DE112017004882T5

DE112017004882T5 - Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen

Info

Publication number: DE112017004882T5
Application number: DE112017004882.6T
Authority: DE
Inventors: Wesley John Nowitzki; Thomas John Gottschalk
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-27
Also published as: NO20190482A1; US20180149157A1; CA3037048C; BR112019009032A2; WO2018098452A1; MX2019005036A; CA3037048A1; CO2019004246A2; US10054123B2; GB2569076A; SA519401644B1; AR110248A1; GB2569076B; CN110192037A; GB201904959D0; CN110192037B

Abstract

Ein Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen. Ein Drehmomentübertragungssystem für eine Kreiselpumpe beinhaltet eine Lagerhülse oberhalb eines Laufrads, wobei die Lagerhülse und eine Nabe des Laufrads eine drehbare Welle umgeben und durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt sind, wobei die Lagerhülse eine abgestufte untere Kante aufweist, wobei eine obere Kante der Nabe entgegengesetzt zu der unteren Kante der Lagerhülse derart abgestuft ist, dass sich die obere Kante und die untere Kante verzahnen, wobei ein Spiel zwischen sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten der verzahnten Kanten vorhanden ist, wobei sich das Spiel nach der Reduzierung der Drehmomentübertragung zwischen dem Keil und der Hülse schließt, sodass der sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitt der abgestuften oberen Kante den sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitt der abgestuften unteren Kante berührt, wodurch eine Drehung der Hülse mit der drehbaren Welle aufrechterhalten wird. Eine Kreiselpumpe beinhaltet Module mit einer Reihe von abgestuften, verzahnten Laufrädern.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
In dieser Schrift beschriebene Ausführungsformen der Erfindung betreffen das Gebiet elektrischer Tauchpumpen. Insbesondere ermöglichen eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung unter anderem ein Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Ein Fluid, wie etwa Gas, Öl oder Wasser, befindet sich oftmals in unterirdischen Formationen. Wenn der Druck in dem Bohrloch nicht ausreicht, um ein Fluid aus dem Bohrloch zu treiben, muss das Fluid an die Oberfläche gepumpt werden, damit es gesammelt, getrennt, raffiniert, verteilt und/oder verkauft werden kann. Kreiselpumpen werden typischerweise in elektrischen Tauchpumpen-(electric submersible pump - ESP-)Anwendungen zum Befördern von Bohrlochfluid an die Oberfläche verwendet. Kreiselpumpen übertragen Energie auf ein Fluid, indem das Fluid mittels eines drehenden Laufrads beschleunigt wird, das mit einem nicht drehenden Diffusor gekoppelt ist, die zusammen als eine „Stufe“ bezeichnet werden. Bei mehrstufigen Kreiselpumpen können mehrere Stufen aus Laufrad- und Diffusorpaaren verwendet werden, um die Druckbeaufschlagung weiter zu erhöhen. Die Stufen werden in Reihe um die Pumpenwelle gestapelt, wobei jedes folgende Laufrad auf einem Diffusor der vorhergehenden Stufe sitzt. Die Pumpenwelle erstreckt sich in Längsrichtung durch die Mitte der gestapelten Stufen. Die Welle dreht sich und das Laufrad mit der Welle verkeilt, was bewirkt, dass sich das Laufrad mit der Welle dreht.
Herkömmliche ESP-Baugruppen beinhalten manchmal Lagersätze, um Radial- und Druckkräfte, die während des Betriebs auf die Pumpe wirken, zu tragen. Der Lagersatz besteht für gewöhnlich aus einer Hülse und einer Buchse. Die Hülse ist mit der Welle verkeilt und dreht sich mit der Welle. Die Buchse wird in den Diffusor um die Hülse gedrückt und sollte sich nicht drehen.
Das durch die Pumpe strömende Produktionsfluid enthält oftmals feste Abriebstoffe, wie etwa Sand, Gestein, Gesteinspartikel, Böden oder Schlämme, welche Schäden an den Pumpenkomponenten verursachen können. Um Abrieb entgegenzuwirken, sind die drehbare Hülse und die Buchse des Lagersatzes herkömmlicherweise aus Wolframcarbid-Verbundmaterial gefertigt, das ein Bindemittel, wie etwa Cobalt, beinhaltet. Bei dem Wolframcarbid-Cobalt-Verbundmaterial handelt es sich um ein hartes, sprödes Material mit einem Härtewert im Bereich von 90-100 HRA. Die gehärtete Hülse und Buchse werden in der ESP-Branche oftmals als abriebfeste Verkleidung oder „AR-Verkleidung“ (abrasive resistant - AR) bezeichnet.
