Вращательный электрогидравлический привод
Группа изобретений относится к электрогидравлическим приводам вращательного действия, используемым в верхних приводах или силовых вертлюгах для скважинных операций. Вращательный электрогидравлический привод содержит гидравлический двигательный узел, содержащий первый гидравлический двигатель и второй гидравлический двигатель, установленный в тандеме с первым гидравлическим двигателем, каждый из которых имеет корпус с впускным каналом и выпускным каналом и ротор, установленный в корпусе гидравлического двигателя с возможностью вращения вокруг оси вращения и образующий полый выходной вал гидравлического двигателя с центрированным по оси вращения сквозным отверстием, обеспечивая безредукторное соединение выходного вала с ведомым валом, когда ведомый вал расположен в сквозном отверстии. Первый гидравлический двигатель и второй гидравлический двигатель имеют одну и ту же ось вращения. Привод содержит коллектор, соединенный с корпусами гидравлических двигателей с возможностью сообщения с впускными каналами и выпускными каналами, и находящийся на расстоянии от оси вращения, по меньшей мере два силовых агрегата, каждый из которых содержит гидравлический насос, расположенный в проточном тракте, также проходящем через коллектор и гидравлические двигатели, и двухвальный электрический двигатель, выполненный с возможностью приведения в действие гидравлического насоса. Насос включает в себя первый гидравлический насос, приводимый первым валом двухвального электрического двигателя, и второй гидравлический насос, приводимый вторым валом двухвального электрического двигателя. При работающем электрическом двигателе происходит подача гидравлическим насосом жидкости под давлением во впускные каналы гидравлических двигателей. Каждый силовой агрегат прикреплен к коллектору и ориентирован таким образом, что первый и второй валы не пересекаются с осью вращения гидравлических двигателей, и по меньшей мере один силовой агрегат установлен на гидравлическом двигательном узле посредством коллектора. Обеспечивается получение небольшого компактного электрического силового агрегата, удобного для применения в условиях ограниченного конструктивного пространства. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к вращательным электрогидравлическим приводам (электрогидравлическим приводам вращательного действия), в том числе, без ограничений, к устройствам такого типа, используемым в верхних приводах или силовых вертлюгах для скважинных операций.
Вращательный электрогидравлический привод представляет собой устройство, в котором сравнительно небольшой электрический двигатель используется для управления сравнительно большой мощностью, получаемой от гидравлического двигателя, и в котором мощность выводится через вращающееся выходное звено. Вращательные электрогидравлические приводы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Например, верхние приводы представляют собой механические устройства, часто используемые для бурения скважин в нефтегазовой промышленности. Верхний привод монтируется на вышке буровой установки и, как правило, поднимается и спускается внутри вышки посредством буровой лебедки. Верхний привод часто включает в себя мощные электрические или гидравлические приводы и обеспечивает движущее усилие для бурового инструмента, подвешенного на талевом блоке. Приводы приводят в движение ведомый вал, к которому члены буровой бригады прикрепляют бурильную колонну. В некоторых верхних приводах привод представляет собой электрический двигатель. Однако для достижения требуемой мощности необходимы большой электрический двигатель и редуктор, обеспечивающий требуемую скорость вращения. Кроме того, работа таких электромеханических устройств, включающих редукторы, может быть сопряжена с проблемами в ситуациях с приложенными ударными нагрузками, которые часто возникают в ходе буровых операций. Другие возможные отрицательные моменты, связанные с использованием электрического двигателя в качестве привода в системе верхнего привода, включают неспособность некоторых устройств обеспечить регулируемое передаточное отношение между входом и выходом и трудности в реализации скольжения или автоматической защиты от перегрузки. В других верхних приводах используются гидравлические двигатели, которые легко справляются с ударными нагрузками и характеризуются низкой инерционностью в системе, что способствует лучшему управлению. Однако гидравлический двигатель часто соединяется с силовым агрегатом, расположенным на большом удалении от этого двигателя, вследствие чего для подачи гидравлической жидкости из силового агрегата в гидравлический двигатель требуются шланги большой длины, а иногда и большого сечения. Такие шланги увеличивают массу верхнего привода, усложняют проводимые операции, занимают пространство вокруг верхнего привода и подвержены утечкам.
Предлагаемый в изобретении вращательный электрогидравлический привод содержит гидравлический двигательный узел, содержащий первый гидравлический двигатель и второй гидравлический двигатель, установленный в тандеме с первым гидравлическим двигателем, причем каждый гидравлический двигатель имеет корпус с впускным каналом и выпускным каналом и ротор, установленный в корпусе гидравлического двигателя с возможностью вращения вокруг оси вращения и образующий полый выходной вал гидравлического двигателя с центрированным по оси вращения сквозным отверстием, за счет чего выходной вал обеспечивает безредукторное соединение с ведомым валом, когда ведомый вал расположен в сквозном отверстии. Таким образом, первый гидравлический двигатель и второй гидравлический двигатель имеют одну и ту же ось вращения.
Предлагаемый в изобретении вращательный электрогидравлический привод также содержит коллектор, соединенный с корпусами гидравлических двигателей с возможностью сообщения с впускными каналами и выпускными каналами и находящийся на расстоянии от оси вращения.
