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Die Erfindung betrifft einen Stator für. eine Exzenterschneckenmaschine sowie eine mit einem solchen Stator ausgerüstete Exzenterschneckenmaschine. Die Exzenterschneckenmaschine kann eine Exzenterschnecken-Pumpe oder ein Exzenterschnecken-Motor sein, wie sie beispielsweise in Erdöl- oder Erdgas-Bohrvorrichtungen zum Antrieb des Bohrkopfs benutzt werden.
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Exzenterschneckenmaschinen sind grundsätzlich bekannt. Die
US 7,192,260 B2 beschreibt dazu einen Stator bestehend aus einem zylindrischen Rohr, das eine Elastomerauskleidung aufweist. Die Elastomerauskleidung schmiegt sich an die Innenseite des zylindrischen Rohrs an und weist innen das Profil eines mehrgängigen Gewindes mit großer Steigung auf. Von dieser Konstruktion ausgehend, schlägt die genannte Schrift vor, das mehrgängige Gewindeprofil in dem außen zylindrischen Rohr auszubilden, sodass die Elastomerauskleidung dann eine konstante Dicke aufweist. Zur Innenprofilierung des Rohres wird eine elektrochemische Bearbeitung vorgeschlagen.
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Die
US 6,881,045 B2 offenbart einen Stator mit einem zylindrischen äußeren Rohr, in dem ein gegossener Einsatz angeordnet ist, der das Gewindeprofil bildet. Der Einsatz ist mit einer Gummiauskleidung versehen, die eine einheitliche Wandstärke aufweist.
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Weiter offenbaren die
US 5,759,019 und die
US 6,183 ,
226 B1 eine Exzenterschneckenmaschine mit einem zylindrischen Außenrohr, in dem ein profiliertes Rohr aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen dem Profilrohr und dem zylindrischen Außenrohr ist mit einem Verbundwerkstoff gefüllt, der das Profilrohr außen abstützt. Innen ist das Profilrohr mit Gummi ausgekleidet.
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Ein weiteres Beispiel für eine Exzenterschneckenpumpe und deren Rotor ergibt sich aus der
US 8,007,259 B2 . Das äußere Statorrohr dieser Pumpe besteht aus verschiedenen Segmenten, die einen Polygonalquerschnitt umgrenzen. Die Innenauskleidung besteht aus einem elastischen Werkstoff, der das entsprechende Hohlprofil bildet.
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Aus der
US 6 604 921 B1 ist ein Stator für eine Exzenterschneckenmaschine bekannt, der ein außen zylindrisches und innen profiliertes Rohr aufweist, das innen mit einer Auskleidung versehen ist. Diese weist eine wechselnde Dicke auf.
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Die
US 8,944,789 B2 offenbart einen Stator einer Exzenterschneckenmaschine mit einem zylindrischen äußeren Rohr und einer Elastomerauskleidung. Diese ist mit einer Faserverstärkung versehen, die beispielsweise aus Nanotubes, Metallfasern, Keramik oder Polymer besteht.
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Die
US 10,113,426 B2 beschreibt eine Exzenterschneckenmaschine mit einem profilierten. innen und außen mit Gummi umkleideten Rohr, das durch entsprechend profilierte Elemente zur Stabilisierung an äußeren Spannstangen radial abgestützt ist.
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Die
EP 1 738 078 B1 offenbart einen segmentweise aufgebauten Stator einer Exzenterschneckenpumpe. Ein Statorsegment weist ein profiliertes äußeres Rohr, darin ein profiliertes grob perforiertes Rohr und in diesem ein weiteres feiner perforiertes profiliertes Rohr auf. Die innen vorgesehene Gummiauskleidung durchsetzt die Öffnungen der beiden perforierten. Rohre.
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Es hat sich gezeigt, dass jeder dieser Vorschläge mit spezifischen Unzulänglichkeiten einhergeht, sei es ein hoher Produktionsaufwand oder Probleme hinsichtlich der Lebensdauer, zumindest bei bestimmten zum Beispiel mit hoher Belastung einhergehenden Anwendungen.
