый вращающий момент.

На рис. 23.3. приведены внешние номинальные характеристики электродвигателей переменно

го трехфазного тока. Кривая 1 соответствует изменению силы потребляемого тока, кривая 2 — естественному изменению крутящего момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Пуск такого двигателя производят непосредственно при включении в сеть без промежуточных пусковых устройств. Такие электродвигатели можно применять для привода насосов; для привода лебедки и ротора их используют только с турботрансформаторами или электромагнитными муфтами скольжения и с коробками передач.

Электродвигатель с фазным ротором имеет контактные кольца, что позволяет при пуске вводить ступенчато в цепь ротора добавочные сопротивления, определяющие искусственные характеристики (кривые 3, 3‘, , 3»’ . Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, благодаря чему снижаются пусковой момент и критическое скольжение. Максимальные моменты остаются неизменными (точки В, Bi и В2). Активное сопротивление в роторной цепи регулируют так, что переключение с одной реостатной характеристики на другую происходило при расчетных значениях моментов переключения. По окончании пуска сопротивление в цепи ротора уменьшают, и двигатель далее работает при параметрах, соответствующих двигателю с короткозамкнутым ротором (кривая 2).

При использовании индуктивного сопротивления в цепи ротора, несмотря на некоторое уменьшение максимального момента, получают лучшие результаты. Индуктивное сопротивление выполняет функцию автоматического регулятора силы тока ротора. В начале разгона двигателя, когда частота тока ротора близка к частоте сети, сопротивление дросселя велико и ограничивает силу пускового тока. По мере разгона частота тока в роторе снижается, сопротивление дросселя уменьшается и сила тока в течение всего периода пуска остается примерно постоянной.

В электродвигателях с фазным ротором можно применять системы управления, в которых дроссель насыщения с внутренней обратной связью в сочетании с активными сопротивлениями симметрично включен в цепь ротора.

В процессе пуска индуктивное сопротивление изменяется под влиянием силы и частоты тока ротора, а при автоматическом управлении — еще и под действием силы результативного тока управления. Активные сопротивления в процессе пуска не изменяются. Кривая 4 изменения момента такого двигателя с повышенным скольжением показана на рис. 23.3; точка А характеризует номинальный крутящий момент Мн двигателя с короткозамкнутым ротором, а точка А1 — двигателя с повышенным скольжением. В двигателях с повышенным скольжением ротор короткозамкнутый, что упрощает пусковую аппаратуру; однако КПД такого двигателя значительно ниже, чем некороткозамкнутого.

Синхронный электродвигатель отличается от асинхронного тем, что он снабжен генератором постоянного тока, служащим для намагничивания ротора; благодаря этому ротор вращается синхронно с частотой вращения, пропорциональной частоте тока и обратно пропорциональной числу пар полюсов. Частоту вращения можно регулировать только изменением частоты питающего напряжения; момент, развиваемый двигателем, пропорционален первой степени напряжения; перегрузочную способность двигателя можно повысить увеличением возбуждения. В двигателях станционарного исполнения Mmax = 1,65 MH (точка С на рис. 23.3).

Ротор синхронного двигателя снабжен также короткозамкнутой обмоткой, и его пусковые характеристики определяются пусковой характеристикой этой обмотки ротора, которая придает синхронному двигателю в режиме пуска свойства асинхронного короткозамкнутого двигателя. Эксплуатационные преимущества синхронного двигателя определяются его способностью отдавать в сеть реактивную мощность, необходимую для повышения cos ф. Однако абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя и невозможность пуска под нагрузкой ограничивают его использование. К недостаткам асинхронных двигателей следует отнести также большую силу пускового тока, однако при достаточно мощных промысловых сетях и подстанциях осуществляют прямой пуск этих двигателей. Пусковые характеристики синхронных и асинхронных двигателей аналогичны.

Электродвигатели постоянного тока следует применять в буровых установках для бурения скважин большой глубины, когда к приводу предъявляют требования глубокого и плавного регулирования частоты вращения, точной остановки, повышенной плавности разгона и торможения и других режимов со сложным изменением механической характеристики.

В буровых установках электродвигатели постоянного тока применяют с автономным приводом в сочетании с генераторами постоянного тока, вращаемыми ДВС (электромашинная передача постоянного тока) либо двигатели постоянного тока получают питание через выпрямители от сетей переменного тока.

Частоту вращения двигателей постоянного тока регулируют изменением напряжения в якоре или силы тока возбуждения двигателя. Поскольку для изменения напряжения на зажимах якоря в электромашинной передаче необходимо изменять силу тока возбуждения генератора, управление двигателями постоянного тока осуществляют в цепях возбуждения, т.е. в цепях сравнительно малой мощности.

Характеристики двигателей постоянного тока зависят от способа возбуждения. Различают три основных способа возбуждения двигателей постоянного тока: параллельное, последовательное и комбинированное (смешанное).

На рис. 23.4 приведены внешние характеристики при разных способах возбуждения. При параллельном возбуждении (кривая 1) с изменением нагрузки магнитный поток не изменяется, поэтому пределы регулирования и характеристика определяются сопротивлением цепи якоря. При последовательном (сериесном) возбуждении (кривая 2) магнитный поток зависит от силы тока нагрузки; в этом случае механическая характеристика зависит от магнитного потока и сопротивления в цепи якоря. При смешанном возбуждении (кривая 3) суммарный магнитный поток, действующий в электродвигателе, определяется двумя составляющими: постоянной, создаваемой обмоткой параллельного возбуждения, и переменной, создаваемой обмоткой последовательного возбуждения.

В буровых установках применяют электродвигатели с последовательным или смешанным возбуждением, которые должны отвечать следующим требованиям: частота вращения для привода всех агрегатов 400 —

1200 мин -1 ; диапазон регулирования лебедки и ротора 2 — 3, для привода насосов 1,5 — 2. Мощность одного двигателя для лебедки и насосов 300 — 1000 кВт, для ротора 250 — 700 кВт.

Газотурбинные двигатели (ГТУ) обладают хорошей приемистостью, большой надежностью и высокой естественной приспособляемостью. Газотурбинные двигатели бывают двухвальные, одновальные и комбинированные.

В двухвальном газотурбинном двигателе турбина высокого давления приводит во вращение центробежный компрессор; в силовую турбину низкого давления, находящуюся на отдельном валу, поступает газ из турбины высокого давления. Независимость питания газом этих турбин позволяет изменять характеристику двигателя в широких пределах.

Рис. 23.4. Внешние характеристики электродвигателей постоянного тока с разными способами возбуждения:

1 — параллельным; 2 — последовательным; 3 — смешанным; 4 — КПД двигателя с последовательным возбуждением (п — КПД; А — рабочий диапазон)

В одновальных газовых турбинах компрессор и турбину располагают на одном валу. При увеличении внешней нагрузки снижаются частота вращения и количество газа, питающего турбину, в результате уменьшаются мощность и крутящий момент.

Рис. 23.5. Схемы газотурбинных установок (ГТУ):

а — одновальная; б — двухвальная; в — с генератором и свободно движущимися поршнями; 1, 2

компрессоры низкого и высокого давления; 3

камера сгорания; 4, 6 — трубы низкого и высокого давления; 7 — воздушная камера; 8 — поршень; 9 — камера сжатия

Рис. 23.6. Внешние характеристики (мощность и крутящий момент) ГТУ:

1, 2 — одновальной; Г, 2′ — двухвальной; Г’, 2″ —комбинированной; 3 — номинальный крутящий момент

Комбинированный газотурбинный двигатель состоит из генератора газа со свободно движущимися поршнями и одновальной газовой турбины. Генератор газа имеет поршневой компрессор, поршни которого непосредственно соединены с поршнями двухтактного дизеля. Сжимаемый в поршневом компрессоре воздух через всасывающие окна подается в цилиндр дизеля, куда подводится топливо. Отработанные газы дизеля при большом давлении подаются через продувочные окна в газовую турбину, передающую мощность на исполнительный механизм.

На рис. 23.5 приведены схемы ГТУ, а на рис. 23.6 — их характеристики. Двухвальная ГТУ обладает большим коэффициентом естественной приспособляемости, чем одновальная, и имеет большую приемистость. Одно-вальные ГТУ обладают меньшим диапазоном естественного регулирования. Наибольший диапазон регулирования и высокий коэффициент естественной приспособляемости имеют комбинированные газотурбинные двигатели со свободно движущимися поршнями генератора газа, так как в них питание газом турбины не зависит от ее частоты вращения.

Приемистость газотурбинных двигателей зависит от схемы, конструктивного исполнения и программы регулирования подачи топлива.

Теоретически время переходных процессов можно определить с помощью уравнений термодинамики. Практически для двигателей без регенератора время перехода от холостого хода к полной нагрузке составляет несколько секунд, что вполне приемлемо для двигателя силового привода буровой установки.

Недостаток ГТУ — их низкий КПД. Одно- и двухвальные ГТУ характеризуются эффективным КПД, имеющим более низкое значение (0,12 — 0,27), чем КПД двигателей внутреннего сгорания (0,36-0,38). Комбинированные ГТУ имеют более высокий КПД, чем одно- и двухвальные, и близкий к КПД дизелей (0,35-0,38). На холостом ходу и при незначительных нагрузках КПД одно- и двухвальных установок очень низкий, что служит препятствием для широкого применения их в буровых установках.

23.3. СРЕДСТВА ИСКУССТВЕННОЙ

ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ ДЛЯ ПРИВОДОВ

Естественные характеристики двигателей в большинстве случаев не могут обеспечить пусковую характеристику и диапазон регулирования, требуемые исполнительными механизмами буровой установки. Поэтому используют искусственные средства сближения требуемых характеристик с фактически имеющимися.

Крутящий момент и диапазон регулирования частот вращения лебедки и ротора в буровой установке можно изменять в пределах от 1-4 до 1-10. Ни один из рассмотренных двигателей не обладает такой характеристикой собственной приспособляемости, поэтому в трансмиссиях буровых установок применяют различные устройства искусственной приспособляемости, позволяющие трансформировать крутящий момент и частоту вращения.

Трансмиссии буровых установок можно подразделить на механические нерегулируемые или со струпенчатым регулированием частот вращения и моментов с помощью коробок передач; гидромеханические со ступенчатым или бесступенчатым регулированием частот вращения и моментов с помощью гидропередач и коробок передач; электромеханические со ступенчатым или бесступенчатым регулированием частот вращения и моментов с помощью электродинамических муфт или электромашинной передачи с коробками передач; электрические с бесступенчатым регулированием частот вращения и моментов во всем требуемом диапазоне.

Обозначим индексом 1 вал двигателя, а индексом 2 — ведомый (вторичный) вал трансмиссии. Тогда для любой трансмиссии можно записать следующее.

Коэффициент полезного действия трансмиссии

где M1, M2 — крутящий момент на ведущем и ведомом валах; n1, n2 — частота вращения этих валов.

Отношение u21 = n2/n1 называется передаточным отношением трансмиссии, а отношение моментов k = M2/M1коэффициентом трансформации крутящего момента.

Следовательно, всегда КПД п = ku21.

В любой трансмиссии приложены три крутящих момента: момент двигателя M1, рабочий момент М2 и опорный момент M3. Из условия равновесия трансмиссии алгебраическая сумма трех крутящих моментов равна нулю:

Трансмиссии без внешней опоры (M3 = 0) называют муфтами. Независимо от принципов их действия для них M1 = M2, k = 1, п = u21.

Для трансмиссий, понижающих частоту вращения (редукторов) k > 1, т.е. M2 > M1, опорный момент M3 положителен (совпадает по направлению с M1). При k = 1 и M2 = M1 трансмиссия трансформирует частоту и момент, т.е. превращается в муфту (u21 = п).

Для ускоряющих трансмиссий (мультипликаторов) k 1, M2 > M1, опорный момент отрицателен.

Для трансмиссии — трансформатора, предназначенного для преобразования момента, внешняя опора обязательна.

Трансмиссия является промежуточным звеном между двигателями и исполнительным механизмом и предназначена для приспособления характеристики двигателя к характеристике, требуемой этим органом. При этом следует различать характер изменения нагрузки и частот вращения на исполнительном органе в период длительной работы и периоды пусков и остановок, т.е. режим переменно-кратковременных нагрузок. В зависимости от свойств двигателя соответствующим образом компонуют и трансмиссию.

В буровой установке исполнительные органы работают в разных режимах, как длительных, так и пусковых. Например, для ротора и насосов, пускаемых сравнительно редко, разгонные характеристики не играют большой роли, как для лебедок, работающих при спускоподъемных операциях в очень напряженном режиме повторно-кратковременных нагрузок. Длительно действующие нагрузки в этих исполнительных органах изменяются в процессе работы неодинаково, поэтому для обеспечения наибольшей эффективности процесса каждого исполнительного органа трансмиссия по возможности должна полнее удовлетворять этим требованиям, и необходимо рассматривать как пусковые и тормозные свойства, так и свойства их при длительно действующих режимах.

Механическими называют трансмиссии, передающие движение и энергию от двигателей к исполнительным органам буровой установки и состоящие из валов, различных передач (зубчатых, гибкой связью, муфт и т.д.), не регулирующие автоматически ни момента, ни частот вращения при изменении нагрузки на исполнительном органе установки.

Кинематическую настройку трансмиссий выполняет только оператор. Механические трансмиссии могут обеспечить любой диапазон трансформирования и регулирования частот вращения и крутящих моментов.

Механические трансмиссии можно подразделить на простые и сложные. Простые трансмиссии не регулируют частоты и моменты, а осуществляют только их постоянное трансформирование (например, трансмиссия бурового насоса, схема которой дана на рис. 23.7, а). Сложные трансмиссии обеспечивают трансформацию и регулирование частот и моментов под воздействием оператора. В сложных механических трансмиссиях буровых установок частоты вращения и моменты регулируют только ступенчато при помощи коробок передач (например, трансмиссия привода буровой лебедки, схема которой показана на рис. 23.7, б). Характеристика силового привода на его конечном звене — выходном валу — зависит о сочетания его собственной характеристики с жесткой характеристикой трансмиссии.

Пусковые характеристики механической трансмиссии зависят только от свойств двигателя и муфт сцепления, используемых при кратковременных режимах пусков и остановок.

В отличие от транспортных машин коробки передач в буровых установках нельзя использовать для разгона, так как силы инерции поднимаемой бурильной колонны значительно меньше сил сопротивления, а время переключения коробки передач для изменения скоростей подъема крюка относительно велико.

Если двигатель обладает способностью осуществлять пуск трансмиссии под нагрузкой (паровые машины и электродвигатели постоянного и переменного тока с фазным ротором), то в трансмиссии для соединения валов можно применять жесткие муфты сцепления (зубчатые, кулачковые и др.), которые включают муфты до начала движения; разгон трансмиссии происходит под нагрузкой при включенной муфте. При этом двигатель преодолевает сопротивление от статического (рабочего) сопротивления, инерционных сил трансмиссии и собственных вращающихся частей, т.е. уравнение механического равновесия при переходных процессах имеет вид

где Мд и Мст — вращающий момент двигателя и статического сопротивления; Ми.д и Ми.т — моменты инерционных сил вращающихся частей двигателя и трансмиссии относительно осей вращения.

здесь J0i — момент инерции вращающихся частей двигателя и трансмиссии, приведенной к оси двигателя, Н-м-с 2 ; фi — углы поворота валов, рад; t — время переходного процесса, с.

Рис. 23.7. Схемы трансмиссий силовых приводов:

а — нерегулируемой механической, блокирующей два двигателя привода насоса; б — регулируемой механической с коробкой передач привода лебедки; в — полуавтоматической привода лебедки и насосов; 1 — двигатель; 2 — карданный вал; 3 — опора; 4 — фрикционная муфта; 5 — блокирующая цепная передача; 6 — клиноременная передача привода насоса; 7 — зубчатая передача; 8 — насос; 9, 10 — «быстрая» и «тихая» цепные передачи привода лебедки; 11 — коробка передач; 12 — автоматическое регулирующее устройство

Так как моменты инерции разгоняемых масс двигателя весьма значительны, то потери энергии при пусках могут сильно возрастать. Рациональное распределение инерционных масс между валами двигателя и трансмиссии является важной задачей, особенно для подъемного механизма буровой установки, где пуски и остановки весьма часты.

