DE1019563B - Hydrostatischer Antrieb fuer doppeltwirkende Kolbenpumpen, insbesondere fuer Spuelpumpen von Tiefbohranlagen in Duplex-Anordnung - Google Patents

Description

• Hydrostatischer Antrieb für doppeltwirkende Kolbenpumpen, insbesondere für Spülpumpen von Tiefbohranlagen in Duplex-Anordnung Die größeren Teufenanforderungen und die Steigerung der Bohrleistung im Erdölbohrbetrieb, insbesondere auch einige Spezialbohrverfahren (Bohrturbine), stellen besondere Anforderungen an die Leistung und Einsatzbereitschaft der Spülpumpen. Die Forderung der Erdölbetriebe ist besonders auf Spülpumpen mit größerer Förderleistung bei höheren Betriebsdrücken und hohen statischen Enddrücken, insbesondere für das Zementieren, gerichtet. Da heute Stillstands- und Wartezeiten häufig durch die Spülpumpen verursacht sind, legt man auf geringste Störanfälligkeit, zeitsparenden Umbau und schnellstmöglichen Einsatz von Hilfsaggregaten (Stand-by-Pumpen) besonderen Wert.
• Der üblichen doppeltwirkenden Duplex- und Triplex-Getriebepumpe sind für diese Anforderungen Grenzen gesetzt. Die Leistungssteigerung, besonders die hohen Drücke, fordern eine schwere Getriebekonstruktion, die das Gewicht, die Schwerfälligkeit und die Schläge des pulsierenden Förderbetriebes vergrößern. Die dabei auftretenden hydraulischen Stöße sind äußerst nachteilig, weil sie sich nicht allein auf die Pumpen selbst, sondern auf das gesamte Spülleitungssystem mit Spülschlauch, Kupplungen, Spülkopf und Bohrgestänge, also auf lebenswichtige Bestandteile der Anlage auswirken.
• Durch die Schläge in der Spülleitung werden oft Druckspitzen erreicht, welche die zulässigen Höchstdrücke weit übersteigen. Daraus entstehen Hinterspülungen und Brüche, die Zeit und Geld für die Instandsetzung kosten. Da bei steigendem Druck auch die Schwankungen .wachsen, gibt es konstruktiv und praktisch bisher kaum Abhilfsmöglichkeiten.
• Durch den Einbau von Windkesseln und Stoßdämpfern - pulse damper - lassen sich die Druckspitzen wohl mindern, nicht aber beseitigen. Der Einbau dieser Dämpfer bedingt zudem weitere Kosten und Gewichte und vergrößert außerdem die Störanfälligkeit der Pumpenanlage. Durch die Walkarbeit des Trennelementes (mit Stickstoff gefüllte Gummiblase) zwischen der Gas- und der Flüssigkeitskammer ist stets eine Störquelle gegeben, und wenn auch nicht alle bekannten Bauarten die gleichen Nachteile haben, so hat doch jede ihre besonderen.
• Die Pumpenstöße wirken sich nicht nur auf den Wasserteil, sondern besonders auf das Zahnradgetriebe der Pumpe und die weiterhin erforderlichen Vorschaltgetriebe aus. Diese Vorschaltgetriebe kann man zwar durch drehelastische Kupplungen schützen, aber das Zahnradgetriebe der Pumpen selbst ist immer gefährdet, zumal es bei zunehmendem Verschleiß der Stopfbüchsen der Ölverunreinigung durch das sandhaltige Fördergut ausgesetzt ist, was zur vorzeitigen Zerstörung der für den Leichtbau hochgezüchteten Triebwerksteile führt. Die Aufstellung der üblichen Getriebepumpe ist stets vom Kraftfluß des mechanischen Getriebes abhängig. Dadurch bestimmt sich beispielsweise auch der Platzbedarf eines Zusatzaggregates, und so ergeben sich oft Schwierigkeiten für die Unterbringung einer Stand-by-Pumpe auf einem Transportschlitten oder Fahrzeug.
• Die aufgezeigten Mängel können weitestgehend durch den hydrostatischen Antrieb einer Kolbenpumpe vermieden werden. Mit einer Kraftmaschine, beispielsweise einem im Bohrbetrieb üblichen Dieselmotor, wird eine an sich bekannte Axialkolbenpumpe mit stufenlos regelbarer Förderleistung (etwa nach System Thoma), möglichst ohne zwischengeschaltete Getriebestufe, angetrieben. Die Förderflüssigkeit dieser Pumpe wird über ein Hochdruckleitungssystem dem hydraulischen Arbeitszylinder zugeleitet, dessen Kolben über eine gegebenenfalls geteilte Kolbenstange mit dem Kolben der Arbeitspumpe unmittelbar gekoppelt ist.