Bei dem Keil, der die Hülse an der ESP-Welle sichert, handelt es sich herkömmlicherweise um einen dünnen, langen rechteckigen Streifen mit einer Länge von etwa 36 Zoll, der aus behandeltem Stahl oder einer Austenit-Legierung mit einer Härte von etwa 72 HRA (40-60 HRC) gefertigt ist. Der Keil sichert in Keilnuten sowohl in der Hülse als auch der Welle, wobei ermöglicht wird, dass sich die Hülse mit der Welle dreht. Materialien mit einer Härte von 40-60 HRC (72 HRA) werden typischerweise für ESP-Keile verwendet, weil sie verformbarer als härtere, sprödere Materialien und somit einfach herzustellen sind und zulassen, dass der Keil einer Wellenverdrehung standhält. Laufräder sind in einer ähnlichen Weise mit der ESP-Welle verkeilt, wobei mehrere Keile entlang der Länge der Welle übereinander gestapelt sind.
Ein Problem, das sich bei herkömmlichen Keilen ergibt, ist das Fretting des Keils. Während des Betriebs der ESP-Baugruppe vibriert die Welle innerhalb der Hülse. Diese Vibration kann in vielfältigen Arten von axial über lateral zu torsional auftreten und dazu führen, dass die Wolframcarbid-Hülse wiederholt gegen den weicheren Keil schlägt und/oder reibt, was zu einem Materialverlust auf dem Keil führt. Darüber hinaus reibt in sandigen Umgebungen, der durch die Pumpe strömende Sand das weichere Keilmaterial innerhalb der Hülse ab und induziert eine Zerstörung desselben. Wenn der Keil 20 % oder mehr in Bezug auf die Dicke verliert, kann dieser Zustand eine asynchrone Drehung zwischen der Hülse und der Welle bewirken. Die asynchrone Drehung bewirkt den Verschleiß der Welle, der letztendlich zu einem Wellenbruch führt. Darüber hinaus kann ein abgenutzter Keil bewirken, dass sich die Hülse innerhalb der Buchse wie ein „Spirograph“ bewegt, was das Fretting verschärft und zu einem Scherversagen führt. Ein ausgedünnter oder gebrochener Keil überträgt nicht ausreichend Drehmoment zwischen der Welle und der Hülse, was ein Versagen des Lagersatzes, einen Wellenbruch und eine Verkürzung der Betriebszeit der Pumpe bewirkt.
Einige herkömmliche Ansätze zur Übertragung von Drehmoment zwischen einer ESP-Welle und einer AR-Hülse schreiben Brüche Winkelablenkungen in der Welle zu, auch bekannt als „Wellenverdrehung“. Diese Ansätze nehmen an, dass die Winkelablenkungen der Welle auf die Hülse übertragen werden, und versuchen, das Problem zu lösen, indem der Keil aus der Hülse gänzlich eliminiert wird. Bei diesen „keillosen“ Ansätzen sind Endringe oder Antriebsmuffen oberhalb und unterhalb der Hülse verkeilt, um die harten „keillosen“ Hülsen indirekt zu drehen. In einigen Fällen drehen die Antriebsmuffen die Hülse unter Verwendung eines abgewinkelten Zahns an, der eine Aussparung in der Hülse in Eingriff nimmt. Das Problem bei diesen herkömmlichen Ausgestaltungen liegt darin, dass sie zu einer hohen Spannungskonzentration in der Basis der verbleibenden Keilnuten führen und sie kaum bis keinen Schutz gegen Abriebschäden an den Keilen bereitstellen, welche die Endringe, Muffen oder Laufräder drehen. Die Keile der Endringe und Antriebsmuffen selbst sind anfällig für Scheren, insbesondere in Abriebsumgebungen, und im gescherten Zustand versagen die Pumpen gänzlich, da das ganze „keillose“ System aufhört, sich mit der Welle zu drehen. Unerwünschterweise erfordern diese Ausgestaltungen zudem Komponenten, wie etwa Federn, Endringe und Antriebsmuffen, deren Einbau komplex, teuer und umständlich sein kann.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, weisen aktuell verfügbare Drehmomentübertragungssysteme für Kreiselpumpen, die in ESPs eingesetzt werden, viele Defizite auf. Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen.