Наконец, предлагаемый в изобретении вращательный электрогидравлический привод содержит по меньшей мере два силовых агрегата, каждый из которых содержит гидравлический насос, расположенный в проточном тракте, также проходящем через коллектор и гидравлические двигатели, и двухвальный электрический двигатель, выполненный с возможностью приведения в действие гидравлического насоса, причем гидравлический насос включает в себя первый гидравлический насос, приводимый первым валом двухвального электрического двигателя, и второй гидравлический насос, приводимый вторым валом двухвального электрического двигателя. При работающем электрическом двигателе происходит подача гидравлическим насосом жидкости под давлением во впускные каналы гидравлических двигателей. Каждый силовой агрегат прикреплен к коллектору и ориентирован таким образом, что первый и второй валы не пересекаются с осью вращения гидравлических двигателей, и по меньшей мере один силовой агрегат установлен на гидравлическом двигательном узле посредством коллектора.
В некоторых вариантах осуществления изобретения выходной вал электрического двигателя определяет продольную ось этого двигателя, расположенного таким образом, что его продольная ось не пересекается с осью вращения гидравлических двигателей.
В некоторых вариантах осуществления изобретения выходной вал электрического двигателя определяет продольную ось этого двигателя, расположенного таким образом, что его продольная ось параллельна оси вращения гидравлических двигателей и проходит на расстоянии от нее.
В некоторых вариантах осуществления изобретения предусмотрено безредукторное соединение электрического двигателя с гидравлическим насосом, реализованное, в частности, за счет того, что входной вал гидравлического насоса смонтирован непосредственно на выходном валу электрического двигателя или выполнен за одно целое с выходным валом электрического двигателя.
В некоторых вариантах осуществления изобретения коллектор содержит первую и вторую части, причем первая часть коллектора расположена на противоположной второй части коллектора стороне гидравлического двигательного узла, и каждая из первой и второй частей коллектора соединена с индивидуальным впускным каналом гидравлического двигателя и индивидуальным выпускным каналом гидравлического двигателя.
В некоторых вариантах осуществления изобретения сквозное отверстие проходит через корпус гидравлического двигателя и открывается на противоположных сторонах последнего.
В некоторых вариантах осуществления изобретения в электрическом двигателе предусмотрено двухвальное выходное звено, а гидравлический насос включает в себя первый гидравлический насос, расположенный на одном валу двухвального выходного звена, и второй гидравлический насос, расположенный на другом валу двухвального выходного звена.
В некоторых вариантах осуществления изобретения проточный тракт выполнен с возможностью переключения между первой конфигурацией, при которой гидравлический двигатель работает на первой скорости, и второй конфигурацией, при которой гидравлический двигатель работает на второй скорости, отличной от первой скорости.
В некоторых вариантах осуществления изобретения проточный тракт включает в себя ряд взаимосвязанных ветвей, обеспечивающих возможность двунаправленного и параллельного движения гидравлической жидкости в каждый из первого гидравлического двигателя и второго гидравлического двигателя и из каждого из них.
В некоторых вариантах осуществления изобретения гидравлический двигатель представляет собой двигатель с наклонным диском.
Предлагаемый в изобретении приводной механизм включает в себя вращательный электрогидравлический привод в любом из описанных выше вариантов, ведомый вал, расположенный в сквозном отверстии, и раму, которая поддерживает вращательный электрогидравлический привод относительно опорной поверхности.
В некоторых вариантах осуществления изобретения ведомый вал механически соединен с бурильной колонной, а рама поддерживает вращательный электрогидравлический привод с возможностью его перемещения вдоль продольной оси рамы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения ведомый вал механически соединен со вспомогательным насосом, выполненным с возможностью перекачивания шлама, а рама поддерживает вращательный электрогидравлический привод в фиксированном положении относительно вспомогательного насоса.
В некоторых вариантах осуществления изобретения приводной механизм включает в себя катушку, имеющую цилиндрическую наружную поверхность и ось вращения, проходящую по центру внутри этой поверхности. Кроме того, ведомый вал механически соединен с катушкой таким образом, что он приводит катушку во вращение вокруг ее оси вращения, а рама поддерживает катушку и вращательный электрогидравлический привод с возможностью вращения катушки относительно вращательного электрогидравлического привода.
Вращательный электрогидравлический привод включает в себя гидравлический двигатель, который непосредственно приводит в движение выходной вал, обеспечивая при этом высокую удельную мощность. В контексте настоящего описания выражение "непосредственно приводит в движение" относится к конструкции, в которой предусмотрено безредукторное соединение двигателя с выходным или ведомым валом. Поскольку гидравлический двигатель представляет собой двигатель непосредственного привода, редуктор между двигателем и выходным валом отсутствует, что позволяет уменьшить размеры привода по сравнению с некоторыми обычными приводами, а также снизить затраты и требования к техническому обслуживанию. Поскольку вращательный электрогидравлический привод, представленный в настоящем описании, включает в себя гидравлический двигатель и не имеет редуктора, он обладает преимуществом по сравнению с некоторыми обычными электромеханическими приводами благодаря своей способности хорошо работать в условиях воздействия ударной нагрузки. Он также позволяет изменять передаточное отношение между входом и выходом, легко совершает скользящие движения и обеспечивает автоматическую защиту от перегрузок.
Кроме того, силовой агрегат для питания гидравлического двигателя монтируется на последнем посредством коллектора, что позволяет избежать необходимости использования шлангов для подачи жидкости. Силовой агрегат включает в себя один или несколько компактных электрических двигателей, каждый из которых приводит в действие по меньшей мере один гидравлический насос. Насосы расположены в коллекторе, из которого гидравлическая жидкость поступает в гидравлический двигатель.