• Eine solche Anordnung ist gebräuchlich bei Dampf-und Druckluftpumpen, bei denen vorzugsweise die Füllung des Antriebszylinders durch eine Schieber-oder Ventilsteuerung geregelt wird. Bei einer Einzylinderpumpe mit dem oben beschriebenen hydrostatischen Antrieb kann gegebenenfalls die Steuerung am Treibkolben entfallen, wenn durch Verschwenken der Axialkolbenpumpe die Flußrichtung der Betriebsflüssigkeit umgekehrt wird. Das Schwenken über den Nullpunkt in die entgegengesetzte Flußrichtung bei konstanter .Leistung kann mittels eines Servoaggregates durch Anschläge an den Umkehrpunkten gesteuert werden, wobei die Drucksteigerung bei der Mengenminderung die Beschleunigung der oszillierenden Teile fördert. Die langbübige Einzylinderpumpe und besonders die Parallelschaltung zweier solcher Einzylinderpumpen mit getrennten hydrostatischen Antriebsteilen bringen zwar geringe Vorzüge in der Leistungscharakteristik, da aber kein zwangläufiger Gleichtakt besteht, ist die mögliche Überlagerung der Umkehrpunkte nicht ausgeschlossen.
• Mit der vorbeschriebenen Anordnung wird die unabhängige Aufstellung der Pumpe von der Antriebsmaschine, eine leichtere und unempfindlichere Bauart und die stufenlose Regelbarkeit ohne Kolbenwechsel, nicht aber eine konstante Förderleistung erreicht.
• Es sind nun allerdings auch schon Pumpenbauarten bekannt, bei denen durch Anordnung zusätzlicher Hilfssteuervorrichtungen die- den einzelnen Arbeitszylindern zugeordneten Hauptsteuervorrichtungen so beeinflußt werden, daß die Umsteuerung der Arbeitskolben im Sinne einer möglichst pausenlosen und gleichmäßigen Förderleistung immer zu verschiedenen Zeiten erfolgt. Dabei handelt es sich jedoch um solche Steuervorrichtungen, die nur einen gemeinsamen Hilfssteuerschieber für den Antrieb der beiden Hauptsteuerschieber haben und wobei letztere die Umsteuerung von einfachwirkenden Pumpenantriebskolben, also lediglich an einem Hubende derselben durchführen sollen. Eine derartige Steuereinrichtung ist demnach für doppeltwirkende Mehrzylinderpumpen, die gerade als Spülpumpen für Tiefbohranlagen -üblich -sind, weder vorgesehen noch geeignet. Außerdem können jene einfachwirkenden Pumpenkolben nicht einmal die zu fördernde Flüssigkeit selbsttätig ansaugen, sondern müssen zur Durchführung ihres unwirksamen Rückhubes von der in den Zylinder einströmenden Flüssigkeit mit einem gewissen Druck beaufschlagt werden.
• Demgegenüber besteht die sich auf einen hydrostatischen Antrieb für. -Mehrzylinder-, insbesondere Duplex-Kolbenpumpen beziehende Erfindung im wesentlichen darin, daß für die Hauptsteuerschieber der mit den Arbeitskolben der Pumpe verbundenen hydraulischen Antriebskolben Vorsteuereinrichtungen vorgesehen sind, die bei z. B. mechanisch-hydraulischer Ausbildung aus je zwei Schiebern bestehen, von denen der eine als Regelorgan für die an sich übliche -wechselseitige Umsteuerung des Hauptsteuerschiebers in seinen Endlagen und der andere als V orwählorgan bei innerhalb eines bestimmten Bereiches früherer Annäherung des zugehörigen Antriebskolbens an eine Endlage im Vergleich zu dem bzw. den anderen Kolben zum vorzeitigen Umsteuern des ersteren dient. -wobei ferner ein gemeinsames Umschaltorgan vorgesehen ist, das in Verbindung mit den beiden Vorwählorganen gegebenenfalls jeweils die vorzeitige Umsteuerung nur eines bzw. des einer Totpunktlage näheren Antriebskolbens zuläßt.
• Weitere Einzelheiten sind aus der nachstehenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu ersehen, deren Merkmale nur zusammen mit dem Gegenstand des Hauptanspruches unter Schutz gestellt werden.
• In der Pumpe sind keine rotierenden Triebwerksteile erforderlich, die die Hochdruckpumpe mit stoßweisem Förderbetrieb zu einer schweren und störanfälligen Bauart zwingen. Der stets unter Überdruck, stehende hydraulische Antriebsteil ist der Verschmutzung durch das Fördergut nicht ausgesetzt. Die Umsteuerung des Antriebskolbens kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektrisch oder durch eine beliebige Kombination betätigt «erden.