KURZDARSTELLUNG
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen ein Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen.
Es wird ein Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen beschrieben. Eine veranschaulichende Ausführungsform eines Drehmomentübertragungssystems für eine Kreiselpumpe beinhaltet eine Lagerhülse oberhalb eines Laufrads, wobei die Lagerhülse und eine Nabe des Laufrads eine drehbare Welle umgeben und durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt sind, wobei die Lagerhülse eine abgestufte untere Kante aufweist, wobei eine obere Kante der Nabe entgegengesetzt zu der unteren Kante der Lagerhülse derart abgestuft ist, dass sich die obere Kante und die untere Kante verzahnen, wobei ein Spiel zwischen sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten der verzahnten Kanten vorhanden ist, wobei sich nach der Reduzierung der Drehmomentübertragung zwischen dem Keil und der Lagerhülse das Spiel schließt, sodass der sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitt der abgestuften oberen Kante den sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitt der abgestuften unteren Kante berührt, wodurch eine Drehung der Lagerhülse mit der drehbaren Welle aufrechterhalten wird. In einigen Ausführungsformen definiert der sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitt der abgestuften unteren Kante der Lagerhülse eine Antriebsfläche der Lagerhülse, wobei sich die Antriebsfläche unterhalb einer Lagerfläche der Lagerhülse befindet, und ferner beinhaltend eine nicht drehbare Buchse um die Lagerfläche. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die Lagerhülse einen Flansch, der sich radial nach außen um die Oberseite der Hülse über die Buchse erstreckt, wobei der Flansch einen Schub der Kreiselpumpe trägt. In einigen Ausführungsformen sitzt der Keil in einer Keilnut, die sich entlang eines Innendurchmessers der Lagerfläche der Hülse, entlang eines Innendurchmessers der Antriebsfläche erstreckt und weiter von dem Innendurchmesser der Antriebsfläche der Hülse entlang eines Innendurchmessers einer Nabenfläche verläuft. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet das Drehmomentübertragungssystem ferner eine Abstandshülse oberhalb der Lagerhülse, wobei die Abstandshülse eine abgestufte obere Kante beinhaltet, die mit einem unteren Ende einer zweiten Nabe eines zweiten Laufrads oberhalb der Abstandshülse verzahnt ist. In einigen Ausführungsformen bewirkt die Reduzierung der Drehmomentübertragung eine asynchrone Drehung zwischen der Lagerhülse und der drehbaren Welle, um das Spiel zu schließen.
Eine veranschaulichende Ausführungsform einer Kreiselpumpe beinhaltet ein Modul, einschließlich einer drehbaren Welle, einer Reihe von auf der drehenden Welle gestapelten Laufrädern, wobei jedes Laufrad eine Nabe beinhaltet, die durch einen Keil an der drehbaren Welle gesichert ist, wobei die Reihe von Laufrädern ein oberstes Laufrad und ein unterstes Laufrad beinhaltet, einer Flanschhülse, die oberhalb des obersten Laufrads mit der drehbaren Welle verkeilt ist, einer Abstandshülse, die unterhalb des untersten Laufrads mit der drehbaren Welle verkeilt ist, und wobei jedes Laufrad der Reihe von Laufrädern eine abgestufte Kante an einem oberen Ende der Nabe und eine abgestufte Kante an einem unteren Ende der Nabe beinhaltet, wobei die Enden sich gegenüberliegender Naben entgegengesetzt abgestuft sind, um sich so mit einem ersten Spiel zwischen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten zu verzahnen, wobei das obere Ende der Nabe des obersten Laufrads mit einer abgestuften unteren Kante der Flanschhülse mit einem zweiten Spiel zwischen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten verzahnt ist, und wobei das untere Ende der Nabe des untersten Laufrads mit einer abgestuften oberen Kante der Abstandshülse mit einem dritten Spiel zwischen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden Kanten verzahnt ist. In einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl der Module auf der drehenden Welle gestapelt, wobei eine erste Modulabstandshülse oberhalb einer zweiten Modulflanschhülse angeordnet ist, wobei jede einer Unterseite der ersten Modulabstandshülse und einer Oberseite der zweiten Modulflanschhülse bezüglich der Länge in Längsrichtung einheitlich sind. In bestimmten Ausführungsformen sind in der Reihe von Laufrädern zwischen zwei und vier Laufräder vorhanden. In einigen Ausführungsformen schließen sich das erste, das zweite und das dritte Spiel nach einer Reduzierung der Drehmomentübertragung des Keils, sodass die Berührung zwischen den in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten die eine Drehung der Flanschhülse, der Abstandshülse und der Reihe von Laufrädern mit der drehbaren Welle aufrechterhält. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die Flanschhülse eine Lagerfläche und eine Antriebsfläche, wobei die Antriebsfläche den in Längsrichtung verlaufenden Abschnitt beinhaltet, sowie ferner beinhaltend eine nicht drehbare Buchse, welche die Lagerfläche umgibt.