В силовом агрегате питания гидравлического двигателя предусмотрено непосредственное соединение электрического двигателя с парой гидравлических насосов. В контексте настоящего описания термин "непосредственное соединение" относится к конструкции, в которой ротор насоса установлен непосредственно на выходном валу электрического двигателя. Использование электрического двигателя с непосредственным соединением в качестве привода гидравлических насосов имеет следующие преимущества: на выходном валу электрического двигателя требуется лишь небольшой компактный участок, а ударная нагрузка электрического двигателя является незначительной благодаря встроенному устройству демпфирования гидравлической жидкости / подаваемой среды.
Максимальная эффективность привода достигается за счет устранения длинных линий подачи и клапанов. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрический двигатель представляет собой небольшой компактный электрический двигатель на постоянных магнитах, позволяющий регулировать скорость с помощью сервопривода и требующий для установки меньше конструктивного пространства, чем в случае типичной системы электропривода переменного тока (ЭПТ). Такая конструкция позволяет уменьшить рабочий объем гидравлического устройства и не оказывает отрицательного воздействия на окружающую среду благодаря отсутствию утечек.
В некоторых вариантах осуществления изобретения электрические двигатели и непосредственно соединенные с ними гидравлические насосы опираются на коллектор таким образом, что они располагаются параллельно оси вращения гидравлического двигателя и находятся на расстоянии от этой оси. Расположение каждого электрического двигателя и соответствующего непосредственно соединенного с ним гидравлического насоса на расстоянии от оси вращения гидравлического двигателя позволяет предусмотреть в гидравлическом двигателе сквозное отверстие, в котором размещается выходной вал. Эта конструкция обладает преимуществами для использования в системах верхнего привода, где выходной вал проходит через гидравлический двигатель, благодаря чему образуется осевой проточный тракт для жидкости, которая подается у верхнего конца выходного вала и выпускается у нижнего конца последнего. Кроме того, удлиненная компоновка электрических двигателей и гидравлических насосов и параллельное расположение относительно оси вращения гидравлического двигателя обеспечивают очень компактное размещение силового агрегата на гидравлическом двигателе, что представляет собой преимущество для использования в системах верхнего привода.
Вращательный электрогидравлический привод сочетает в себе преимущества стандартного гидравлического привода и типичной электромеханической конструкции, устраняя или сводя к минимуму недостатки обоих традиционных решений. Вращательный электрогидравлический привод обеспечивает значительное преимущество в любой ситуации использования привода, где основные ограничения связаны с ударной нагрузкой и конструктивным пространством. Вращательный электрогидравлический привод обеспечивает значительное повышение эксплуатационной надежности в ситуациях, когда механическое зацепление в приводе подвергается воздействию нагрузки.
На чертежах показано:
на фиг. 1 - перспективное изображение вращательного электрогидравлического привода,
на фиг. 2 вид сбоку (в направлении стрелки 2 на фиг. 1) вращательного электрогидравлического привода,
на фиг. 3 - вид вращательного электрогидравлического привода в разрезе вдоль линии А-А на фиг. 2,
на фиг. 4 вид вращательного электрогидравлического привода в разрезе вдоль линии С-С на фиг. 2,
на фиг. 5 - вид сбоку (в направлении стрелки 5 на фиг. 1) вращательного электрогидравлического привода,
на фиг. 6 вид вращательного электрогидравлического привода в разрезе вдоль линии В-В на фиг. 5,
на фиг. 7 - вид в разрезе радиально-поршневого двигателя с многолепестковой кулачковой обоймой,
на фиг. 8 вид в разрезе плунжерного насоса с переменным рабочим объемом.
На фиг. 1 показан вращательный электрогидравлический привод 10, включающий в себя гидравлический двигательный узел 12 и по меньшей мере один силовой агрегат 40, установленный на гидравлическом двигательном узле 12 посредством коллектора 100, обеспечивающего передачу гидравлической жидкости между гидравлическим двигательным узлом 12 и силовым агрегатом 40. В иллюстрируемом примере осуществления изобретения два силовых агрегата 40(1), 40(4) смонтированы на одной стороне гидравлического двигательного узла 12 посредством первой секции 100(1) коллектора, а два дополнительных силовых агрегата 40(2), 40(3) смонтированы на противоположной стороне гидравлического двигательного узла 12 посредством второй секции 100(2) коллектора. Вращательный электрогидравлический привод 10 представляет собой привод с двигателем непосредственного привода и является автономным в том смысле, что силовые агрегаты 40(1), 40(2), 40(3), 40(4), подающие гидравлическую жидкость в гидравлический двигательный узел 12, находятся не на удалении от последнего, а, напротив, соединены с ним непосредственным образом. Вращательный электрогидравлический привод 10 обеспечивает выходные характеристики вращательного движения, подходящие для применений, требующих движения в диапазоне с низкой скоростью (менее 100 об/мин) и высоким крутящим моментом (от 100000 до 150000 футофунтов и более), а также с высокой скоростью (200 об/мин) и средним крутящим моментом (от 4000 до 50000 футофунтов и более), необходимого для верхнего привода или силового привода для буровых установок, или для других применений во вращательных системах, включая приводы шламовых насосов. Следует, однако, иметь в виду, что вышеуказанные диапазоны приведены лишь в качестве примера и что вращательный электрогидравлический привод 10 может обеспечивать комбинации крутящего момента и скорости за пределами этих диапазонов, реализуемые, в частности, для конкретного применения путем соответствующего масштабирования компонентов.