• In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine doppeltwirkende Duplexpumpe mit mechanischhydraulischen Vorsteuereinrichtungen dargestellt und init gleichen Bezugsziffern für die einander entsprechenden Teile beider Pumpeneinheiten versehen. Die mechanischen Teile erleichtern die Übersicht, während ein @-orzug des hydraulischen Systems darin besteht, daß die zum Antrieb der Pumpenkolben ohnehin benötigte Druckflüssigkeit auch für die Steuervorgänge mitbenutzt werden kann. Dessen ungeachtet ist die Erfindung im Sinne des Hauptanspruches undsätzlich auch mit andersartig U gen, etwa rein niechanischen, pneumatischen oder elektrischen Vorsteuereinrichtungen ausführbar.
• je ein Arbeitskolben 1 der Duplexpumpe ist über einen wasserseitigen Kolbenstangenteil 2, eine Kupplungsmuffe 3 mit Ausleger 3' und einen antriebsseitigen Kolbenstangenteil 4 mit einem Hydraulikkolben5 starr v erbunden. Dieses sind die einzigen Teile, die oszillierend die Kraft von der Antriebs- auf die Arbeitsseite übertragen. -Mit der Abstufung der beiden Zylinderdurchmesser kann in einfacher Forin eine U ntersetzungsstufe angeordnet werden. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Kolben und die zugehörige Kolbenstange einerseits des Antriebsteiles und andererseits des Arbeitsteiles verhältnisgleich zueinander abgestuft sind, damit die konstante Förderleistung bei Hin- und Rückgang gewährleistet ist. Für die -wechselseitige Beaufschlagung des Antriebskolbens 5 ist ein hydraulisch betätigter Vierwegehauptsteuerschieber 6 vorgesehen, der seinerseits durch ein nachstehend näher erläutertes Vorsteuersystein beeinflußt wird.
• Der an der Kolbenstangenverbindungsmuffe 3 befestigte Ausleger 3' ist mit seinem äußeren, ringförmig ausgebildeten Ende auf einer Steuerstange 7 geführt, wo es als -litnehmer die dein Hubweg der Kolben 1, 5 entsprechende Strecke durchläuft. Zwischen zwei Lagern 8, 9 sind zwei Stellringe 10, 11 auf der Steuerstange 7 befestigt, gegen die zwei gegeneinandergeschaltete Druckfedern12 arbeiten und die Steuerstange in ihre -Mittellage zurückbringen, wenn der Mixnehmer 3' den Anschlag 10 oder 11 nach der -Mitte zu verläßt. Zwei Endanschläge 13 auf der Steuerstange 7 bewirken durch Mitnahme des Stößels 14 des einen Vorsteuerschiebers 15 die Umschaltung des Hauptsteuerschiebers 6 in den Endumkehrpunkten des Arbeitskolbens 5 dadurch, daß die Steuerleitung zum Hauptsteuerschieber -wechselseitig druckbeaufschlagt -wird. Der Vorsteuerschieber 15 wird durch gegeneinanderwirkende Federn stets in die -Mittellage zurückgebracht. Soweit entspricht diese Anordnung etwa einem bei Dampf- oder Druckluftpumpen üblichen Vorsteuer systern.
• Außerdem sind nun aber im vorliegenden Falle noch -weitere Teile der Vorsteuereinrichtung vorhanden, durch die eine Überlagerung der Umkehrpunkte beider Arbeitskolben 1 trotz fehlender zwangläufiger Steuerung vermieden wird. Beim Anschlag des Auslegers 3' an den Stellring 10 oder 11 -wird über einen Raster 16, der ebenfalls durch entgegenwirkende Federn 17 normalerweise in Mittelstellung gehalten wird, der Stößel 18 eines zweiten Vorsteuerschiebers 19 in Dreikolbenbauart betätigt. Dieser zum Vorwählen eines Umsteuervorganges dienende Schielfer 19 gibt bei entsprechender Lage im linken Teil den Weg zu einem gemeinsamen, auch als Schieber ausgebildeten Umschaltorgan 20 frei, während in seinem rechten Teil die Zuflußrichtung vom Umschaltschieber 20 zum einen oder anderen Hauptsteuerschieber 6 gewählt wird. Betätigt wird ein Hauptsteuerschieber erst dann, wenn am Gegenzylinder der gleiche Vorsteuervorgang ausgelöst wird.
• Wenn z. B. der in der Zeichnung obere Antriebskolben 5 seinen zugehärigen Vorwählschieber 19 früher betätigt als der untere Antriebskolben den seinigen, dann fließt das Druckmittel durch den Zylinder des unteren Vorwählschiebers 19 (links), durch den Umschaltschieber 20 und auch durch den Zylinder des oberen Vorwählschiebers 19 (rechts), so daß der obere Hauptsteuerschieber 6 von rechts nach links verschoben wird. Der obere Antriebskolben 5 würde also umkehren, ehe er seine (linke) Endstellung erreicht hat, während der untere Antriebskolben 5 seinen Weg bis zur (rechten) Endumsteuerung mit zeitweise erhöhter Laufgeschwindigkeit durchführt. Durch den Anschlag der Vorwählung des Gegenkolbens ausgelöst, steuert also stets derjenige Kolben um, der zuerst seine Vorwählung betätigt hat. Bei gleichzeitiger Betätigung beider Vorwählschieber 19 kann der Steuerkolben des Umschaltschiebers nicht Verändert werden, da er dann beiderseits gleichzeitig druckbeaufschlagt wird. Die letzte Steuerstellung bestimmt in diesem Fall die Umschaltung nur eines Hauptsteuerschiebers.
• Der Raster 16 wird in der Kolbenendstellung durch Kniehebel aus der Mitnehmerscheibe des Stößels 18 herausgehoben und kehrt, durch die Federn 17 gezwungen, in die -Mittellage zurück. Gleichzeitig wird der Vorwählschieber 19 durch Federn in l;littellage gebracht, so daß alle Zuleitungen des Vorwählschiebers geschlossen sind, wenn der Vorsteuerschieber 15 betätigt wird. Während der rückläufigen Bewegung im Vorwählbereich kann also keine Umsteuerung erfolgen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Hydrostatischer Antrieb für doppeltwirkende Mehrzylinder-, insbesondere Duplex-Kolbenpumpen ohne gegenseitige mechanische Koppelung, insbesondere für Spülpumpen von Tiefbohranlagen, mit einem eine gleichbleibende Gesamtleistung gewährleistenden Steuersystem, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hauptsteuerschieber (6) der mit den Arbeitskolben (1) der Pumpe verbundenen hydraulischen Antriebskolben (5) Vorsteuereinrichtungen vorgesehen sind, die bei z. B. mecha.nisch-hydraulischer Ausbildung aus je zwei Schiebern (15, 19) bestehen, von denen der eine (15) als Regelorgan für die an sich übliche wechselseitige Umsteuerung des . Hauptsteuerschieber s in seinen Endlagen und der andere (19) als Vorwählorgan bei innerhalb eines bestimmten Bereiches früherer Annäherung des zugehörigen Antriebskolbens an eine Endlage im Vergleich zu dem bzw. den anderen Kolben zum vorzeitigen Umsteuern des ersteren dient, wobei ferner ein gemeinsames Umschaltorgan (20) vorgesehen ist, das in Verbindung mit den beiden Vorwählorganen (19) gegebenenfalls jeweils die vorzeitige Umsteuerung nur eines bzw. des einer Totpunktlage näheren Antriebskolbens zuläßt.
2. 2. Pumpenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schieber (15, 19) jeder Vorsteuereinrichtung als an sich bekannte Mehrkolbenschieber ausgebildet sind und durch entgegengesetzte Federkräfte in einer jeden Druckmitteldurchfluß absperrenden --Mittellage gehalten werden, solange keine anderweitige äußere Kraft auf sie einwirkt.
3. 3. Pumpenantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schieber (15, 19) jeder Vorsteuereinrichtung durch Organe (13 bzw. 16) betätigt werden, die auf einer von der Kolbenstange (4) zeitweilig mitgenommenen Steuerstange (7) angeordnet sind.
4. 4. Pumpenantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des einen Schiebers (15) durch zwei kurz vor den Kolbenendlagen in Richtung des jeweiligen Kolbenhubes wirksam werdende, auf der Steuerstange (m.) fest angeordnete Anschläge (13) und die Betätigung des anderen Schiebers (19) durch einen für zweiseitige -Mitnahme geeigneten Raster (16) erfolgt, der mittels entgegengesetzter Federkräfte in einer Gleichgewichtslage gehalten wird und aus dieser gegen einen zunehmend elastischen Widerstand in begrenztem Ausmaße relativ zur Steuerstange (4) verschiebbar ist.
5. 5. Pumpenantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils vor einem Anschlag (13) zum Eingriff kommende Raster (16) beim Erreichen einer Kolbenendlage mittels entsprechender Elemente von dem Stößel (18) des zugehörigen Vorwählschiebers (19) selbsttätig wieder gelöst wird und darauf ebenso wie der letztere in seine Gleichgewichtsmittellage zurückkehrt.
6. 6. Pumpenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß für die von den Vorsteuereinrichtungen geregelte Beaufschlagung der Hauptsteuerschieber (6) das gleiche Druckmittel dient wie für die von den Hauptsteuerschiebern geregelte Beaufschlagung der Antriebskolben (5). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 911450, 891496, 871691, 685 069, 644 378; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1692103.