Техническая характеристика стационарного газотурбинного двигателя аи – 23сг

Тип двигателя Газотурбинный со свободной силовой турбиной

Частота вращения ротора, об/мин:

Турбокомпрессора (9000 – 14600) 150

Свободной турбины (8000 – 11000) 120

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 3650 5

Ширина без выхлопных труб 760 5

Высота 975 5

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 5—10 % 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 к приращению частоты вращения ;

.

Рис.15.4 Естественная механическая характеристика электродвигателей.

1. Синхронный двигатель абсолютно жёсткий.

(α = ∞ , Δn=0.)

2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

3. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.

(α=10÷40, 2 и 3- характеристики жёсткие).

4. Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением.

5. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.

( 4 и 5 α ≤ 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 ( = 0, = ). Линейная часть характеристики асинхронного двигателя (кривая 2) и характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (кривая 3) относятся к жесткой ( 10 40). Характеристика двигателя с большим падением частоты вращения, у которого <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.,%		Момент инерции ротора, кг м^2	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.

ω =

Т ехническая 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 М_Н, соответствующий номинальному режиму, называется номинальным моментом. Отношение максимального момента М_М к номинальному М_Н 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 100—120 и числом реверсов 10—20 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.

П ривод 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.

ω =

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., %		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 cos . Это достигается регулированием тока возбуждения. При неизменном токе возбуждения повышение нагрузки на валу двигателя вызывает некоторое уменьшение соs .

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 соs =1 и способность улучшать cos 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.

ω= ω =

в) Регулирование двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением.

ω =

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

Р ис.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 2—5 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).

Н аклон 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 М_К 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 М_К, 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/ n .

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 возбуждением—резкое 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.