Типы приводов и их характеристики

В настоящее время, используя систему тиристорных выпрямителей, можно значительно проще решать задачу применения двигателей постоянного тока, которые обеспечивают более простую конструкцию трансмиссий, чем при электродвигателях переменного тока и ДВС, дают лучшие качества привода, причем отпадает необходимость подвоза топлива.

Газотурбинные установки (ГТУ)

Газотурбинные установки обладают хорошей приемистостью, большой надежностью и высокой естественной приспособляемостью. Они делятся на одновальные, двухвальные и комбинированные.

В одновальных газотурбинных установках (рис.6, а) компрессор и турбина смонтированы на одном валу. При увеличении внешней нагрузки снижаются частота вращения и количество газа, питающего турбину, в результате уменьшаются мощность и крутящий момент двигателя.

В двухвальных газотурбинных установках (рис. 6, б) имеются две турбины: турбина высокого давления приводит во вращение центробежный компрессор, а силовая турбина низкого давления, находящаяся на отдельном валу, приводит во вращение выходной вал. Она питается газом от турбины высокого давления. Независимость валов этих турбин позволяет изменять характеристику установки в широких пределах.

Комбинированная газотурбинная установка (рис.6, в) 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 окна подается в камеру сжатия цилиндра дизеля, куда подводится топливо. Отработанные газы из камеры дизеля при большом давлении попадают через продувочные окна в газовую турбину, приводящую исполнительный механизм.

Рис. 6. Схемы газотурбинных установок (ГТУ):

1, 2 — компрессоры низкого и высокого давления; 3 —камера сгорания; 4 — регенератор; 5, 6 — турбины высокого и низкого давления; 7 —камера сжатия компрессора; 8 — поршень; 9 — воздушная камера; 10 — вал турбины

Рис. 7. Внешние характеристики ГТУ:

I. 2 — одновальной; 1', 2′ — двухвальной; 1", 2″ — комбинированной; 1 — кривые изменении мощности: 2 — кривые изменения крутящего момента

На рис. 7 приведены внешние характеристики ГТУ различных типов. Как видно из графика, ГТУ с двухвальной турбиной обладает большим коэффициентом естественной приспособляемости, чём ГТУ с одновальной турбиной (кривые 2 и 2') и большей приемистостью. Одновальные ГТУ имеют меньший диапазон естественного регулирования. Наибольший диапазон регулирования и высокий коэффициент естественной приспособляемости имеют комбинированные ГТУ со свободно движущимися поршнями генератора газа (кривые 1" и 2"), так как в них питание газом турбины не зависит от ее частоты вращения и может регулироваться в требуемых пределах. Приемистость газотурбинных двигателей зависит от схемы, конструктивного исполнения и программы регулирования подачи топлива.

Теоретически время переходных процессов определить трудно. Практически для установок без регенератора газа время перехода от холостого хода к полной нагрузке составляет несколько секунд, что вполне приемлемо для двигателя силового привода буровой установки.

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

Для повышения к. п. д. в некоторых случаях, например на буровых судах, применяют комбинированные газопаротурбинные установки (ГПТУ). Первая ступень такой установки работает как газовая турбина и приводит во вращение компрессор, подающий сжатый воздух в эту же турбину, отходящие газы которой поступают в паровой котел. В котле вырабатывается пар, питающий силовую паровую турбину, приводящую исполнительный механизм буровой установки. К. п. д. таких установок 0,38, у них также большой диапазон регулирования частоты вращения.

Существуют и другие пути повышения к. п. д. газотурбинных установок, например использование теплоты отходящих газов для технологических нужд и т. д.

ТРАНСМИССИИ И СРЕДСТВА ИСКУССТВЕННОЙ                           ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ СИЛОВЫХ ПРИВОДОВ

Типы трансмиссий

Естественные характеристики двигателей в большинстве случаев не могут обеспечить требуемые пусковую характеристику и диапазон регулирования частоты вращения. Например, крутящий момент и диапазон регулирования частоты вращения лебедки и ротора в буровой установке требуется изменять в пределах от 1—4 до 1—10. Ни один из рассмотренных двигателей не обладает такой характеристикой естественной приспособляемости; поэтому в трансмиссиях буровых установок применяют различные устройства искусственной приспособляемости, позволяющие трансформировать крутящий момент и частоту вращения в зависимости от нагрузки. Поскольку трансмиссия — промежуточное звено между двигателями и исполнительным механизмом, ее используют для приспособления характеристики двигателя к характеристике механизма.

Трансмиссии буровых установок можно разделить на: нерегулируемые и регулируемые механические; полуавтоматические — механогидравлические или механоэлектрические; автоматические — комбинированные механогидравлические и механоэлектрические.

Нерегулируемые механические трансмиссии (рис. 8, а) — это трансмиссии, передающие движение и энергию от двигателей к исполнительным механизмам буровой установки и состоящие из валов, различных передач (зубчатых, гибкой связи, муфт и др.), не регулирующих автоматически ни момент, ни частоту вращения при изменении нагрузки на исполнительном механизме установки. Кинематическую настройку трансмиссий выполняет только оператор. Механические трансмиссии могут обеспечить любую требуемую величину коэффициента трансформации частоты вращения и крутящего момента.

Регулируемые механические трансмиссии (рис. 8, б) обеспечивают трансформацию и регулирование частоты вращения и моментов с помощью оператора. В этих трансмиссиях частота вращения и моменты регулируются только ступенчато при помощи коробок передач. Характеристика силового привода на его конечном звене — выходном валу — зависит от сочетания естественной характеристики двигателя с характеристикой трансмиссии.

Полуавтоматической трансмиссией называется механическая трансмиссия, снабженная устройством, изменяющим в определенных пределах без участия оператора характеристики двигателей привода. На рис. 8, в приведена схема такой трансмиссии силового привода с двумя механически соединенными двигателями. Между двигателями и фрикционной муфтой установлено устройство 10, автоматически преобразующее его характеристику.

Рис. 8. Схемы различных типов трансмиссий силовых приводов:

I — двигатель; 2 — карданный  вал; 3 — фрикционная муфта; 4 —  опора; 5 — цепная передача; 6 —  клиноременная передача привода насоса; 7 —коробка передач; 8 —муфта сцепления; 9 — зубчатая передача; 10 — автоматическое регулирующее устройство

В буровых установках применяют полуавтоматические трансмиссии двух типов: механогидравлические, в которых в качестве преобразующего устройства используются гидродинамические муфты, и механоэлектрические, в которых используются электродинамические муфты скольжения. Этот тип трансмиссий служит для улучшения пусковых характеристик двигателей, кратковременного изменения частоты вращения или сглаживания неравномерностей вращения. К. п. д. этих муфт пропорционален их скольжению, поэтому при большом скольжении выделяется большое количество тепла и длительность работы в таком режиме ограничивается возможностями теплоотвода. Эти трансмиссии не трансформируют крутящие моменты.

Комбинированными механогидравлическими или механоэлектрическими трансмиссиями (рис.8, г) называют трансмиссии, в которых осуществляется как бесступенчатая, так и ступенчатая трансформация частоты вращения и крутящих моментов. Такие трансмиссии включают гидро- или электродинамические муфты или чаще турботрансформатор, обеспечивающий бесступенчатое регулирование, и коробку перемены передач для ступенчатого изменения частоты вращения и моментов. Тот или иной тип трансмиссии применяется в зависимости от требуемого диапазона регулирования.

Для любой трансмиссии коэффициент полезного действия

η= M2n2 /M1n1 , где М1 и М2 — крутящие моменты на ведущем и ведомом валах; n1 и n2 — частоты вращения валов.

Отношение u21 = n2 / n1 называется передаточным отношением трансмиссии, а отношение k=M2/M1 — коэффициентом трансформации крутящего момента. Следовательно, всегда η = ku21.

В любой трансмиссии приложены три крутящих момента: момент двигателя M1, рабочий момент М2, т. е. момент сопротивления, и опорный момент М3, воспринимаемый опорой корпуса или станины. Из условия равновесия трансмиссии алгебраическая сумма трех крутящих моментов равна нулю:

M1 + М2 + М3 = 0. 

Трансмиссии без внешней опоры (М3=0) называются муфтами. Независимо от принципов их действия для них М1=М2 , k=1; η= u21. Муфты снижают частоту вращения ведомого вала за счет скольжения.

Для трансмиссий, понижающих частоту вращения (редукторов) k>1, т. е. М2>М 1, опорный момент М3 положителен (совпадает по направлению с M1).

Для ускоряющих трансмиссий (мультипликаторов) k<1; u21 > 1; М2<М1 опорный момент отрицателен.

Для трансмиссии-трансформатора, предназначенного для преобразования момента и частоты вращения, внешняя опора обязательна.

В буровой установке исполнительные механизмы работают в различных режимах, как длительных, так и пусковых. Например, для ротора, пускаемого сравнительно редко, разгонные характеристики не играют такой роли, как для лебедок, работающих при спускоподъемных операциях в очень напряженном режиме повторно-кратковременных нагрузок, или насосов во время восстановления циркуляции после остановок. Длительно действующие нагрузки в этих исполнительных механизмах не являются стабильными и меняются в процессе работы неодинаково. Поэтому для обеспечения наибольшей эффективности процесса каждого исполнительного органа трансмиссия по возможности должна полнее удовлетворять требования пусковых, тормозных и длительно действующих режимов.

Рис. 9. Характеристики механических трансмиссий

Представим себе бесступенчатую идеальную (η =1) трансмиссию при работе двигателя на строго постоянном режиме при всех вариантах нагрузки на вторичном валу. Характеристика такой трансмиссии представляет собой равностороннюю гиперболу (кривая 1 на рис. 9). При заданном значении k необходимое передаточное отношение u21 зависит от момента М2 на вторичном валу трансмиссии. Для нерегулируемой механической трансмиссии с =1 (точка с на линии 3) передаточное отношение u21>u'21. Здесь u'21 — передаточное отношение для любой реальной бесступенчатой трансмиссии с постоянным к. п. д. (η <1), характеристика которой (кривая 2) проходит ниже кривой 1.

Для механической ступенчато регулируемой трансмиссии с коробкой передач общий диапазон регулирования частоты вращения R будет от umax до umin (кривая 3, точки а, с, d). Если для автоматической идеальной трансмиссии диапазон бесступенчатого регулирования будет от точки а до точки b (кривая 1), то для комбинированной трансмиссии он будет от точки а до точки d при η <1 (кривая 2).

В буровой установке исполнительные механизмы работают в различных режимах, как длительных, так и пусковых. Например, для ротора, пускаемого сравнительно редко, разгонные характеристики не играют такой роли, как для лебедок, работающих при спускоподъемных операциях в очень напряженном режиме повторно-кратковременных нагрузок, или насосов во время восстановления циркуляции после остановок. Длительно действующие нагрузки в этих исполнительных механизмах не являются стабильными и меняются в процессе работы неодинаково. Поэтому для обеспечения наибольшей эффективности процесса каждого исполнительного органа трансмиссия по возможности должна полнее удовлетворять требования пусковых, тормозных и длительно действующих режимов.

 

 

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

Если при пуске двигатель обладает способностью привести в движение трансмиссию 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 пр.), которые включают до начала движения. 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:

Мд - Мст - Мид - Мит = 0, 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 =I0iei 

Здесь I0i — момент инерции вращающихся частей двигателя и трансмиссии, Н×м×с2; ei — угловое ускорение валов, рад/с2.

Так как моменты инерции разгоняемых масс двигателем 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 момента сопротивления при пусках двигателя с механической трансмиссией либо изменяют характеристику двигателя (например, в двигателях постоянного тока изменяют ток возбуждения), либо при ДВС включают в трансмиссии фрикционные муфты и одновременно увеличивают подачу топлива.

На рис. 10 приведены пусковые характеристики силовых приводов с механическими трансмиссиями. На рис. 10, б показано изменение моментов при пуске механической трансмиссии от двигателя с жесткой характеристикой (например, асинхронного электродвигателя).

Рис. 10. Графики изменения характеристик двигателей с                                                  механической трансмиссией при пуске: