Защита от превышения максимально допустимого крутящего момента в газотурбинных насосах для гидроразрыва

Муфты карданного вала могут обеспечивать постоянную работу оборудования для гидроразрыва.

Защита мощного вращающегося оборудования от внезапного превышения максимально допустимого крутящего момента всегда была важной составляющей долговечности оборудования и продления периода эксплуатации в исправном состоянии. В случае со смонтированным на прицепе оборудованием для гидроразрыва (ГРП) особый интерес представляет использование аэродеривативных газовых турбин в качестве пускового двигателя насоса в связи с их небольшим весом и высокой выходной мощностью. Вес привода критически важен, поскольку прицепы с оборудованием для гидроразрыва перемещаются между буровыми площадками по дорогам общественного пользования, на которые распространяются ограничения по весу.

 

Оборудование для гидроразрыва стоит недешево и по завершении работы на одном участке переправляется на следующий. Поскольку работы ведутся в отдаленных районах, важно, чтобы оборудование оставалось работоспособным в течение всего периода эксплуатации на каждом участке. Поэтому отказоустойчивые компоненты, которые позволяют быстро вернуться в исходное состояние, особенно важны, и муфты карданного вала - отличный тому пример.

 

Конструкция муфты газовой турбины влияет как на вес оборудования, так и на его стандартную работу, поскольку она эффективно передает мощность от турбины, а также обеспечивает защиту карданного вала.

 

Рисунок 1. Муфты, ограничивающие крутящий момент, предотвращают повреждение дорогостоящего вращающегося оборудования, включая карданный вал, используемый для питания насосов на газотурбинных установках ГРП. Без них карданный вал остается незащищенным от превышения максимально допустимого крутящего момента и катастрофического отказа. (Изображение предоставлено компанией Voith Turbo)

 

Как работают ограничители крутящего момента

 

Ограничители крутящего момента много лет используются в промышленности, судостроении и автомобилестроении и могут быть разных типов и конфигураций. Фрикционные, предохранительные муфты с гидравлическим нажимом не имеют люфта. В них используются трубки и кольца, работающие на срез, для сброса гидравлического давления превышения максимально допустимого крутящего момента. Сразу после сброса давления происходит расцепление и муфта свободно вращается без контакта между поверхностями трения.

 

Вернуть муфту в работу очень просто: трубки, работающие на срез, заменяют, гидравлическое давление восстанавливается с заданным ограничением по крутящему моменту, выполняется повторное сцепление. Ограничитель крутящего момента можно настроить по калибровочной диаграмме давления относительно крутящего момента, которая прилагается к оборудованию.

 

Стандартная, гидроподжимная, фрикционная муфта с ограничением крутящего момента состоит из внутренней и внешней втулок, которые собраны и сварены на концах. Этот узел образует двухстенную втулку, которая может выдерживать масло под давлением до 1000 бар / 14500 фунтов/дюйм2 после обработки необходимых отверстий трубок, работающих на срез, и герметизации. Герметичность системы обеспечивается конструкцией трубки и соответствующего седла. Размер предохранительной муфты определяет размер и необходимое количество трубок, работающих на срез. Это очень компактная конструкция, поскольку передаваемый крутящий момент возрастает по экспоненте в зависимости от диаметра поверхности трения. Кроме того, поверхность трения обрабатывается для предотвращения износа в момент проскальзывания при расцеплении муфты. После расцепления муфта вращается на подшипниках, предотвращая износ поверхностей трения.

 

Рисунок 2. В случае превышения максимально допустимого крутящего момента трубки, работающие на срез, срезаются, защищая карданный вал от опасного уровня крутящего момента.

 

Рисунок 3. Конструкция и герметизация фрикционной, предохранительной муфты с гидравлическим нажимом

 

При нормальной работе подшипники остаются статичными. Они вращаются только после активации безопасного расцепления, что делает срок службы подшипников незначительным фактором для эксплуатационной надежности муфты. Смазочное масло используется по двум причинам:

 

  1. для смазки подшипников в состоянии расцепления;
  2. для поддержания постоянного коэффициента трения на поверхностях трения для обеспечения точного расцепления при достижении предельного крутящего момента относительно приложенного давления.

 

Рисунок 4. Калибровочная кривая

 

Рисунок 5. Кривая расцепления

 

Калибровка муфты

 

Как уже упоминалось, фрикционные, предохранительные муфты с гидравлическим нажимом не имеют люфта и не подвержены усталости материала, поскольку передача крутящего момента происходит через поверхность трения. Прилагаемое гидравлическое давление создает определенную силу трения между напорной втулкой и валом. Прилагаемое давление определяет, какой крутящий момент будет передаваться через муфту согласно калибровочной кривой муфты. Заданный допуск на крутящий момент для муфты составляет +/- 10 %. Такая степень точности возможна потому, что ни одна деталь, ограничивающая крутящий момент, в данных муфтах не подвержена усталости. Конструкции предохранительных муфт, в которых используются подверженные усталости компоненты (например, стержни или пружины) для контроля расцепления при превышении максимально допустимого крутящего момента, могут со временем изнашиваться, что в итоге приводит к ложным срабатываниям ограничителя крутящего момента.

 

Если рабочий крутящий момент установки превышает заданные по давлению значения, ведущий вал будет вращаться относительно напорной втулки, соединенной с приводным механизмом. Это приводит к немедленному снижению крутящего момента при изменении силы трения со статической на динамическую. Снижение крутящего момента составляет приблизительно 30%, что соответствует изменению трения со статического до динамического.

 

Кольцо, работающее на срез, закрепленное на ведущем вале, вращается относительно напорной втулки и срезает верхнюю часть трубок, работающих на срез. При этом контакте давление масла в муфте падает, а прилагаемая сила трения в муфте снижается, выполняется расцепление предохранительной муфты и полное отсоединение компонентов карданного вала.

 

Оборудование для гидроразрыва

 

При выборе предохранительной муфты для оборудования для гидроразрыва рекомендуется, чтобы рабочая точка муфты была на 20% ниже максимального крутящего момента компонента карданного вала, которому обеспечивается защита. Добавив ограничитель крутящего момента, можно подбирать размеры компонентов приводной системы на основе фактических рабочих условий, а не на основе предполагаемого наихудшего варианта превышения максимально допустимого крутящего момента.

 

При рассмотрении приводной системы для оборудования для гидроразрыва, смонтированного на прицепе, надежная защита от превышения крутящего момента более важна, поскольку при менее точном ограничителе крутящего момента может понадобиться увеличить размер самого слабого компонента, чтобы заранее решить проблемы с конструкцией. При выборе более крупных компонентов, разумеется, увеличивается и вес прицепа.

 

Муфты, ограничивающие крутящий момент, могут устанавливаться на валу, как ступица, или на фланце, как если бы она была разделителем между упругими соединительными муфтами. К тому же, существуют конструкции, которые можно непосредственно установить в какой-либо механизм, например, в редуктор. В продаже также имеются вспомогательные комплектующие для предохранительных муфт. Среди них средства удаленного обнаружения проскальзывания, которые можно использовать в качестве индикатора для оператора или для остановки оборудования.

 

Ради максимального увеличения производительности и защиты дорогостоящего вращающегося оборудования на карданный вал и устанавливают муфту, ограничивающую крутящий момент. Использование надежной фрикционной, предохранительной муфты с гидравлическим нажимом позволяет выбрать оптимальные компоненты карданного вала, чтобы избежать необязательного увеличения размеров компонентов. Это важно в любой области применения, но особенно в ситуациях с передвижным оборудованием, например, для гидроразрыва, смонтированным на прицепах.

 

Тодд Лехман - менеджер по продажам в компании Voith Turbo.

 

Эл. почта: todd.lehman@voith.com.

 

Дополнительная информация представлена на сайте www.voith.com.