Для уменьшения вращающихся моментов двигателя при пусках используют разные средства: изменяют пусковую характеристику двигателя или устанавливают между двигателем и трансмиссией фрикционные, электродинамические или гидравлические муфты. В механических трансмиссиях применяют только фрикционные муфты.

В процессе пуска электродвигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с трансмиссией жесткой муфтой, время разгона очень небольшое; при этом возникают большие инерционные моменты, что требует резкого увеличения вращающего момента двигателя и ведет к увеличению силы пускового тока в 4 — 5 раз и более. Для прямого пуска под нагрузкой короткозамкнутые двигатели больших мощностей в буровых установках не применяют.

При пуске трансмиссии от двигателя (асинхронного или синхронного) с постоянной частотой вращения через фрикционную муфту время разгона увеличивается, а требуемый при пуске вращающий момент двигателя меньше, чем в первом случае; возникающие инерционные моменты в трансмиссии могут частично или полностью преодолеваться за счет маховых моментов ротора двигателя, почти не увеличивая его вращающего момента. Однако при жесткой характеристике двигателя и больших вращающихся массах повышаются инерционные нагрузки на муфту, вследствие чего в ней увеличивается работа трения при скольжении во время включения. Для снижения влияния инерционных нагрузок на вращающий момент двигателя при его жестком соединении с трансмиссией применяют асинхронные двигатели с ротором, имеющим фазовую обмотку. В этом случае пуск происходит постепенно благодаря включению в обмотку ротора сопротивлений. При этом инерционные моменты ротора двигателя и трансмиссии, а также статический момент преодолеваются вращающим моментом самого двигателя; время разгона больше, чем в первых двух случаях.

Недостатком системы с фазным ротором является то, что двигатели требуют довольно сложной пусковой аппаратуры, причем улучшаются характеристики только процесса пуска. При рабочем режиме характеристика остается жесткой. При пуске трансмиссии от двигателя с гибкой характеристикой, например ДВС с фрикционной муфтой, угловая скорость двигателя может снижаться, а угловая скорость трансмиссии — плавно увеличиваться. В этот период происходит проскальзывание муфты сцепления. Разгон осуществляется частично за счет вращающего момента двигателя и сил инерции его вращающихся частей.

В определенный момент скольжение муфты прекращается, и дальнейший разгон происходит плавно благодаря увеличению топливной энергии, подводимой к двигателю по команде оператора; трансмиссия не подвергается большим динамическим нагрузкам.

Совместная работа двигателей с механической трансмиссией может обеспечить постоянную трансформацию частот вращения и крутящего момента либо при наличии коробки передач их ступенчатое изменение. На каждой из степеней частоту можно регулировать только за счет диапазона регулирования и коэффициента перегрузки самого двигателя.

Рис. 23.8. График совместной работы механической трансмиссии с коробкой передач и двигателями разных типов (М21 и П21 относительные крутящий момент и частота вращения)

На рис. 23.8 приведены график совместной работы трехступенчатой коробки передач с ДВС при диапазоне регулирования R =1,5, а также кривые крутящего момента Мдвс и Мэд — асинхронного электродвигателя, обладающего практически постоянной частотой вращения. Точки А1, А2 и А3 характеризуют номинальный момент на разных передачах коробки пере

дач. Заштрихованные площади S1, S2 и S3 соответствуют диапазонам изменения нагрузок и частот вращения при ДВС, а площади F1, F2 и F3 — при асинхронном электродвигателе. Кривая Мп = const — идеальная кривая при полном использовании мощности. Как видно на этом графике, ДВС обеспечивает некоторую гибкость силового привода, в то время как асинхронные электродвигатели такими свойствами не обладают, и располагаемая мощность не может полностью использоваться, например, в приводе лебедок, где при подъеме бурильных колонн происходит последовательное уменьшение нагрузки на крюке по мере извлечения колонны из скважины и уменьшения числа поднимаемых свечей.

Полуавтоматической называют механическую трансмиссию, снабженную устройством для автоматического (т.е. без участия оператора) изменения в определенных пределах характеристики силового привода. Схема силового привода такого типа с двумя механически сблокированными двигателями приведена на рис. 23.7, в; между двигателями и фрикционной муфтой установлены устройства 12, автоматически преобразующие его характеристику.

В буровых установках применяют два типа полуавтоматических трансмиссий: 1) трансмиссии, изменяющие только пусковые и кратковременные характеристики; 2) трансмиссии, способные длительно преобразовывать характеристику и обеспечивать гибкость привода при высоком

В первом случае в трансмиссию между двигателями и передачей встраивают автоматически действующую гидравлическую или электродинамическую муфту. При пуске на малых частотах вращения двигателя эти муфты передают незначительный крутящий момент, обеспечивая при этом плавное включение и разгон трансмиссии. Такие муфты также защищают двигатели от перегрузок и внезапных остановок, так как при резком возрастании момента сопротивления на трансмиссии муфта не передает момента вращения, превышающего расчетный. Если на исполнительном механизме перегрузка действует длительно, то двигатели должны быть отключены с помощью фрикционных муфт 4 (см. рис. 23.7, в); в противном случае происходит перегрев муфты, так как вся энергия двигателей превращается в теплоту (п = 0), потому что их КПД обратно пропорционален скольжению.

Во втором случае для преобразования характеристик при длительно действующих режимах в качестве регулирующих устройств (см. рис. 23.7,

в) применяют гидродинамические преобразователи момента, которые встраивают в трансмиссию между двигателем 1 и фрикционной муфтой 4, либо электромашинные передачи. Эти устройства обладают достаточно высоким КПД (п = 0,7^0,9) при широком диапазоне регулирования.

С ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ПЕРЕДАЧАМИ

Совместная работа двигателя с турбомуфтой. Турбомуфта представляет собой агрегат, состоящий из центробежного насоса, колесо которого соединено с валом двигателя, и турбины, соединенной с вторичным (выходным) валом. Момент M2, развиваемый на вторичном валу, пропорционален квадрату угловой скорости ю1 двигателя, поэтому можно считать, что характеристика турбомуфты состоит из двух периодов, соответствующих разгонному и рабочему режимам.

При рабочем режиме трансмиссии угловая скорость двигателя ю2 и момент Мн достигают своих номинальных значений. При этом скольжение электродвигателей обычно составляет 2-4 % (при холостом ходе около 0,5 %). Турбомуфта не передает на вал момент, превышающий расчетный. Значение этого момента зависит также от наполнения муфты жидкостью: при снижении наполнения передаваемый муфтой момент при одинаковом скольжении уменьшается.

Существуют разнообразные конструкции турбомуфт, допускающих регулирование наполнения, однако в буровых установках эти конструкции широкого распространения не получили.

Совместная работа двигателя с турботрансформатором. Турботрансформатор представляет собой турбомашину, которая состоит из центробежного насоса, соединенного с первичным валом двигателя, и направляющего аппарата; последний изменяет направление потока жидкости, выходящего из насоса и турбины. Колесо турбины соединено с выходным (вторичным) валом турботрансформатора. Турботрансформатор является своеобразной коробкой передач с бесконечным числом передач и переменным КПД, так как потери в жидкости, циркулирующей в турботрансформаторе, возрастают с увеличением коэффициента трансформации частоты вращения. Как для любой турбомашины, мощность на ведущем валу турботрансформатора, кВт,

где Х1 — постоянный коэффициент, характеризующий турботрансформатор; р — плотность жидкости, кг/м 3 ; пд — частота вращения первичного вала, мин — 1 ; D — диаметр колеса центробежного насоса, м.

Мощность на вторичном (выходном) валу турботрансформатора, кВт,

здесь пт — КПД турботрансформатора, который зависит от конструктивного исполнения и коэффициента трансформации u21 (передаточного отношения).

Крутящий момент на вторичном валу, Н-м,

где Х2 — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции турботрансформатора.

Двигатель с турботрансформатором представляет собой приводной агрегат с характеристикой, отличающейся от характеристик как двигателя, так и турботрансформатора. Двигатель может обладать частотой вращения вала либо строго постоянной (например, электродвигатель синхронный), либо изменяющейся в некоторых пределах (например, ДВС). При правильном подборе двигателя и турботрансформатора характеристика агрегата более полно удовлетворяет требованиям исполнительных органов буровой установки.

Если пд = const, то в общем случае при изменении частоты вращения пт выходного вала крутящий момент на валу двигателя может несколько изменяться. Это свойство трансформатора называется прозрачностью. Степень прозрачности при пд = const

где МД’ — момент на валу двигателя при пт = 0; МД — момент на валу двигателя при коэффициенте трансформации u21 = 1, т.е. при пд = пт.

В буровых установках применяют турботрансформаторы со степенью прозрачности П = 1,2^1,7.

Для расширения зоны регулирования при высоких КПД можно использовать комплексные турботрансформаторы, объединяющие в себе турботрансформатор и турбомуфту и имеющие два и более направляющих аппарата, или устанавливать после турботрансформатора коробки передач.

Совместная работа трансмиссии двигателя, турботрансформатора и коробки передач. Для исполнительных органов, требующих более широкого диапазона, чем это может обеспечить двигатель с турботрансформатором, в трансмиссии применяют коробку передач (например, в приводах буровых лебедок). В этом случае коробка передач увеличивает рабочий диапазон пропорционально числу передач при высоких значениях КПД. Общий диапазон регулирования такой трансмиссии

где R, Rtt и RKM — диапазон регулирования двигателя, турботрансформатора и коробки передач.

В таких трансмиссиях применение комплексных трансформаторов может быть излишним, так как работа на передачах I, II и III значительно увеличивает общий диапазон регулирования при высоких КПД.

ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромашинный привод постоянного тока представляет собой сложный агрегат, в котором работают совместно ДВС, электрогенератор и двигатель постоянного тока. В буровых установках трансмиссии с электромашинными передачами весьма разнообразны, и с их помощью могут быть получены различные характеристики.

Согласно схеме электромашинной передачи с комбинированным возбуждением и управлением, изображенной на рис. 23.9, а, ДВС 1 приводит во вращение генератор постоянного тока 2, который питает током двигатель 10. Генератор 2 имеет последовательную 3 и параллельную 4 обмотки возбуждения и обмотку 6 для возбуждения напряжения в обмотке 7 двигателя 10, которое регулируется реостатом 8. Контакторы 5 служат для отключения обмоток. Характеристики регулируются в определенных пределах автоматически при постоянной частоте вращения ДВС. При необходимости более глубокое регулирование осуществляют изменением количества топлива, подаваемого в ДВС пневматическим регулятором 9, и изменением возбуждения генератора реостатом 8. Подобное полуавтоматическое регулирование одновременным воздействием и на первичный и на вторичный двигатели позволяет получить характеристику с изменением параметров в более широком диапазоне.

На рис. 23.9, б приведена характеристика электродвигателя постоянного тока, получаемая при регулировании электрических параметров тока возбуждения (напряжения и силы) и частоты вращения первичного вала ДВС. Кривая 2 крутящего момента Мд не совпадает с идеальной кривой 1 при N = const, так как у двигателя постоянного тока, как видно на графике (кривая 3), мощность N переменная.

Рис. 23.9. Электромашпнная трасмпсспя постоянного тока:

а — схема с одновременным регулированием частот вращения ДВС и генератора, а также напряжения возбуждения электродвигателя; б — характеристика электродвигателя постоянного тока электромашинной трансмиссии (М, N и n — крутящий момент, мощность и частота вращения вала двигателя в относительных величинах)

При необходимости расширения диапазона регулирования в трансмиссиях применяют коробки передач; тогда кривые крутящего момента и мощности изменяют аналогично тому, как это происходит в трансмиссиях с турботрансформаторами.

Совместная параллельная работа двигателей. Для обеспечения надежности, увеличения маневренности и повышения коэффициента использования установленной мощности в буровых установках часто применяют групповые или двухдвигательные одиночные приводы.

Электродвигатели (не более четырех) блокируют параллельно или последовательно для передачи мощности на один вал в приводах лебедок или насосов. ДВС блокируют только параллельно (от двух до четырех) в общем приводе всех агрегатов (лебедка, насосы и ротор). Для группового привода необходимо, чтобы каждый двигатель отдавал свою полную мощность. Это условие должно выполняться в процессе работ при различных частотах вращения трансмиссии; однако это условие трудно выполнить, так как внешние характеристики двигателей и устройств, регулирующих их работу, всегда отличаются одна от другой.

Так как привод в процессе бурения работает с разными частотами вращения, то всегда при жестком блокировании суммарная мощность нескольких двигателей не равна сумме их номинальных мощностей.

В один привод не блокируют более четырех ДВС в связи с понижением суммарной мощности.

Если в трансмиссии применяют устройства, допускающие скольжение (электрические муфты, турбопередачи и др.), то частоты вращения каждого двигателя различаются, и суммарная мощность привода в этом случае N = n2N^, где п — КПД устройства, допускающего скольжение.

В случае блокирования жесткой передачи нескольких асинхронных двигателей для передачи их мощности на общий вал происходит их неравномерная нагрузка при одинаковой частоте вращения. Блокирование жесткой передачи синхронных двигателей в буровых установках не применяют, так как один из двигателей всегда будет перегружаться.

Устойчивая работа двигателей трансмиссии обеспечивается в том случае, если на части кривой его характеристики момент двигателя Мд равен моменту сопротивления Мс. Параметры устойчивого режима располагаются в точке пересечения характеристик Мд и Мс.

Муфты предназначены для передачи вращения с одного вала на другой или с вала на свободно сидящую на нем деталь (например, цепную звездочку, зубчатое колесо). Муфты не изменяют значение и направление передаваемого вращающего момента. Ее выбирают по передаваемому вращающему моменту и диаметру соединяемых валов. В буровых машинах и механизмах используют муфты различных конструкций и видов, отвечающие определенным монтажным и эксплуатационным требованиям.

Муфты делят на механические, гидравлические и электромагнитные. Механические муфты по назначению подразделяют на постоянные и сцепные. Постоянные муфты не допускают разъединения валов в процессе работы машины. Для разъединения валов, соединенных постоянными муфтами, и требуется их разборка, которую производят при ремонте и демонта-

же. Сцепные муфты служат для соединения и разъединения валов на ходу или при кратковременных остановках.

постоянного соединения валов применяют неподвижные (глухие) и подвижные муфты. Наиболее просты по конструкции глухие муфты: втулочные со штифтами и со шпонками, фланцевые (по-перечно-сверт-ные) и про-дольно-свертные. Глухие муфты можно использовать при строгой соосности валов. В буровых машинах трудно обеспечить необходимую для установки глухих муфт соосность валов, поэтому в машинах и агрегатах бурового комплекса для постоянных соединений преимущественно используют подвижные муфты, допускающие взаимное смещение валов за счет подвижных элементов муфты. К подвижным муфтам относят жесткие компенсирующие, шарнирные и упругие. Все три типа применяют в буровых машинах.

Из жестких компенсирующих муфт наиболее распространены зубчатые, способные компенсировать незначительные осевые, радиальные и угловые смещения соединяемых валов. На рис. 23.10 показана зубчатая муфта, соединяющая тихоходный вал редуктора с трансмиссионным валом регулятора подачи долота. Муфта состоит из обойм 2 и 5 с внутренними зубьями, находящимися в зацеплении с наружными зубьями втулок 1 и 6. Для снижения потерь на трение и увеличения долговечности зубчатое зацепление работает в масляной ванне, герметизированной прокладкой 4 и войлочными кольцами 7. Отверстие для масла закрывают пробкой 3. Аналогичную муфту применяют во вспомогательных лебедках.

Шарнирные муфты служат для соединения валов, оси которых расположены под большим углом друг к другу, причем в процессе работы угол наклона может изменяться. Шарнирная муфта состоит из двух валов и шарнирно соединенной с ними крестовины. Недостаток шарнирной муфты — неравномерность вращения ведомого вала при равномерном вращении ведущего, если валы установлены несоосно. Для устранения этого недостатка применяют сдвоенные шарнирные муфты с промежуточным валом, образующие в этой комбинации карданную передачу, которую принято называть карданным валом. Карданные валы используют в приводе буровых установок для передачи вращающего момента от гидротрансформатора к суммирующему редуктору, буровым насосам и ротору в тех случаях, когда они располагаются на разных отметках по высоте. Для равномерного вращения ведомого звена необходимо обеспечить параллельность валов, соединяемых карданным валом. В буровых машинах применяют шесть типоразмеров карданных валов:

источник

Читайте также:  Установка трамблера зажигания на 402 двигатели

Добавить комментарий

Adblock
detector