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 N_е, часового G и удельного g_e расхода топлива, температуры Т и коэффициента полезного действия 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

К_М= 100%

коэффициент приспособляемости К_пр = М_М/М_Н;

скоростной коэффициент К_П = п_М/п_Н.

Здесь М_М, n_М— момент и частота вращения в режиме максимального крутящего момента; М_Н, п_Н — момент и частота вращения в режиме номинальной мощности.

Чем больше коэффициенты К_М и К_ПР тем устойчивее работает дизель при изменении внешней нагрузки. Небольшие значения коэффициентов К_М и К_П свидетельствуют об ограниченной способности дизеля к преодолению возрастающих сопротивлений. С увеличением К_П падает мощность дизеля, что обусловливает соответствующее снижение производительности приводной машины. Характеристика такого дизеля приближается к жесткой.

Коэффициент запаса крутящего момента К_М = 5 15% может быть увеличен до 30—40 % при использовании корректора подачи топлива. Скоростной коэффициент К_П = 0,65 0,75 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 6000—7000 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 14—15

Номинальная мощность, кВт 330

Частота вращения, об/мин:

при номинальной мощности 1600

минимально устойчивая 600

Удельный расход топлива, г/(кВтч) 227 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 0,6—0,9

Температура, °С:

воды 60—90

масла 70—90

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 1,5—2 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.