Как показано на фиг. 1 и 7, гидравлический двигательный узел 12 состоит из первого гидравлического двигателя 14 и второго гидравлического двигателя 16, установленных в тандеме. Первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 представляют собой радиально-поршневые гидравлические двигатели. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 представляют собой гидравлические двигатели с многолепестковой кулачковой обоймой, содержащие наружную кулачковую обойму 22, расположенную в корпусе 17, определяющем впускной канал 18 для впуска гидравлической жидкости и выпускной канал 20 для выпуска гидравлической жидкости. Наружная кулачковая обойма 22 содержит волнообразную внутреннюю кулачковую поверхность 23, которая обращена к оси 32 вращения гидравлического двигателя и окружает ее. Первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 содержат ротор в виде внутреннего блока 24 цилиндров. Блок 24 цилиндров выполнен с возможностью вращения вокруг оси 32 вращения относительно кулачковой обоймы 22 и содержит цилиндры 28, ориентированные радиально наружу. В каждом из цилиндров 28 размещен с возможностью скольжения поршень 26, а с каждым поршнем 26 связан кулачковый ролик 30. Каждый кулачковый ролик 30 расположен напротив соответствующего поршня 26 и совершает качение вдоль и по кулачковой поверхности 23. Первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 также включают распределительные клапаны (не показаны), которые подают гидравлическую жидкость в цилиндры 28 через каналы 36 при рабочем ходе соответствующих поршней 26 и отводят гидравлическую жидкость из цилиндров 28 при обратном ходе соответствующих поршней 26. Хотя блок 24 цилиндров и кулачковая обойма 22 изображены как имеющие пять наборов поршней 26 и кулачковых роликов 30 и соответствующее количество волнообразных неровностей в наружной кулачковой обойме 22, гидравлические двигатели 14, 16 не ограничиваются этим числом. Например, в некоторых гидравлических двигателях количество наборов поршней 26 и кулачковых роликов 30 и соответствующее количество волнообразных неровностей кулачковой обоймы 22 может быть большим или меньшим и определяется требованиями конкретного применения. В некоторых гидравлических двигателях предусмотрено несколько наружных кулачковых обойм 22, каждая из которых содержит набор поршней 26 и кулачковых роликов 30, а количество кулачковых обойм 22 определяется требованиями применения.
Первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 содержат предусмотренное в каждом из них центральное сквозное отверстие 34, выполненное в блоке 24 цилиндров и центрированное по оси 32 вращения гидравлического двигательного узла. Центральные отверстия 34 непрерывно простираются сквозь соответствующие первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 и служат в качестве полого выходного вала гидравлического двигательного узла 12. Центральные отверстия 34 выполнены с возможностью размещения в них ведомого вала 8 (показан пунктирными линиями на фиг. 1) внешнего приводного устройства (не показано) и вхождения с ведомым валом 8 в зацепление, например посредством шлицевого соединения или другого подходящего способа. Сквозные отверстия 34 открываются на противоположных сторонах гидравлического двигательного узла 12. Такая конструкция обеспечивает возможность прохождения ведомого вала 8 насквозь через гидравлический двигательный узел 12 с доступом к противоположным концам ведомого вала 8. В других вариантах осуществления изобретения, реализуемых в случае применений, требующих выполнения штыревого соединения с внешним приводным устройством, может быть предусмотрен короткий вал (не показан), дополнительно устанавливаемый внутри центральных отверстий 34 и крепящийся к блоку 24 цилиндров.
Как показано на фиг. 2-6, вращательный электрогидравлический привод 10 включает в себя четыре силовых агрегата 40(1), 40(2), 40(3), 40(4). Все силовые агрегаты 40(1), 40(2), 40(3), 40(4) являются идентичными, поэтому ниже приводится описание лишь одного силового агрегата 40(1), именуемого далее силовым агрегатом 40. Силовой агрегат 40 включает в себя электрический двигатель 42, на каждом конце которого находится гидравлический насос 60. Например, первый силовой агрегат 40(1) включает в себя гидравлический альфа-насос 60(1)а на одном конце электрического двигателя 42 и гидравлический бета-насос 60(1)b на противоположном конце.
Электрический двигатель 42 представляет собой реверсивный двигатель на постоянных магнитах с регулируемой скоростью вращения, содержащий два охватывающих вала (например, два полых вала) 48, расположенных на одной прямой с продольной осью 50 электрического двигателя 42. Электрический двигатель 42 включает в себя статор 46 и ротор 44 на постоянных магнитах, расположенный внутри статора 46 с возможностью вращения вокруг продольной оси 50. На каждом конце ротора 44 предусмотрен охватывающий вал 48. Охватывающие валы 48 выполнены с возможностью размещения и зацепления в них входного вала 72 одного гидравлического насоса 60 из пары гидравлических насосов 60(a), 60(b) как описано ниже. Электрический двигатель 42 непосредственно соединен с гидравлическими насосами 60(1)а, 60(1)b. В контексте настоящего описание выражение "непосредственно соединен" относится к конструкции, в которой входной вал 72 насоса смонтирован непосредственно на выходном валу электрического двигателя или выполнен за одно целое с ним, образуя, таким образом, безредукторное соединение с выходным валом электрического двигателя. Использование электрического двигателя 42 с непосредственным соединением в качестве приводного устройства для гидравлических насосов 60 в сочетании с двумя охватывающими валами 48 позволяет получить небольшой компактный электрический силовой агрегат, удобный для применения в условиях ограниченного конструктивного пространства.