Eine veranschaulichende Ausführungsform eines Drehmomentübertragungssystems für eine Kreiselpumpe beinhaltet eine drehbare Welle, die sich in Längsrichtung durch eine Nabe eines Laufrads erstreckt, wobei die Nabe durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt ist, eine Hülse, die durch den Keil an der drehbaren Welle gesichert ist, wobei sich die Hülse oberhalb des Laufrads befindet und eine Lagerfläche beinhaltet, die sich in Umfangsrichtung um die drehbare Welle erstreckt, eine Antriebsfläche, wobei sich die Antriebsfläche zwischen der Lagerfläche und eines oberen Abschnitts der Nabe befindet, und wobei sich die Antriebsfläche teilweise um die drehbare Welle erstreckt, um eine abgestufte untere Kante der Hülse zu bilden, wobei der obere Abschnitt der Nabe entgegengesetzt zu der unteren Kante abgestuft ist, mit einem Spiel zwischen sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten des oberen Abschnitts der Nabe und der unteren Kante der Hülse, sich das Spiel nach der Reduzierung der Drehmomentübertragung zwischen dem Keil und der Hülse schließt, sodass die Berührung zwischen den sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten eine Drehung der Hülse mit der drehbaren Welle aufrechterhält. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich der Keil über einen Innendurchmesser der radialen Lagerfläche und der Antriebsfläche der Hülse. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die Hülse einen sich radial erstreckenden Flansch um eine Oberseite der Lagerfläche. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Drehmomentübertragungssystem ferner eine Buchse, die sich um die Lagerfläche erstreckt.
Eine veranschaulichende Ausführungsform einer Kreiselpumpe beinhaltet eine drehbare Welle, eine Hülse, die sich axial unterhalb eines sich radial erstreckenden Flansches erstreckt, wobei die Hülse mit der drehbaren Welle verkeilt ist und eine Lagerfläche, die sich in Umfangsrichtung um eine erste axiale Länge unterhalb des Flansches um die drehbare Welle erstreckt, eine Antriebsfläche beinhaltet, die sich von und unterhalb der Lagerfläche um eine zweite axiale Länge unterhalb der Lagerfläche teilweise um die drehbare Welle erstreckt, und wobei eine untere Kante der Lagerfläche, eine untere Kante der Antriebsfläche und das Paar sich in Längsrichtung erstreckender Kanten zusammen eine abgestufte Hülsenkante bilden, ein Laufrad um die drehbare Welle unterhalb der Hülse, wobei das Laufrad eine Nabe beinhaltet, wobei ein oberes Ende der Nabe eine Nabenkante beinhaltet, die entgegengesetzt zu der Hülsenkante abgestuft ist, und wobei die Nabenkante und die abgestufte Hülsenkante miteinander verzahnt sind. In einigen Ausführungsformen sind die Lagerfläche und die Antriebsfläche der Hülse durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt. In bestimmten Ausführungsformen kann nach dem Scheren des Keils die Berührung zwischen der einen des Paares von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanten und einem sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitt der Nabenkante eine Drehung der Hülse mit der drehbaren Welle aufrechterhalten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Kreiselpumpe ferner eine nicht drehbare Buchse, die sich um die Lagerfläche der Hülse erstreckt. In einigen Ausführungsformen weist die Buchse eine Länge auf, die im Wesentlichen gleich der ersten axialen Länge ist. In bestimmten Ausführungsformen ist eine untere Kante der Nabe entgegengesetzt zu einem oberen Ende einer zweiten Nabe eines mit der drehbaren Welle verkeilten Laufrads abgestuft. In einigen Ausführungsformen überträgt die Berührung zwischen dem unteren Ende der Nabe und dem oberen Ende der zweiten Nabe Drehmoment zwischen dem Laufrad und dem zweiten Laufrad.
