ВЕРХНИЙ СИЛОВОЙ ПРИВОД БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Область техники
Полезная модель относится к области электромашиностроения и может быть использована в асинхронных электрических двигателях для верхнего силового привода (далее ВСП) на установках, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин.
Уровень техники
Известны асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и частотным регулированием скорости вращения вала двигателя - патент RU 90942, заявка 2009133948, 11.09.2009 опубл. 20.01.2010 Н02К 1/00 «Устройство эксплуатационного контроля нагрева и защиты электродвигателей, заявка RU 2012131783/07, 24.07.2012, опубл. 10.02.2014, Н02К 1/00 «Асинхронный электродвигатель, с высоким КПД», патент RU 98643, заявка №2010125114, 17.06.2010, опубл. 20.10.2010, Н02К 17/00 «Трехфазный асинхронный двигатель».
Упомянутые асинхронные электродвигатели двигатели (далее двигатели) работают в обычных условиях - низкий уровень взрывоопасности, горизонтальная установка вала двигателя, умеренный диапазон температур окружающей среды, низкий уровень вибрации. Поэтому такие конструкции двигателей невозможно использовать в составе ВСП на установках, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин, так как там существуют жесткие специфические условия эксплуатации.
К таким условиям относятся следующие:
- двигатель по габаритным ограничениям устанавливают на ВСП вертикально, что создает дополнительные осевые нагрузки на подшипники вала ротора (помимо радиальных нагрузок);
- при работе двигателя возникают критические ситуации (зависящие от специфики режима бурения скважины), при которых необходимо быстро изменять параметры работы двигателя, например, повторно-краткосрочные режимы с регулированием частоты вращения вала, частые старты и реверсивные режимы, рекуперативные торможения, динамические режимы с большим количеством пусков в единицу времени;
- эксплуатация двигателя происходит в зоне повышенной взрывоопасности, характеризующейся выделением горючих газов, паров легковоспламеняющихся жидкостей, которые образуют с воздухом взрывоопасные смеси;
- двигатель эксплуатируют в широком диапазоне температур (от -55 до +45°С), что требует дополнительной терморегуляции обмоток и при необходимости, - применения антиконденсатных обогревателей;
- двигатель эксплуатируют на открытом воздухе и он должен быть защищен от попадания внутрь пыли, конденсата и струй воды, падающих под любым углом;
- двигатель эксплуатируют в условиях повышенной вибрации и ударных нагрузок, свойственных буровым установкам;
- двигатель должен обеспечивать плавное снятие "пружины" с бурильной колонны.
Известен электродвигатель для буровых установок серии YJ (Интернет, сайт http://www.neftegazprogress.ru/China/EYU/ed4bur_oil.html). Он представляет собой короткозамкнутый асинхронный электродвигатель с регулировкой частоты и скорости, используемый в качестве двигателей шламовых насосов, буровых роторов или буровых лебедок электроприводных буровых установок переменного тока. Двигатель имеет взрывобезопасное исполнение, в его кожухе расположены статор, вал с ротором и подшипниками, обогреватель, датчик давления, вспомогательные датчики, вентилятор воздушного охлаждения, клеммную коробку с выводами силовых проводов. Это техническое решение принято в качестве прототипа.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- большие габаритные размеры в поперечной плоскости из-за размещения вспомогательного двигателя системы воздушного охлаждения на боковой поверхности двигателя;
- невозможность работы двигателя в вертикальном положении из-за горизонтального расположения опор (лап) двигателя и применения опорных подшипников вала ротора, рассчитанных на радиальную нагрузку (свойственных работе этих двигателей в приводах шламовых насосов, буровых роторов и т.п.);
- возможность так называемого "опрокидывания" из режима работы двигателя в режим генератора при принудительном обратном вращении ротора (режим снятия пружины бурильной колонны) и вывод из строя системы управления и питания;
- невозможность высокоточного (поградусного) поворота вала ротора и удержания (фиксации вала) в заданном по углу поворота положении.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в обеспечение возможности работы верхнего силового привода при перемещениях упомянутого двигателя вверх-вниз через узкую зону, в которой работает верховой рабочий. Заявляемый результат может быть достигнут за счет вертикального расположения в верхнем силовом приводе асинхронного электродвигателя при уменьшении его габаритных размеров по ширине.
Раскрытие полезной модели
Верхний силовой привод буровой установки, в приводе редуктора которого смонтирован асинхронный электродвигатель со статором и установленным на валу ротором с подшипниками, датчики, электродвигатель с вентилятором охлаждения воздуха, клеммная коробка, выполненная с возможностью связи с источником питания и управления, который отличается тем, что корпус асинхронного электродвигателя состоит из нижней части, верхней части и защитного корпуса с воздухозаборными решетками и жалюзи, причем нижняя часть упомянутого корпуса снабжена фланцем с плоской поверхностью для установки асинхронного электродвигателя в вертикальное положение, а верхняя часть корпуса выполнена с возможностью монтажа в ее торцевой части электродвигателя с радиальным вентилятором охлаждения воздуха и кожухом с рукавом, соединяющим его с нижней частью корпуса, при этом защитный корпус с воздухозаборными решетками и жалюзи, к которому примыкает упомянутый кожух выполнен с возможностью установки в нем гидравлического тормоза с противодействующими поршнями и инкрементного фотоэлектрического датчика скорости, который выполнен с возможностью связи через клеммную коробку с источником питания и управления.