Гидравлические альфа- и бета-насосы 60(1)а, 60(1)b, показанные на фиг. 3 и 8, являются идентичными, поэтому ниже приводится описание лишь одного гидравлического насоса 60(1)а, именуемого далее гидравлическим насосом 60. Гидравлический насос 60 представляет собой аксиально-плунжерный гидравлический насос с переменным рабочим объемом и наклонным блоком цилиндров, содержащий приводной элемент в форме ведущего диска 74, входной (например, приводной) вал 72, жестко выступающий с одной стороны ведущего диска 74, и поршни 68 со сферическими головками, соединенные с возможностью вращения с противоположной стороной ведущего диска 74 по окружности последнего. Сферическая головка на проксимальном конце каждого поршня 68 размещена в сферическом гнезде на противоположной стороне ведущего диска 74, при этом поршень 68 удерживается на ведущем диске 74, но может вращаться относительно последнего. Дистальный конец каждого поршня 68 размещен с возможностью скольжения внутри соответствующего цилиндра 70, установленного в блоке 76 цилиндров. Количество жидкости, вытесняемой гидравлическим насосом 60, можно изменять, изменяя угол наклона блока 76 цилиндров относительно продольной оси входного вала 72.
Входной вал 72 может быть соединен с охватывающим валом 48 электрического двигателя 42, например посредством шлицевого соединения или другого подходящего способа. Электрический двигатель 42 приводит во вращение входной вал 72 и ведущий диск 74, при этом гидравлическая жидкость поступает в цилиндры 70 в течение рабочего хода соответствующих поршней 68, когда поршень вдвигается в блок 76 цилиндров вследствие вращения ведущего диска, и вытесняется из цилиндров 70 в течение обратного хода соответствующих поршней 68, когда поршень выдвигается из блока 76 цилиндров вследствие вращения ведущего диска.
Каждый из силовых агрегатов 40(1), 40(2), 40(3), 40(4) прикреплен к коллектору 100 таким образом, что продольные оси 50 электрических двигателей являются параллельными оси 32 вращения гидравлического двигательного узла. Кроме того, каждый из четырех силовых агрегатов 40(1), 40(2), 40(3), 40(4) расположен рядом с окружной поверхностью корпуса 17 гидравлического двигательного узла, причем продольные оси 50 электрических двигателей находятся в радиальном направлении на расстоянии от оси 32 вращения вращения гидравлического двигательного узла. Такое конструктивное размещение четырех электрических двигателей 42 и гидравлического двигательного узла 12 является очень компактным, особенно по сравнению с конструкцией, в которой продольные оси 50 электрических двигателей пересекаются с осью 32 вращения гидравлического двигательного узла.
Как показано на фиг. 4-6, каждый из четырех силовых агрегатов 40(1), 40(2), 40(3), 40(4) прикреплен к коллектору 100 таким образом, что впускные каналы 64 и выпускные каналы 66 гидравлических насосов соединяются с гидравлическим проточным трактом 200, проходящим через каждый из гидравлических насосов 60, а также первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 гидравлического двигательного узла 12. Гидравлический проточный тракт 200 по меньшей мере частично заключен в коллекторах 100(1), 100(2) и представляет собой замкнутый контур, предназначенный для подачи гидравлической жидкости, находящейся под давлением в гидравлических насосах 60, в гидравлический двигательный узел 12 и возврата гидравлической жидкости, выходящей из гидравлического двигательного узла 12, в гидравлические насосы 60.
Гидравлический проточный тракт 200 включает в себя ряд взаимосвязанных ветвей, обеспечивающих возможность входа и выхода двунаправленного и параллельного потока гидравлической жидкости с обеих сторон гидравлического двигательного узла 12, как подробно описывается ниже. Гидравлическая жидкость циркулирует из выпускных каналов 66 гидравлических насосов 60(1)а, 60(l)b, 60(4)а, 60(4)b первого и четвертого силовых агрегатов 40(1), 40(4) через первую ветвь 201 гидравлического проточного тракта 200. Первая ветвь 201 соединяет выпускные каналы 66 альфа-и бета-насосов 60(1)а, 60(1)b первого силового агрегата 40(1) с выпускными каналами 66 альфа- и бета-насосов 60(4)а, 60(4)b четвертого силового агрегата 40(4). Кроме того, первая ветвь 201 соединяется со второй ветвью 202, по которой гидравлическая жидкость поступает во впускные каналы 18 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16, расположенные на первой стороне гидравлического двигательного узла 12. Входя под давлением во впускные каналы 18 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16, гидравлическая жидкость совершает работу на роторах 24 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16 и проходит по третьей ветви 203 гидравлического проточного тракта 200.
Кроме того, гидравлическая жидкость циркулирует из выпускных каналов 66 гидравлических насосов 60(2)а, 60(2)b, 60(3)а, 60(3)b второго и третьего силовых агрегатов 40(2), 40(3) через пятую ветвь 205 гидравлического проточного тракта 200. Пятая ветвь 205 соединяет выпускные каналы 66 альфа-и бета-насосов 60(2)а, 60(2)b второго силового агрегата 40(2) с выпускными каналами 66 альфа- и бета-насосов 60(3)а, 60(3)b третьего силового агрегата 40(3). Кроме того, пятая ветвь 205 соединяется с четвертой ветвью 204 проточного тракта, по которой гидравлическая жидкость поступает во впускные каналы 18 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16, расположенные на второй стороне гидравлического двигательного узла 12. Входя под давлением во впускные каналы 18 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16, гидравлическая жидкость совершает работу на роторах 24 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16 и проходит по третьей ветви 203 гидравлического проточного тракта 200.
Гидравлическая жидкость, вытесняемая поршнями 26 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16 проходит по восьмой ветви 208, а затем выходит из выпускных каналов 20 на первой стороне гидравлического двигательного узла 12 и поступает в девятую ветвь 209 проточного тракта. Девятая ветвь 209 связана с десятой ветвью 210 проточного тракта. Десятая ветвь 210 соединяет впускные каналы 64 альфа- и бета-насосов 60(1)а, 60(1)b первого силового агрегата 40(1) с впускными каналами 64 альфа- и бета-насосов 60(4)а, 60(4)b четвертого силового агрегата 40(4).
Кроме того, гидравлическая жидкость, вытесняемая поршнями 26 первого и второго гидравлических двигателей 14, 16 проходит по восьмой ветви 208, а затем выходит из выпускных каналов 20 на второй стороне гидравлического двигательного узла 12 и поступает в седьмую ветвь 207 проточного тракта. Седьмая ветвь 207 связана с шестой ветвью 206 проточного тракта. Шестая ветвь 206 соединяет впускные каналы 64 альфа- и бета-насосов 60(2)а, 60(2)b второго силового агрегата 40(2) с впускными каналами 64 альфа- и бета-насосов 60(3)а, 60(3)b третьего силового агрегата 40(3).
Первая, вторая, девятая и десятая ветви 201, 202, 209, 210 гидравлического проточного тракта 200 выполнены в первой секции 100(1) коллектора. Вторая и девятая ветви 202, 209 соединяют первый и четвертый гидравлические альфа-насосы 60(1)а, 60(4)а с первым и четвертым гидравлическими бета-насосами 60(1)b, 60(4)b. Аналогичным образом, четвертая, пятая, шестая и седьмая ветви 204, 205, 206, 207 гидравлического проточного тракта 200 выполнены во второй секции 100(2) коллектора. Как показано на фиг. 5, четвертая и седьмая ветви 204, 207 соединяют второй и третий гидравлические альфа-насосы 60(2)а, 60(3)а со вторым и третьим гидравлическими бета-насосами 60(2)b, 60(3)b.
В некоторых вариантах осуществления изобретения вращательный электрогидравлический привод 10 включает в себя подпиточный насос 150 и/или вспомогательный насос 160, установленный на коллекторе 100 и связанный с гидравлическим проточным трактом 200. Например, подпиточный насос 150 может использоваться для поддержания минимального давления на обратной стороне поршней, а вспомогательный насос 160 может использоваться для циркуляции хладагента или приведения в действие вспомогательных компонентов верхнего привода. Вращательный электрогидравлический привод 10 может также включать фильтры (не показаны), расположенные в коллекторе 100 и выполненные с возможностью удаления твердых частиц или других загрязнений из гидравлической жидкости. Кроме того, вращательный электрогидравлический привод 10 может включать в себя температурные датчики (не показаны), датчики давления (не показаны) и/или другие подходящие датчики (не показаны), которые обеспечивают выполнение наблюдения и/или контроля за работой этого привода 10.
Вращательный электрогидравлический привод 10, включающий гидравлический двигательный узел 12 и по меньшей мере один силовой агрегат 40, установленный на гидравлическом двигательном узле 12 посредством коллектора 100, представляет собой очень мощный и очень компактный привод благодаря, по меньшей мере частично, использованию гидравлического двигательного узла 12 с непосредственным приводом, непосредственному монтажу силового агрегата 40 на гидравлическом двигательном узле 12, исключающему применение шлангов и других средств подачи жидкости большой длины, и монтажу электрических двигателей 42 внутри силового агрегата 40 параллельно оси вращения гидравлического двигательного узла 12 и на расстоянии от этой оси.
Вращательный электрогидравлический привод 10 может найти широкое применение в самых разнообразных областях, предусматривающих приведение во вращательное движение. Вращательный электрогидравлический привод 10 обладает очевидными преимуществами для использования в буровых установках в качестве части верхнего привода или силового вертлюга, но его применение не ограничивается какими-либо конкретными областями. Например, вращательный электрогидравлический привод занимает в верхнем приводе значительно меньший объем, чем некоторые обычные приводы. В некоторых вариантах осуществления изобретения объем, занимаемый некоторыми обычными устройствами верхнего привода, содержащими электрические двигатели и редукторы, примерно в два раза превышает объем вращательного электрогидравлического привода 10. Кроме того, вес вращательного электрогидравлического привода 10 намного меньше веса таких обычных устройств верхнего привода. Вращательный электрогидравлический привод 10 обладает эксплуатационными характеристиками, составляющими преимущества обычного гидравлического привода, включая поглощение ударной нагрузки и улучшенное управление, но исключая при этом длинные линии подачи и клапаны. Помимо использования в буровых установках, вращательный электрогидравлический привод 10 может применяться и в других областях, включающих, не ограничиваясь нижеперечисленным, силовые вертлюги, приводы лебедок, поворотных движителей, роторных насосов, грузоподъемных устройств и т.д.
Несмотря на то, что в представленном примере осуществления изобретения вращательный электрогидравлический привод 10 включает в себя четыре силовых агрегата 40(1), 40(2), 40(3), 40(4), в зависимости от конкретного применения число силовых агрегатов 40 в этом приводе может быть большим или меньшим и не ограничивается группой из четырех силовых агрегатов. Кроме того, управление вращательным электрогидравлическим приводом 10 в какой-либо заданный момент времени может осуществляться, в зависимости от требуемой мощности, с помощью лишь некоторой подгруппы силовых агрегатов 40 из предусмотренной группы последних.
В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения коллектор 100 выполнен таким образом, что гидравлическая жидкость из всех гидравлических насосов 60 сводится в проточном тракте 200 в единый поток, подаваемый в первый и второй гидравлические двигатели 14, 16 гидравлического двигательного узла 12. В других вариантах осуществления изобретения коллектор 100 выполнен таким образом, что жидкость из первой подгруппы насосов (например, подгруппы, включающей гидравлические насосы 60(1)а, 60(l)b, 60(4)а, 60(4)b первого и четвертого силовых агрегатов 40(1), 40(4)), сводится в единый поток в первом проточном тракте, используемый для подачи в первый гидравлический двигатель 14, а жидкость из второй подгруппы насосов (например, подгруппы, включающей гидравлические насосы 60(2)а, 60(2)b, 60(3)а, 60(3)b второго и третьего силовых агрегатов 40(2), 40(3)) сводится в единый поток во втором проточном тракте, используемый для подачи во второй гидравлический двигатель 16. В некоторых вариантах осуществления изобретения коллектор 100 может включать клапаны, которые могут перенаправлять жидкость из второго гидравлического двигателя 16 в первый гидравлический двигатель 14 (или наоборот), так что жидкость из всех насосов 60 поступает только в один гидравлический двигатель, т.е. в первый гидравлический двигатель 14, чем обеспечиваются большая скорость и меньший крутящий момент. Отсюда следует, что вращательный электрогидравлический привод 10 может быть выполнен как двухскоростной безредукторный двигатель.
В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения первый и второй коллекторы 100(1), 100(2) расположены снаружи и опираются на гидравлические двигатели 14, 16. Следует, однако, иметь в виду, что первый и второй коллекторы 100(1), 100(2) могут быть интегрированы в корпуса гидравлических двигателей 14, 16.
В некоторых вариантах осуществления изобретения гидравлическая жидкость, используемая в коллекторе 100, является биологически разлагаемой. В некоторых вариантах осуществления изобретения гидравлическая жидкость служит также в качестве хладагента для гидравлических двигателей 14, 16, гидравлических насосов 60 и электрических двигателей 42.
В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения электрический двигатель 42, используемый в каждом силовом агрегате 40, представляет собой реверсивный двигатель на постоянных магнитах с регулируемой скоростью вращения, содержащий два охватывающих вала (например, два полых вала) 48. Однако может использоваться не только электрический двигатель 42, но и, без ограничений, любой подходящий двигатель, включая нереверсивные двигатели и/или двигатели с постоянной скоростью вращения. Кроме того, тип электрического двигателя, используемого в одном или нескольких силовых агрегатах (то есть в силовых агрегатах 40(1), 40(3)), может отличаться от типа электрического двигателя, используемого в остальных силовых агрегатах (то есть в силовых агрегатах 40(2), 40(4)).
В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения гидравлические альфа- и бета-насосы 60(1)а, 60(1)b, используемые в каждом силовом агрегате 40(1), представляют собой поршневые гидравлические насосы с переменным рабочим объемом и с наклонным блоком цилиндров. Могут, однако, использоваться не только гидравлические альфа- и бета-насосы 60(1)а, 60(1)b этого типа, но и, без ограничений, любые подходящие насосы, включая поршневые гидравлические насосы с наклонным диском, постоянным рабочим объемом и/или насосы с редуктором, центробежные лопастные насосы, винтовые насосы, радиально-поршневые насосы или насосы других типов. Кроме того, тип гидравлического насоса, используемого в качестве гидравлического альфа-насоса 60(1)а, может отличаться от типа гидравлического насоса, используемого в качестве гидравлического бета-насоса 60(1)b. В качестве дополнения или альтернативы: типы насосов, используемых в одном или нескольких силовых агрегатах (то есть в силовых агрегатах 40(1), 40(3)), могут отличаться от типов насосов, используемых в остальных силовых агрегатах (то есть в силовых агрегатах 40(2), 40(4)).
В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения каждый из гидравлических двигателей 14, 16 представляет собой радиально-поршневой гидравлический двигатель с наклонным диском. Тем не менее в некоторых вариантах осуществления изобретения один или каждый из гидравлических двигателей 14, 16 может представлять собой двигатель с наклонным блоком цилиндров.
Выше выборочно и в отдельных подробностях представлены иллюстративные варианты осуществления вращательного
электрогидравлического привода в соответствии с изобретением. Следует иметь в виду, что в настоящем описании представлены только конструкции, рассматриваемые как необходимые для пояснения принципов действия данного устройства. Предполагается, что другие традиционные конструкции, а также конструкции дополнительных и вспомогательных компонентов данного привода известны и понятны специалистам в данной области. Кроме того, примеры работы вращательного электрогидравлического привода не ограничиваются вышеприведенным описанием, так что могут быть реализованы различные изменения конструкции устройств, предлагаемых в изобретении, в рамках объема последнего, охватываемого формулой изобретения.
1. Вращательный электрогидравлический привод (10), содержащий:
- гидравлический двигательный узел (12), содержащий первый гидравлический двигатель (14) и второй гидравлический двигатель (16), установленный в тандеме с первым гидравлическим двигателем (14), причем каждый гидравлический двигатель (14, 16) имеет корпус (17) с впускным каналом (18) и выпускным каналом (20) и ротор, установленный в корпусе (17) гидравлического двигателя с возможностью вращения вокруг оси (32) вращения и образующий полый выходной вал гидравлического двигателя (14, 16) с центрированным по оси (32) вращения сквозным отверстием (34), за счет чего выходной вал обеспечивает безредукторное соединение с ведомым валом, когда ведомый вал расположен в сквозном отверстии (34), причем первый гидравлический двигатель (14) и второй гидравлический двигатель (16) имеют одну и ту же ось (32) вращения,
- коллектор (100), соединенный с корпусами (17) гидравлических двигателей с возможностью сообщения с впускными каналами (18) и выпускными каналами (20) и находящийся на расстоянии от оси (32) вращения,
- по меньшей мере два силовых агрегата (40), каждый из которых содержит гидравлический насос (60), расположенный в проточном тракте (200), также проходящем через коллектор (100) и гидравлические двигатели (14, 16), и двухвальный электрический двигатель (42), выполненный с возможностью приведения в действие гидравлического насоса (60), причем гидравлический насос (60) включает в себя первый гидравлический насос (60а), приводимый первым валом двухвального электрического двигателя (42), и второй гидравлический насос (60b), приводимый вторым валом двухвального электрического двигателя (42), причем при работающем электрическом двигателе (42) происходит подача гидравлическим насосом (60) жидкости под давлением во впускные каналы (18) гидравлических двигателей (14, 16), каждый силовой агрегат (40) прикреплен к коллектору (100) и ориентирован таким образом, что первый и второй валы не пересекаются с осью (32) вращения гидравлических двигателей (14, 16), и по меньшей мере один силовой агрегат (40) установлен на гидравлическом двигательном узле (12) посредством коллектора (100).
2. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором выходной вал электрического двигателя определяет продольную ось (50) этого двигателя, а электрический двигатель (42) расположен таким образом, что его продольная ось (50) не пересекается с осью вращения (32) гидравлических двигателей (14, 16).
3. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором выходной вал электрического двигателя определяет продольную ось (50) этого двигателя, а электрический двигатель (42) расположен таким образом, что его продольная ось (50) параллельна оси вращения (32) гидравлических двигателей (14, 16) и проходит на расстоянии от нее.
4. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором входной вал (72) гидравлического насоса (60) смонтирован непосредственно на выходном валу электрического двигателя (42) или выполнен за одно целое с выходным валом электрического двигателя (42).
5. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором коллектор (100) содержит первую (100(1)) и вторую (100(2)) части, причем первая часть (100(1)) коллектора расположена на противоположной второй части (100(2)) коллектора стороне гидравлического двигательного узла (12), и каждая из первой (100(1)) и второй (100(2)) частей коллектора соединена с индивидуальным впускным каналом (18) гидравлического двигателя (14, 16) и индивидуальным выпускным каналом (20) гидравлического двигателя (14, 16).
6. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором сквозное отверстие (34) проходит через корпус (17) гидравлического двигателя и открывается на противоположных сторонах корпуса (17) гидравлического двигателя.
7. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором проточный тракт (200) выполнен с возможностью переключения между первой конфигурацией, при которой гидравлический двигатель (14, 16) работает на первой скорости, и второй конфигурацией, при которой гидравлический двигатель (14, 16) работает на второй скорости, отличной от первой скорости.
8. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором проточный тракт (200) включает в себя ряд взаимосвязанных ветвей, обеспечивающих возможность двунаправленного и параллельного движения гидравлической жидкости в каждый из первого гидравлического двигателя (14) и второго гидравлического двигателя (16) и из каждого из них.
9. Вращательный электрогидравлический привод (10) по п. 1, в котором гидравлический двигатель (14, 16) представляет собой двигатель с наклонным диском.
10. Приводной механизм, содержащий:
- вращательный электрогидравлический привод (10) по одному из пп. 1-9,
- ведомый вал, расположенный в сквозном отверстии (34), и
- раму, которая поддерживает вращательный электрогидравлический привод (10) относительно опорной поверхности.
11. Приводной механизм по п. 10, в котором:
- ведомый вал механически соединен с бурильной колонной,
- рама поддерживает вращательный электрогидравлический привод (10) с возможностью его перемещения вдоль продольной оси рамы.
12. Приводной механизм по п. 10, в котором:
- ведомый вал механически соединен со вспомогательным насосом, выполненным с возможностью перекачивания шлама,
- рама поддерживает вращательный электрогидравлический привод (10) в фиксированном положении относительно вспомогательного насоса.
13. Приводной механизм по п. 10, содержащий катушку, причем:
- катушка имеет цилиндрическую наружную поверхность и ось вращения, проходящую по центру внутри этой поверхности,
- ведомый вал механически соединен с катушкой таким образом, что он приводит катушку во вращение вокруг ее оси (32) вращения,
- рама поддерживает катушку и вращательный электрогидравлический привод (10) с возможностью вращения катушки относительно вращательного электрогидравлического привода (10).