In weiteren Ausführungsformen können Merkmale von konkreten Ausführungsformen mit Merkmalen von anderen Ausführungsformen kombiniert sein. Zum Beispiel können Merkmale von einer Ausführungsform mit Merkmalen von beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert sein. In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale zu den in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen hinzugefügt sein.
Figurenliste
Vorteile der vorliegenden Erfindung können dem Fachmann unter Nutzung der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden, wobei Folgendes gilt:

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Lagerhülse einer veranschaulichenden Ausführungsform.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Laufrads einer veranschaulichenden Ausführungsform.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Kreiselpumpe einer veranschaulichenden Ausführungsform, bei der ein Teil weggeschnitten ist.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Lagersatzes einer veranschaulichenden Ausführungsform.
5A ist eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentübertragungssystems einer veranschaulichenden Ausführungsform mit einem Spiel zwischen sich gegenüberliegenden verzahnten Kanten.
5B ist eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentübertragungssystems einer veranschaulichenden Ausführungsform mit einem geschlossenen Spiel zwischen sich gegenüberliegenden verzahnten Kanten.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Moduls einer veranschaulichenden Ausführungsform.
7A ist eine perspektivische Ansicht benachbarter Module einer Kreiselpumpe einer veranschaulichenden Ausführungsform.
7B ist eine Querschnittsansicht benachbarter Module einer Kreiselpumpe einer veranschaulichenden Ausführungsform.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Tauchpumpenbaugruppe einer veranschaulichenden Ausführungsform.

Während die Erfindung gegenüber verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen anfällig ist, werden konkrete Ausführungsformen davon beispielhalber in den Zeichnungen gezeigt und können in dieser Schrift detailliert beschrieben werden. Die Zeichnungen sind unter Umständen nicht maßstabsgetreu. Es versteht sich jedoch, dass die in dieser Schrift beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen nicht dazu gedacht sind, die Erfindung auf die konkrete offenbarte Form zu beschränken, sondern im Gegenteil beabsichtigt ist, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Schutzumfang der angehängten Patentansprüche fallen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird ein Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen beschrieben. In der folgenden beispielhaften Beschreibung werden zahlreiche konkrete Details dargelegt, um ein umfassenderes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu bereitzustellen. Für einen Durchschnittsfachmann ist jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann, ohne alle Aspekte der in dieser Schrift beschriebenen konkreten Details zu verkörpern. In anderen Fällen wurden konkrete Merkmale, Mengen oder Messwerte, die dem Durchschnittsfachmann hinlänglich bekannt sind, nicht im Detail beschrieben, um die Erfindung dadurch nicht undeutlich zu machen. Für die Leser ist anzumerken, dass, obgleich hier Beispiele für die Erfindung dargelegt sind, es die Patentansprüche und der volle Umfang aller Äquivalente sind, die den Schutzumfang und Rahmen der Erfindung definieren.
Im Zusammenhang mit dieser Patentschrift und den beigefügten Patentansprüchen schließen die Singularformen „ein(e/r)“ und „der/die/das“ Pluralbezüge mit ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Somit beinhaltet zum Beispiel Bezug auf „einen Keil“ zwei oder mehr Keile.
„Gekoppelt“ bezieht sich entweder auf eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung (z. B. mindestens eine dazwischenliegende Verbindung) zwischen einem bzw. einer oder mehreren Objekten oder Komponenten. Der Ausdruck „direkt angebracht“ bedeutet eine direkte Verbindung zwischen Objekten oder Komponenten.
Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnen die Ausdrücke „äußere/r/s“, „außen“ oder „nach außen“ die radiale Richtung weg von der Mitte der Welle der elektrischen Tauchpumpe (ESP) und/oder der Öffnung einer Komponente, durch die sich die Welle erstrecken würde.
Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnen die Ausdrücke „innere/r/s“, „innen“ oder „nach innen“ die radiale Richtung zur Mitte der Welle der ESP und/oder der Öffnung einer Komponente, durch die sich die Welle erstrecken würde.