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Davon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für eine verbesserte Exzenterschneckenmaschine insbesondere für deren Stator anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit dem Stator nach Anspruch 1 gelöst:
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Der erfindungsgemäße Stator weist ein vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise Stahl, bestehendes Rohr auf, das einen Durchgangskanal aufweist. Das Rohr kann einen Kreisquerschnitt, einen nichtkreisförmigen, z.B. polygonalen Querschnitt, z.B. einen Rechteckquerschnitt, einen quadratischen Querschnitt, einen sechseckquerschnitt, einen Achteckquerschnitt oder einen anderweitigen Querschnitt auf. Das Rohr kann als nahtloses Rohr, als geschweißtes Rohr oder mehrteilig, z.B. aus schalenförmigen Teilen zusammengesetzt sein. Es kann sich in Längsrichtung erstreckende Fügestellen aufweisen. Es kann auch in Querrichtung z.B. in Rohrabschnitte unterteilt sein. Im Falle eines nichtkreisförmigen Querschnitts kann dieser entlang der gesamten Länge des Rohrs oder entlang von Abschnitten desselben unverdreht oder auch einer Schraubenlinie folgend verdreht sein.
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In dem Durchgangskanal des Rohrs ist ein aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, bestehendes Profilrohr angeordnet, das innen ein mehrgängiges Helix-Profil hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stützt sich das Profilrohr z.B. lediglich stellenweise, zum Beispiel entlang äußerer schraubenförmiger Berührungslinien an der Innenseite des äußeren Rohrs ab. Innen ist es mit einer Auskleidung versehen, die beispielsweise aus einem Elastomer besteht.
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Mit diesem Grundaufbau lassen sich robuste Statoren und somit robuste Exzenterschneckenmaschinen mit Statorlängen von bis zu mehreren Metern (beispielsweise 5 m) aufbauen, die auch in Betrieb eine gewisse Flexibilität aufweisen und somit an Bohrgestängen auch für lenkbare Bohrköpfe eingesetzt werden können, bei denen die arbeitende Exzenterschneckenmaschine bis zu einem gewissen Biegeradius flexibel seitlich verformbar sein muss.
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Das Profilrohr ist entlang der Umfangsrichtung gewellt, wobei es Wellenberge aufweist, die das zylindrische Rohr innen berühren, sowie Wellentäler, die radial nach innen ragen. Das Profilrohr kann an wenigstens einer Stelle mit dem äußeren Rohr verschweißt oder anderweitig verbunden sein. Durch die eine Verbindungsstelle oder durch die mehreren Verbindungsstellen ist das Profilrohr mit dem äußeren zylindrischen Rohr sowohl drehfest als auch axial unverschiebbar verbunden. Vorzugsweise erstrecken sich die Verbindungen, z.B. Schweißverbindungen, jedoch nicht entlang der gesamten Länge jedes Wellenbergs des Profilrohrs, sondern sind lediglich an voneinander beabstandeten Stellen angebracht. Dadurch wird die gewünschte seitliche Flexibilität des Stators ermöglicht, der den Einsatz an lenkbaren Bohrköpfen ermöglicht, die beim Bohren einen Richtungswechsel gestatten. Es ist aber auch möglich, das Innenrohr lediglich während des Einbringens und verfestigen der Füllmasse (z.B. des Elastomers) zu fixieren. Das Profilrohr ist in diesem Fall nur über die Füllmasse mit dem äußeren Rohr verbunden.
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Das Profilrohr ist vorzugsweise mit einer durchgängigen geschlossenen Wandung ausgebildet, d.h., es ist frei von Öffnungen. Das Profilrohr ist vorzugsweise an keiner Stelle perforiert. Damit wird die Auskleidung gleichmäßig abgestützt und kann unter Druck nicht radial ausweichen. Das Profilrohr weist außerdem vorzugsweise über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt auf. Mit anderen Worten, jeder an einer beliebigen Stelle des Profilrohrs ermittelte Querschnitt lässt sich mit jedem an einer anderen Stelle des Profilrohrs ermittelten Querschnitt lediglich durch Verdrehung um seinen Mittelpunkt in Übereinstimmung bringen. Dies gilt insbesondere auch für die beiden Enden des Profilrohrs.
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Vorzugsweise weist die Auskleidung eine konstante Dicke auf. Sie kann aber auch an radial inneren Stellen eine größere Dicke aufweisen als an radial äußeren Stellen. Außerdem kann sie an ansteigenden Flanken und an absteigenden Flanken der Wellen unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Auskleidung kann benutzt werden, um infolge von Produktionstoleranzenauftretende Maßabweichungen des Profilrohrs auszugleichen. Außerdem können gezielte Dickenvariationen vorgesehen werden, um beispielsweise unterschiedlichen Belastungen an unterschiedlichen Stellen der Auskleidung Rechnung zu tragen. Dies gilt insbesondere für Exzenterschneckenmaschinen mit vorgegebener Laufrichtung. Die Auskleidung kann aber auch an radial inneren Stellen eine geringere Dicke aufweisen als an radial äußeren Stellen. Zugleich können die Materialdicken an den Flanken untereinander gleich bemessen sein. Die Materialdicken an den Flanken können mit den Materialdicken an den Inneren Stellen oder alternativ mit den Materialdicken an den äußeren Stellen übereinstimmen. Weiter ist es möglich, die Materialdicken an den Flanken wie schon oben erläutert, unterschiedlich zu gestalten. In einer Variante weist die in Laufrichtung vorn liegende Flanke eine geringere Dicke auf als die in Laufrichtung hinten liegende Flanke. In einer anderen Variante weist die in Laufrichtung vorn liegende Flanke eine größere Dicke auf als die in Laufrichtung hinten liegende Flanke. Die Dicke oder Materialdicke wird jeweils senkrecht zu der Oberfläche der Auskleidung gemessen.
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Zwischen dem Profilrohr und dem Rohr sind Zwischenräume ausgebildet. Diese können vorzugsweise mit einer Füllmasse gefüllt sein, vorzugsweise einer festen Füllmasse. Die feste Füllmasse kann insbesondere ein Elastomer sein. Dieses ist flexibel, jedoch nicht volumenkompressibel. Vorzugsweise ist das zwischen dem Profilrohr und dem Rohr angeordnete Elastomer stoffidentisch mit dem Elastomer der Auskleidung. Dies sichert eine gute Funktion und ermöglicht eine einfache rationelle Herstellung in wenigen Prozessschritten.
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Die Auskleidung überragt das Profilrohr vorzugsweise axial an einem oder an beiden Enden und geht dort nahtlos in die Elastomerfüllung über, die sich durch die Zwischenräume zwischen Profilrohr erstreckt. An zumindest einem Ende des Profilrohrs, vorzugsweise an beiden Enden desselben, ist somit ein kurzer axialer Abschnitt vorhanden, bei dem die Auskleidung sich ohne Unterstützung des Profilrohrs bis zu dem Rohr erstreckt.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen. Es zeigen:
- 1 den Stator einer Exzenterschneckenmaschine, in schematisierter perspektivischer Darstellung,
- 2 einen Querschnitt durch den Stator geschnitten entlang der Line IIII in 1,
- 3 einen Längsschnitt durch den Stator nach 1 und 2,
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Längsschnitt nach 2,
- 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt entsprechend einem Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
- 6 den Stator nach 5, im Längsschnitt.
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In 1 ist ein Stator 10 einer Exzenterschneckenmaschine veranschaulicht. Der Stator kann zu einer Exzenterschneckenpumpe oder einem Exzenterschneckenmotor gehören. Er weist ein außen vorzugsweise zylindrisches Rohr 11 auf, das an einem oder beiden Enden mit Anschlussmitteln zum Anschluss weiterer Maschinenkomponenten versehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dazu an beiden Enden jeweils ein konisches Gewinde 12, 13 (siehe auch 3) vorgesehen. Das Rohr 11 weist innen vorzugsweise einen zylindrischen Durchgangskanal mit glatter Wandung auf. Bedarfsweise kann die innere Wandung 14 jedoch auch eine Profilierung aufweisen, beispielsweise Längsrillen oder dergleichen. Das Rohr 11 besteht vorzugsweise aus einem Metall, wie beispielsweise Stahl. Das Rohr 11 kann ein nahtloses Rohr oder auch ein anderweitig erzeugtes Rohr sein.
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In dem Durchgangskanal ist ein Profilrohr 15 angeordnet, das vorzugsweise ebenfalls aus einem Metall, beispielsweise Stahl besteht. Das Profilrohr 15 ist entsprechend einer mehrgängigen Helix mit großer Steigung profiliert. Im vorliegenden Beispiel legt das Profilrohr 15 eine 8-gängige Helix fest. Entsprechend weist der Querschnitt nach 2 acht Wellenberge und acht Wellentäler auf. Mit anderen Worten, das Profilrohr 15 ist in Umfangsrichtung gewellt. Die Wellenberge berühren dabei vorzugsweise die Innenseite 16, d.h., die Wandung des Rohrs 11 oder begrenzen mit dieser einen engen Spalt.
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An zumindest einer Stelle 17, vorzugsweise an mehreren Stellen 17, 18, 19, ist das Profilrohr 15 fest mit dem Rohr 11 verbunden. Vorzugsweise ist eine direkte stoffliche Verbindung zwischen dem Rohr 11 und dem Profilrohr 15 vorgesehen, beispielsweise eine Schweißverbindung. Die einzelnen Verbindungsstellen 17, 18, 19 sind vorzugsweise axial und in Umfangsrichtung (Drehrichtung bezüglich einer Mittelachse 20) voneinander beabstandet. Dadurch ist das Profilrohr 15 axial fest und außerdem drehfest in dem Rohr 11 gesichert, wobei die das Profilrohr 15 und Rohr 11 bestehenden Anordnung eine gewisse Flexibilität hinsichtlich einer Biegung der Gesamtanordnung bewahrt.
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Das Profilrohr 15 ist mit einer Auskleidung 21 versehen, die der Form des Profilrohrs 15 im Wesentlichen folgt. Sie kann gemäß 2 eine im Wesentlichen konstante gleichbleibende Dicke aufweisen. Vorzugsweise kann sie jedoch auch, wie es aus 3 hervorgeht, an ihren radial innen liegenden Stellen eine größere Dicke aufweisen, wie dies beispielhaft in 3 an den Stellen 22, 23 erkennbar ist. Mit anderen Worten, die Auskleidung 15 kann an den radial innen liegenden Partien eine größere Dicke aufweisen, als an den radial außen liegenden Partien. Außerdem kann die Auskleidung 15, wie in 3 angedeutet, an ihren radial innen liegenden Partien eine Feinstruktur aufweisen, indem dort eine oder mehrere geringfügig nach innen vorspringende Kanten vorgesehen sind, die als Dichtungslippen 24 wirken.
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Weiter ist es möglich, die Dicke der Auskleidung 15 an jeweils zwei Flanken jedes Gewindegangs unterschiedlich zu gestalten. In 2 ist dies exemplarisch veranschaulicht. Beispielsweise kann die Dicke der Auskleidung an einer gegen die Laufrichtung liegenden Flanke 24 von der dicke der Auskleidung an einer in Laufrichtung liegenden Flanke 25 verschieden sein. Damit lassen sich gezielt Verschleißeigenschaften und Druckfestigkeit der Exzenterschneckenmaschine steuern.
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Der Stator 10 weist zwischen dem Profilrohr 15 und dem Rohr 11 Zwischenräume 26 auf, die mit einem inkompressiblen Stoff, insbesondere einem Elastomer gefüllt sein können. Damit ist das Profilrohr 15 sowohl an seiner Außenseite als auch an seiner Innenseite mit Elastomer verbunden. Der so gebildete Elastomerkörper 27 erstreckt sich vorzugsweise, wie es 3 zeigt, über beide Enden 28, 29 des Profilrohrs 15 axial hinaus, sodass die von der Auskleidung 21 gebildete Profilierung jenseits der beiden Enden 28, 29 ausschließlich von dem Elastomerkörper 27 erbracht wird. 4 veranschaulicht dies anhand des Endes 28 des Stators 10.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform, die in den 5 und 6 veranschaulicht ist, sind die Zwischenräume 26 leer oder mit einem anderen inkompressiblen Stoff gefüllt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen festen wenig flexiblen Stoff wie zum Beispiel einem Kunststoff, ein Elastomer, ein Harz, ein Metall, rieselfähige Feststoffe, Beton oder dergleichen.
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Ein erfindungsgemäßer Stator für eine Exzenterschneckenmaschine weist ein Rohr mit einem ersten Querschnitt und ein darin angeordnetes Profilrohr aus Metall auf mit einem anderen, zweiten Querschnitt. Das Profilrohr trägt innen eine Auskleidung aus einem Elastomer. Vorzugsweise ist der zwischen dem Profilrohr und dem Rohr ausgebildete Zwischenraum mit einem Stoff aus einem Elastomer gefüllt. Dieser Stator zeichnet sich durch gute technische Eigenschaften und einfache Fertigungsmöglichkeit aus.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stator
- 11
- Rohr
- 12, 13
- Gewinde
- 14
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- 15
- Profilrohr
- 16
- Innenseite des Rohrs 11
- 17 - 19
- Schweißverbindungen
- 20
- Längsachse
- 21
- Auskleidung
- 22, 23
- Stellen
- 24, 25
- Flanken
- 26
- Zwischenraum
- 27
- Elastomerkörper
- 28, 29
- Enden des Profilrohrs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7192260 B2 [0002]
- US 6881045 B2 [0003]
- US 5759019 [0004]
- US 6183 [0004]
- US 226 B1 [0004]
- US 8007259 B2 [0005]
- US 6604921 B1 [0006]
- US 8944789 B2 [0007]
- US 10113426 B2 [0008]
- EP 1738078 B1 [0009]
