Трансмиссионная система для привода насоса

011575 Область технического применения Настоящее изобретение относится к трансмиссионным системам для обеспечения привода от первичного двигателя к рабочему агрегату. В частности, изобретение относится к трансмиссии, используемой для приведения в действие насосов, главным образом применяемых при разведке месторождений и добычи нефти и газа, для выполнения операций гидравлического разрыва пласта и цементирования. Предпосылки создания изобретения В процессе выполнения нагнетательных операций для гидравлического разрыва пластов в нефтяных или газовых скважинах часто необходимо нагнетать текучие среды в нисходящую скважину с поверхности при высоких давлениях и расходах. В зависимости от скважины и конкретной выполняемой операции может возникнуть необходимость в создании превышения величины давления, составляющей 12000 лошадиных сил, для преодоления давления скважины при желаемом объемном расходе. В типичных случаях компоновки насосов для гидравлического разрыва пластов используют несколько насосов, каждый из которых обычно оснащен дизельным двигателем в качестве первичного привода для трехцилиндрового насоса высокого давления или пятицилиндрового поршневого насоса, подсоединенного посредством трансмиссии, обеспечивающей от пяти до семи скоростей. Каждый насос обычно создает давление, составляющее от 1500 до 2000 лошадиных сил в зависимости от типа и размера установленного двигателя. Значительные операции по гидравлическому разрыву пластов могут потребовать применения более 16 насосных агрегатов по месту нахождения скважины, чтобы отвечать требованиям, касающимся мощности нагнетания, и обеспечивать дублирование в случае выхода из строя отдельных агрегатов. Вследствие природы скважин часто необходимо начинать выполнение нагнетательной операции с противодействия тому давлению, которое существует в скважине. Это, как известно, приводит к появлению значительных напряжений в трансмиссии насоса и иногда вызывает ее поломку. В том случае, когда в течение выполнения операции происходит поломка действующего насоса,требуется дублирующий агрегат, который взял бы на себя его функцию. При этом дублирующий насос необходимо будет запустить из состояния покоя с противодействием высокому давлению. Для этого операторы должны установить определенную скорость двигателя и включить желаемую передачу. Трансмиссии, которые обычно используют, оснащены гидротрансформатором, обеспечивающим получение ограниченной величины скольжения между скоростью двигателя и скоростью насоса. Однако агрегат будет выдерживать работу с таким внутренним скольжением за весьма ограниченный промежуток времени. Иногда при нагнетании требуется увеличить полный объемный расход. В большинстве случаев это может быть выполнено только посредством изменения передач трансмиссии некоторых насосов либо посредством запуска других насосов. Все из вышеупомянутых операций приводят к созданию значительного напряжения в трансмиссионных системах, насосах и двигателях, что может привести к ненадежности и пониженному сроку службы. Типичные насосы, используемые для цементирования или гидравлического разрыва пластов, обычно оснащают пятиступенчатой автоматической трансмиссией для обеспечения полного расхода насоса или полного входного крутящего момента насоса. Недостаток этой системы заключается в том, что для нагнетания под давлением двигатель должен иметь скорость пикового крутящего момента при переключении трансмиссии для повышения или понижения передачи, а это приводит к повреждению дисков трансмиссии. Альтернативой по отношению к этому типу трансмиссии является обычная гидростатическая трансмиссия, содержащая насос с изменяемым объемом, приводимый в действие посредством двигателя,и гидравлический мотор, приводимый в действие посредством этого насоса. Такие системы обеспечивают приводной механизм без зубчатой передачи, который постоянно преобразует мощность двигателя в гидравлическую мощность. Эти системы широко используют при конструировании механизмов вследствие того, что они превосходно обеспечивают изменение скорости. Однако гидростатической трансмиссии свойственны определенные проблемы, которые делают ее неприемлемой для нагнетательных систем,например ограниченный диапазон низкой скорости/крутящего момента и узкий диапазон переключения. Гидростатическая трансмиссия представляет собой одну из форм бесступенчато-регулируемой трансмиссии. Бесступенчато-регулируемая трансмиссия позволяет избежать некоторые из проблем переключения передач, свойственных обычной автоматической коробке передач, посредством возможности получения любого отношения подводимой мощности и отводимой мощности. Хорошо известно использование механических бесступенчато-регулируемых трансмиссий в автомобилях. Расширение конструкции бесступенчато-регулируемой трансмиссии, иногда известное как трансмиссия с бесконечным регулированием, обеспечивает возможность приведения в движение транспортного средства такой трансмиссией как назад, так и вперед. Входную мощность трансмиссии делят на два вала, при этом один из них соединяют с планетарной группой шестерен, а другой - с бесступенчаторегулируемой трансмиссией. Выход от бесступенчато-регулируемой трансмиссии соединен с другой группой планетарных шестерен. Шестерня, которая не отбирает мощность от двигателя или бесступен-1 011575 чато-регулируемой трансмиссии, передает крутящий момент на выход трансмиссии. Планетарная группа шестерен действует в качестве механической добавочной машины для вычитания одной скорости из другой или ее прибавления. В гибридных автомобилях также используют планетарные шестеренные системы для возможности соединения обоих источников энергии с трансмиссией транспортного средства. Цель настоящего изобретения заключается в создании трансмиссионной системы, имеющей преимущества бесступенчато-регулируемой трансмиссии и эффективно используемой в системе привода насоса. Содержание изобретения Один из аспектов изобретения содержит трансмиссионную систему для использования в насосной системе, содержащей первичный двигатель для приведения в действие насоса, содержащую планетарную систему шестерен, содержащую солнечную шестерню, неподвижное зубчатое колесо и планетарную шестерню, находящуюся в зацеплении между солнечной шестерней и зубчатым колесом, основной входной привод, приводимый в действие первичным двигателем, вспомогательный входной привод, приводимый в действие первичным двигателем, выходной привод для приведения в действие насоса, при этом основной входной привод соединен с солнечной шестерней, вспомогательный входной привод соединен с неподвижным зубчатым колесом и выходной привод проходит от планетарной шестерни, или вспомогательный входной привод соединен с планетарной шестерней и выходной привод проходит от неподвижного зубчатого колеса. Посредством соединения основного и вспомогательного входных приводов подобным образом планетарная шестеренная система действует так, чтобы механически добавлять или вычитать два привода и,следовательно, обеспечивать любое отношение входной мощности к выходной мощности в соответствии со скоростью и направлением каждого привода. Изменения отношения могут быть выполнены без какихлибо жестких физических ударов по отношению к трансмиссионной системе, первичному двигателю или насосу. Планетарная система обычно содержит несколько шестерен, установленных на водиле, при этом вспомогательный входной привод или выходной привод соединен с водилом. Предпочтительно, чтобы вспомогательный входной привод действовал в переднем или обратном направлениях. Другой аспект изобретения содержит насосную систему, имеющую основной двигатель для приведения в действие насоса посредством вышеописанной трансмиссионной системы. Основной и вспомогательный входные приводы могут быть механическими или гидравлическими. Предпочтительно, чтобы между основным двигателем и трансмиссионной системой был установлен гидротрансформатор. Предпочтительно, чтобы насос представлял собой трехцилиндровый или четырехцилиндровый насос для использования при выполнении операций гидравлического разрыва пластов, цементирования или установки спирального трубопровода. Краткое описание фигур Фиг. 1 изображает схему трансмиссионной системы согласно варианту осуществления изобретения; фиг. 2-5 представляют схематические виды различных вариантов осуществления изобретения. Варианты осуществления изобретения Цель изобретения заключается в обеспечении плавной передачи мощности и/или крутящего момента между первичным двигателем (например, дизельным двигателем, электрическим двигателем) и насосом, причем с возможностью получения сборочным узлом полной мощности и/или полного крутящего момента независимо от скорости. Базовая конструкция системы согласно изобретению основана на одиночном разделенном входе с использованием планетарной зубчатой передачи в качестве дифференциального механизма, при этом один дифференциальный выход использован для приведения в действие насоса, а второй дифференциальный выход соединен с механизмом регулирования скорости (вспомогательный привод), так что этот второй выход в действительности представляет собой вход, и дифференциал действует таким образом,чтобы объединить два выхода, а не разделять один вход на два выхода. Таким образом, основной входной привод (дизельный двигатель или электрический двигатель) может работать с постоянной скоростью на скорости максимального крутящего момента и приводить в действие насос от 0 об./мин до максимального числа оборотов в минуту без необходимости использования шестерен ступеней передач. Это позволяет запускать агрегат из состояния покоя и постепенно увеличивать скорость насоса до желаемого рабочего значения без какого-либо проскальзывания или переключения передач и сохранять постоянную скорость первичного привода. Приемлемый планетарный шестеренный передаточный механизм состоит из солнечной шестерни,планетарной шестерни, неподвижного зубчатого колеса и двух или более водил, которые составляют планетарную передачу. При обычной работе планетарной шестеренной системы посредством выбора каких-либо двух компонентов, например входа или выхода от солнечной шестерни, неподвижного зубчатого колеса и водила планетарной шестерни, и сдерживания остающегося одного компонента планетарную шестеренную систему используют в качестве понижающей или ступенчатой передачи. В системе-2 011575 согласно изобретению вход или выход задают в этом месте сдерживания. Дифференциальную передачу обеспечивают посредством разделения или объединения входа и выхода. На фиг. 1 представлена схема трансмиссионной системы согласно варианту осуществления изобретения для использования при приведении в действие насоса, предназначенного для выполнения операции возбуждения нефтяной скважины. Привод от первичного двигателя D (дизельного двигателя) проходит к солнечной шестерне 10 планетарной трансмиссионной системы. Привод от первичного двигателя D также проходит к входному концу 12 вспомогательной приводной системы А через соответствующее соединение 14. Вспомогательный привод А в варианте осуществления конструкции согласно фиг. 1 представляет собой гидростатическую трансмиссию (гидравлический насос/мотор), при этом входной привод 12 от первичного двигателя D используют для приведения в движение насоса 16 гидростатической трансмиссии, который, в свою очередь, обычным образом используют для приведения в движение двигателя 18 гидростатической трансмиссии. Выходной конец вспомогательного привода А обеспечивают приводным соединением 20, которое, в свою очередь, проходит к зубчатому колесу 22 планетарной трансмиссионной системы. Выходной вал 24 соединен с водилом 26 планетарных шестерен 28 в планетарной трансмиссионной системе. Выходной вал соединен с насосом Р, предназначенным для выполнения гидравлического разрыва пластов. В этом варианте осуществления конструкции вспомогательный привод А действует в качестве непрерывно изменяемого входа для планетарного дифференциала. Посредством управления вспомогательным приводом А часть выходной мощности от первичного двигателя может быть приложена к зубчатому колесу трансмиссионной системы для установления конечного передаточного отношения привода, используемого в отношении насоса Р. Таким образом, управление скоростью выходного вала 24 осуществляют посредством управления скоростью и направлением вспомогательного привода А, в то время как скорость первичного двигателя фактически может оставаться постоянной. В отношении этого варианта осуществления конструкции могут быть выполнены различные изменения. На фиг. 2 схематически представлена компоновка согласно фиг. 1, в которой первичный двигательD соединен с солнечной шестерней 10, вспомогательный привод А (в этом случае образуемый гидростатической трансмиссией H1, которая получает мощность от первичного двигателя D) соединен с зубчатым колесом 22, а вал Р насоса соединен с водилом 26 планетарных шестерен. На фиг. 3 представлена модификация этого варианта конструкции и в ней привод солнечной шестерни 10 обеспечивают посредством дополнительной гидростатической трансмиссии Н 2, мощность к которой также подводят от первичного двигателя (не показан). На фиг. 4 представлена иная конфигурация, в которой первичный двигатель D соединен с солнечной шестерней 10, вспомогательный привод А (образуемый гидростатической трансмиссией H1, мощность к которой подводят посредством первичного двигателя D) соединен с водилом 26 планетарных шестерен, а вал Р насоса соединяют с неподвижным зубчатым колесом 22. На фиг. 5 представлена соответствующая компоновка с двумя гидростатическими трансмиссиями (HST1 и HST2) вместо компоновки с первичным двигателем D и вспомогательной гидростатической трансмиссией HST1 согласно фиг. 4(сравните с фиг. 3). В другом варианте гидростатическая трансмиссия вспомогательного (или основного) привода может быть заменена другой формой бесступенчато-регулируемой трансмиссии. Один особенно предпочтительный вариант состоит в обеспечении гидротрансформатора на конце первичного двигателя для улучшения характеристик при пуске и остановке и в течение основных переключений скорости и передачи крутящего момента. Могут быть осуществлены и другие изменения при условии, что они остаются в объеме изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Трансмиссионная система для использования в насосной системе, имеющей первичный двигатель, приводящий в действие насос, содержащая планетарную шестеренную систему, содержащую солнечную шестерню, зубчатое колесо и планетарную шестерню, находящуюся в зацеплении между солнечной шестерней и зубчатым колесом, основной входной привод, приводимый в действие первичным двигателем, вспомогательный входной привод, приводимый в действие первичным двигателем, выходной привод для приведения в действие насоса, при этом основной входной привод соединен с солнечной шестерней или вспомогательный входной привод соединен с зубчатым колесом, и выходной привод проходит от планетарной шестерни, или вспомогательный входной привод соединен с планетарной шестерней, и выходной привод проходит от зубчатого колеса. 2. Трансмиссионная система по п.1, в которой планетарная система содержит несколько планетарных шестерен, установленных на водиле, и вспомогательный входной привод или выходной привод соединен с водилом.-3 011575 3. Трансмиссионная система по п.1, в которой вспомогательный входной привод способен действовать в переднем или обратном направлениях. 4. Насосная система, содержащая первичный двигатель для приведения в действие насоса посредством трансмиссионной системы по п.1. 5. Насосная система по п.4, в которой основной и вспомогательный входные приводы являются механическими или гидравлическими. 6. Насосная система по п.4, дополнительно содержащая гидротрансформатор, установленный между первичным двигателем и трансмиссионной системой. 7. Насосная система по п.4, в которой насос представляет собой насос для гидравлического разрыва пластов, предназначенный для использования при операциях в нефтяных скважинах. 8. Насосная система по п.7, в которой насос представляет собой трехцилиндровый или пятицилиндровый насос. 9. Насосная система по п.4, в которой насос является цементировочным насосом для использования при операциях в нефтяных скважинах. 10. Насосная система по п.9, в которой насос является трехцилиндровым или пятицилиндровым насосом. 11. Способ нагнетания текучей среды посредством использования трансмиссионной системы по п.3. 12. Способ по п.11, в котором нагнетаемая текучая среда выбрана из группы, состоящей из текучей среды, способной к затвердеванию, цементирующей суспензии, кислоты, текучей среды для гидравлического разрыва пластов, обрабатывающей текучей среды для ствола буровой скважины. 13. Способ нагнетания текучей среды посредством использования насосной системы по п.4. 14. Способ по п.13, в котором нагнетаемая текучая среда выбрана из группы, состоящей из текучей среды, способной к затвердеванию, цементирующей суспензии, кислоты, текучей среды для гидравлического разрыва пластов, обрабатывающей текучей среды для ствола буровой скважины.