Im vorliegenden Zusammenhang beziehen sich die Ausdrücke „axiale/r/s“, „axial“, „in Längsrichtung verlaufende/r/s“ und „in Längsrichtung verlaufend“ austauschbar auf die Richtung, die sich entlang der Länge der Welle einer ESP-Baugruppenkomponente, wie etwa eines Pumpeneinlasses, einer mehrstufigen Kreiselpumpe, eines Dichtungsabschnitts, eines Gasabscheiders oder einer Ladepumpe, erstreckt.
Im Zusammenhang mit dieser Patentschrift und den beigefügten Patentansprüchen beziehen sich „stromabwärts“ oder „nach oben“ austauschbar auf die in Längsrichtung verlaufende Richtung, die im Wesentlichen mit dem Hauptfluss des geförderten Fluids übereinstimmt, wenn die Pumpenbaugruppe in Betrieb ist. Als Beispiel dienend, jedoch nicht zur Einschränkung, kann es sich bei der Stromabwärtsrichtung bei einer vertikalen Bohrloch-ESP-Baugruppe um die Richtung zur Oberfläche des Bohrlochs handeln. Die „Oberseite“ eines Elements bezieht sich auf die am weitesten stromabwärts gelegene Seite des Elements, ungeachtet dessen, ob das Element horizontal, vertikal ausgerichtet ist oder sich durch einen Radius erstreckt. „Oberhalb“ bezieht sich auf ein Element, das weiter stromabwärts angeordnet ist als das Element, mit dem es verglichen wird.
Im Zusammenhang mit dieser Patentschrift und den beigefügten Patentansprüchen beziehen sich „stromaufwärts“ oder „nach unten“ austauschbar auf die in Längsrichtung verlaufende Richtung, die im Wesentlichen dem Hauptfluss des geförderten Fluids entgegengesetzt ist, wenn die Pumpenbaugruppe in Betrieb ist. Als Beispiel dienend, jedoch nicht zur Einschränkung, kann es sich bei der Stromaufwärtsrichtung bei einer vertikalen Bohrloch-ESP-Baugruppe um die Richtung entgegengesetzt zur Oberfläche des Bohrlochs handeln. Die „Unterseite“ eines Elements bezieht sich auf die am weitesten stromaufwärts gelegene Seite des Elements, ungeachtet dessen, ob das Element horizontal, vertikal ausgerichtet ist oder sich durch einen Radius erstreckt. „Unterhalb“ bezieht sich auf ein Element, das weiter stromaufwärts angeordnet ist als das Element, mit dem es verglichen wird.
Im vorliegenden Zusammenhang werden „Sand“ und „sandig“ verallgemeinernd verwendet, um sich auf einen beliebigen Feststoff oder Schlamm zu beziehen, wie etwa Stützmittel, Sand, Schmutz, Gestein und/oder Abriebteilchen, die in dem geförderten Bohrlochfluid enthalten sind und durch die ESP-Baugruppe und/oder die Kreiselpumpe von veranschaulichten Ausführungsformen strömen.
Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die veranschaulichenden Ausführungsformen in dieser Schrift im Zusammenhang mit einer ESP-Baugruppe beschrieben. Das Drehmomentübertragungssystem von veranschaulichenden Ausführungsformen kann jedoch auf eine beliebige Kreiselpumpe angewendet werden, die mit einer Antriebswelle verkeilte Komponenten aufweist, und kann insbesondere in den Fällen nützlich sein, in denen der Drehmoment übertragende Keil zu scheren droht, wie etwa in sandigen Umgebungen und/oder dort, wo eine abriebfeste Verkleidung (AR-Verkleidung) eingesetzt wird. Darüber hinaus können die Ausführungsformen in einer beliebigen Komponente einer ESP-Baugruppe eingesetzt werden, die AR-Verkleidungen, Stufen, Module und/oder Komponenten einsetzt, die sich durch einen Keil an einer Welle drehen, wie etwa ein Gasabscheider, eine Ladepumpe und/oder eine primäre mehrstufige Kreiselpumpe.
Veranschaulichende Ausführungsformen können ein sekundäres Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen bereitstellen, die einen oder mehrere Keile als primären Mechanismus zum Übertragen von Drehmoment zwischen der Antriebswelle der Pumpe und den drehbaren Komponenten der Pumpe einsetzen, um die drehbaren Komponenten während des Pumpenbetriebs zu drehen. Veranschaulichende Ausführungsformen können eine konstante Drehung einer Flanschhülse, eines Laufrads und/oder einer Abstandshülse im dem Falle aufrechterhalten, dass ein Keil schert, verschleißt, Fretting erfährt, bricht oder anderweitig kein Drehmoment überträgt und/oder eine reduzierte Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle auf der einen Seite und der Hülse, dem Laufrad und/oder Abstandshülse auf der anderen Seite bereitstellt. In einigen Fällen ist es am wahrscheinlichsten, dass der Abschnitt des Keils, der die harte Lagerhülse berührt, aufgrund von Fretting bricht, auch wenn veranschaulichende Ausführungsformen einen verbesserten Betrieb in Bezug auf einen beliebigen Keil bereitstellen können, der innerhalb einer Stufe und/oder eines Moduls von veranschaulichten Ausführungsformen scheren oder Fretting erfahren kann, wie etwa der Keil einer Abstandshülse und/oder eines Laufrads. Veranschaulichende Ausführungsformen können den Fall eines Wellenbruchs reduzieren, den Fall eines Lagerversagens reduzieren, die Bewältigung von Wellenverdrehung verbessern und/oder die Betriebszeit einer ESP-Pumpe in sandigen Umgebungen verlängern, ohne dass beliebige neue Komponenten in die Pumpe eingefügt werden müssen.
Veranschaulichende Ausführungsformen können abgestufte Kanten rohrförmiger, drehbarer Pumpenkomponenten, wie etwa einer radialen Stützhülse, einer Flanschhülse, eines Laufrads und/oder einer Abstandshülse, beinhalten. Die Kanten jeder Hülse und/oder Nabe können abgestuft sein, um zwei Bereiche mit unterschiedlicher axialer Länge auf einer einzelnen Komponente bereitzustellen, sodass jede drehbare Komponente einen Umfangsabschnitt, der bezüglich der in Längsrichtung verlaufenden Länge kürzer ist, und einen Umfangsabschnitt aufweist, der bezüglich der in Längsrichtung verlaufenden Länge länger ist. Eine sich in Längsrichtung erstreckende Kante kann den langen und den kurzen Umfangsabschnitt der Komponente verbinden. Kanten von sich gegenüberliegenden, benachbarten drehbaren Komponenten können entgegengesetzt geformt und/oder entgegengesetzt zueinander gekerbt sein, sodass ein langer Abschnitt einer ersten Komponente mit einem kurzen Abschnitt einer benachbarten Komponente zusammenpasst und/oder sich benachbarte Komponenten verzahnen, sich bezüglich der Länge entlang der Welle überlappen und/oder miteinander verbinden. Ein Spiel kann sich zwischen sich gegenüberliegender, in Längsrichtung erstreckender Kanten erstrecken, wenn der Keil zur Übertragung von Drehmoment dient. Im Falle eines Keilausfalls oder -festigkeitsverlusts kann sich das Spiel zwischen sich gegenüberliegenden, in Längsrichtung verlaufenden Kanten schließen und kann die Berührung zwischen den Stufen eine konstante Drehung der drehbaren Komponenten über die gesamte Länge des gebrochenen oder beschädigten Keils zulassen. Im Falle von geringfügigem Fretting des Keils können die abgestuften Kanten dem Keil, der dem Fretting ausgesetzt war, die primäre Drehmomentübertragungsfunktion abnehmen.
Veranschaulichende Ausführungsformen können einen sekundären Drehmomentübertragungsmechanismus in Systemen bereitstellen, die Keile als primären Drehmomentübertragungsmechanismus einsetzen. Veranschaulichende Ausführungsformen können eine kontinuierliche und synchrone Drehung eines ganzen Pumpenmoduls bereitstellen, ungeachtet der bestimmten Position eines gebrochenen oder geschwächten Keils. Veranschaulichende Ausführungsformen können den Eingriffsbereich zwischen einer Hülse und einem Keil vergrößern, ohne Wellenverdrehungsspannungen zu erhöhen, indem die Spannungen entlang der Hülse umverteilt werden.