Осуществление полезной модели
Предлагаемая полезная модель поясняется рисунками. На фиг. 1 изображен общий вид двигателя в рабочем вертикальном положении, на фиг. 2 - составные части двигателя.
Двигатель включает в себя корпус 1, в котором расположены в сборке статор, вал с ротором, опорные подшипники 2 и 3; электродвигатель с радиальным вентилятором воздушного охлаждения 4 и кожухом с рукавом 5; клеммную коробку 6; дисковый гидравлический тормоз 7 с двумя блоками противодействующих поршней с противоположных сторон диска, инкрементный фотоэлектрический датчик скорости (энкодер) 8, размещенные внутри защитного корпуса с воздухозаборными решетками 9 и жалюзи 10. В нижней приводной части корпуса двигателя установлен фланец 11 с плоской поверхностью и отверстиями для крепления. Клеммная коробка 6 выполнена с двумя противоположными панелями подключениями 12.
Электродвигатель с радиальным вентилятором воздушного охлаждения 4 расположен в верхней части корпуса 1 двигателя, соосно с осью вала ротора по схеме "наездник". Такая компоновка позволяет уменьшить поперечный размер двигателя в сборе, увеличить его длину, что удовлетворяет габаритным требованиям ВСП. На конце вала ротора, с неприводной стороны двигателя, размещены (соосно валу ротора) гидравлический тормоз 7 с двумя блоками противодействующих поршней и инкрементный фотоэлектрический датчик скорости 8. В клеммной коробке 6 закрытой конструкции с уровнем механической защиты IP55 расположены электрические подключения питания статора, термозащиты обмоток, обогревателей обмоток статора, в том числе и датчика скорости 8.
В лобовых частях обмотки статора и в подшипниковых узлах установлены термоэлектрические преобразователи (на рис. не показаны), осуществляющие при работе двигателя функцию защиты при превышении предельно допустимой температуры. Электрические подключения термоэлектрических преобразователей выведены в клеммную коробку, связанную с источниками питания и управления.
Для исключения конденсатообразования при длительных остановках двигателя, он снабжен ленточными электронагревателями (на рис. не показаны), выполненными во взрывозащищенном варианте. Они расположены на лобовых частях обмотки статора, их электрические подключения выведены в клеммную коробку, связанную с источниками питания и управления. Двигатель работает следующим образом.
Ротор и статор электродвигателя постоянно охлаждаются воздухом (для соответствия условиям взрывобезопасности), подводимым с помощью вентилятора из безопасной зоны через решетки 10 и с помощью рукава кожуха 5 подаваемым внутрь корпуса 1 двигателя. Жалюзи 10 с решетками, размещенные в защитном корпусе 9, обеспечивают защиту внутренней полости (дискового тормоза 7, энкодера 8) от механических частиц и струй воды. Клеммная коробка 6 имеет две панели подключения 12 справа и слева, что позволяет устанавливать двигатели зеркально друг другу на ВСП и обеспечивать симметричное электрическое подключение. Радиально-упорные подшипники 2 и 3 обеспечивают восприятие радиальных нагрузок, обусловленных несоосностью сопрягаемых деталей привода, и, дополнительно, осевых нагрузок, возникающих от сил зацепления косозубых шестерен в редукторе ВСП. Фланец 11 позволяет установить двигатель вертикально и присоединить его к крышке редуктора. Сигналы с энкодера 8 точно позиционируют вал электродвигателя (бурильную колонну) с помощью системы управления. Дистанционно-управляемый дисковый гидротормоз накладывают на вал ротора электродвигателя и он удерживает бурильную колонну от вращения при выключенном питании электродвигателя. С помощью плавного режима торможения обеспечивает снятие "пружины" с бурильной колонны по окончании действия крутящего момента. Указанные решения позволят получить новые технические результаты, а именно, разместить электродвигатель на ВСП с учетом компоновочных требований, повысить надежность конструкции двигателя и обеспечить его функционирование в составе ВСП, в соответствии с требованиями к буровой установке.
Технический результат полезной модели достигается тем, что вентилятор вместе с электродвигателем привода вентилятора выполнен по схеме "наездник" и установлен на валу ротора соосно с ним; с противоположной стороны выходного конца вала двигателя установлен дисковый гидравлический тормоз с противодействующими поршнями и инкрементный фотоэлектрический датчик скорости, связанный через клеммную коробку с источником питания и системой управления, при этом нижняя часть корпуса двигателя выполнена в виде фланцевой поверхности с отверстиями под крепеж для вертикальной установки на ВСП, а опорные подшипники двигателя с радиального заменены на радиально-упорные.
Промышленная применимость
Полезная модель будет использована в асинхронных электрических двигателях для верхнего силового привода на установках, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин.