[发明专利]用于泵驱动的传动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种将原动机的驱动力传递到操作装置的传动系统。具体而言，本发明尤其涉及用于驱动泵的传动系统，特别是用于油气勘探及用于压裂和水泥灌浆作业的产品工业的类型的泵。

背景技术

在对石油或天然气井的液压压裂泵送操作作业中，通常必须将地面上的流体以高压和高流速泵送到井下。取决于矿井以及进行的特别的操作，可能必须提供超过12000马力，从而以期望的容积流率来克服井下的压力。

在一个典型的压裂泵机构中，数个泵被使用，每一个一般都被安装有一个柴油发动机作为用于驱动高压三缸或四缸正排量泵的原动机，并通过一个五到七速的传动装置进行联接。每个泵一般传递1500-2000马力功率，这取决于安装的发动机的类型和尺寸。大型压裂作业可能需要在井址处采用多于16个泵送单元来达到需要的泵送功率，并且在个体单元出现故障的情况下提供后援。

由于井的自然条件，经常必须在已有的井压下启动泵送操作。也就是说要给泵的传动系统施加一个很高的压力，这有时会导致故障。

当在作业中出现工作着的泵出现故障时，一个备用单元需要来替代它。这时备用的泵需要在高压下从停机状态启动。为了实现上述操作，操作员必须使发动机达到一定速度并与期望的齿轮啮合。一般所使用的传动系统安装有一个转矩转换器，其允许在发动机转速与泵转速之间存在一个限量的滑移。但是该单元只能承受在这种内在滑移下运作非常有限的时间。

有时候需要增加整体的泵送容积流率。在大多数情况下这只能通过改变某些泵的传动装置的档位，或者启动其它的泵来实现。

上述所有的操作对传动系统、泵和发动机都会产生很大的损伤，这会导致不安全性和减少使用寿命。

传统的水泥灌浆或压裂泵单元一般具有五档(five-gear)自动传动装置以允许实现满泵流量或者满泵输入转矩。这个系统的弱点在于为了在压力下泵送，在传动装置上下换档时发动机必须处在最大转矩速率，从而会损坏传动盘。

这种类型传动装置的一种替代选择是一种传统的静液压传动装置(HST)，包括由发动机驱动的可变容积泵和由该泵驱动的液压马达。这种系统提供一种无齿轮驱动机构，其将发动机能量连续转化成液压能。由于它们精良的变速性能，这种系统广泛用于建筑机械。但是HST确实存在一定的问题，并导致不适合作为泵送系统，例如有限的低速率/转矩范围和狭窄的变速范围。

HST是一种连续可变传动系统(CVT)。CVT通过允许任何输入输出比避免了传统齿轮箱中变换齿轮所带来的问题。机械CVT在汽车应用领域为人所知。

一种CVT设计的外延，也称为无极变速传动装置(IVT)，允许传动装置向前或者向后驱动车辆。传动输入被分到两个轴，其中一个被连接至行星齿轮装置，另外一个连接至CVT。CVT的输出被连接于行星齿轮系中另外一组齿轮。那个不从发动机或者CVT汲取能量的齿轮将转矩传递给传动装置输出。行星齿轮装置担当机械加法器作用，以将两个速度相减或相加。

混合型汽车同样使用行星齿轮系统以允许双动力源被连接到车辆传动装置。

发明内容

本发明的一个目的就是为了提供一种传动系统，其以能够有效用于泵驱动系统的形式实现CVT的优点。这一目的在本发明中通过使用行星齿轮系统来实现。

本发明的一方面包括一种用于泵系统的传动系统，该泵系统包括用于驱动泵的原动机，该传动系统包括：

行星齿轮系统，其包括恒星齿轮和齿圈以及啮合于所述恒星齿轮和齿圈之间的行星齿轮；

由所述原动机驱动的主输入驱动器；

由所述原动机驱动的辅助输入驱动器；和

用于驱动所述泵的输出驱动器，

其中，所述主输入驱动器连接至所述恒星齿轮，并且存在下列情况之一：

(i)所述辅助输入驱动器被连接于所述齿圈，并且从所述行星齿轮连至所述输出驱动器；或者

(ii)所述辅助输入驱动器被连接于所述行星齿轮，并且从所述齿圈连至所述输出驱动器。

通过按照上述方式连接主和辅助输入驱动器，行星齿轮系统起到通过机械方式将两个驱动相减或相加的作用，从而根据每个驱动器的转速和方向提供任何输入/输出比。输入/输出比的改变可以不对传动系统、原动机或泵产生任何激烈的物理震动。

所述行星齿轮一般包括安装在行星架上的若干齿轮，所述辅助输入驱动器或者输出驱动器被连接于所述行星架。

优选，所述辅助输入驱动器能够向前或相反的方向操作。

本发明的另一个方面包括一种泵系统，包括通过根据本发明前述方面的传动装置来驱动泵的原动机。