1 veranschaulicht eine beispielhafte Hülse einer veranschaulichenden Ausführungsform. Bei einer Lagerhülse 100 kann es sich um eine Flanschhülse handeln, die sowohl eine Druck- als auch Radialstütze bereitstellt und einen Flansch 105 beinhaltet. Der Flansch 105 kann sich radial nach außen von und um einen sich radial erstreckenden rohrförmigen Abschnitt 125 erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei der Lagerhülse 100 um eine Radialstützhülse handeln und der Flansch 105 kann weggelassen sein. Der rohrförmige Abschnitt 125 kann eine Welle 300 (gezeigt in 3) aufnehmen. Ein Innendurchmesser 155 der Lagerhülse 100 und/oder des rohrförmigen Abschnitts 125 kann Keilnuten 150 für den Sitz eines Keils 305 (gezeigt in 3) beinhalten. Bei der Lagerhülse 100 kann es sich um eine abriebfeste Verkleidung (AR-Verkleidung) handeln und sie kann aus einem harten Material gefertigt sein, wie etwa einem Wolframcarbid-Verbundmaterial, Wolframcarbid, Siliciumcarbid, Titancarbid oder einem anderen ähnlichen Carbid-Material.
Eine untere Kante 110 der Lagerhülse 100 kann abgestuft sein, wobei der rohrförmige Abschnitt 125 mit zwei unterschiedlichen Längen und/oder einer längeren Seite und einer kürzeren Seite gebildet wird. Wie in 1 gezeigt, kann die untere Kante 110 der Hülse abgestuft sein und/oder wasserfallähnlich geformt sein, mit einem ähnlichen Erscheinungsbild wie ein Hoch-Tief-Saum. Die Lagerhülse 100 kann eine Lagerfläche 115 und eine Antriebsfläche 120 beinhalten. Bei der Antriebsfläche 120 kann es sich um eine in Längsrichtung verlaufende Verlängerung von der Lagerfläche 115 handeln, die benachbart unterhalb nur eines Abschnitts der Lagerfläche 115 verläuft. Eine mit der Lagerhülse 100 gekoppelte Buchse 400 (gezeigt in 4) kann die Lagerfläche 115, jedoch nicht die Antriebsfläche 120, umgeben, wobei sich die Antriebsfläche 120 unterhalb der Buchse 400 erstrecken kann. Die Lagerfläche 115 kann sich um 360° um die Lagerhülse 100 erstrecken, wohingegen sich die Antriebsfläche 120 nur teilweise um den Umfang der Lagerhülse 100 erstrecken kann, zum Beispiel um 90°, 180° oder 240° um die Lagerhülse 100, um das abgestufte und/oder wasserfallähnliche Merkmal der unteren Kante 110 zu erzeugen, ähnlich dem Erscheinungsbild einer Vokuhila-Frisur. Die abgestufte untere Kante 110 der Hülse kann die Wirkung der Wellenverdrehung reduzieren, indem ein Abschnitt der Länge der Hülse 100 kurz gehalten wird, während gleichzeitig die Länge des Eingriffs des Keils 300 mit der Hülse 100 vergrößert wird.
Unter Bezugnahme auf 4 kann nun eine Buchse 400 die Lagerfläche 115 der Lagerhülse 100 umgeben. Die Buchse 400 kann in die Wand eines Diffusors 330 pressgepasst (reibschlüssig) sein oder es kann sich um ein nachgiebiges Lager mit einem Elastormerring 405 zwischen der Buchse 400 und der Wand des Diffusors 330 handeln. Zusammen können die Buchse 400 und die Lagerhülse 100 einen hydrodynamischen Lagersatz bilden, während sich die Lagerhülse 100 innerhalb der nicht drehenden Buchse 400 dreht.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann eine untere Kante 110 durch eine untere Kante 130 der Lagerfläche und eine untere Kante 140 der Antriebsfläche gebildet werden und/oder diese beinhalten, wobei sei durch ein Paar von in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 verbunden und/oder gekoppelt sind. Bei der unteren Kante 130 der Lagerfläche und der unteren Kante 140 der Antriebsfläche kann es sich jeweils um einen Abschnitt eines Kreises handeln. Zusammen können die untere Kante 140 der Antriebsfläche und die untere Kante 130 der Lagerfläche 360° oder etwa 360° umlaufen, wobei sie einen vollständigen Kreis oder einen etwa vollständigen Kreis um die Lagerhülse 100 bilden. Die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 können die untere Kante 130 der Lagerfläche und die untere Kante 140 der Antriebsfläche verbinden und/oder koppeln. Die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 können sich axial erstrecken oder sich etwa in einer in Längsrichtung verlaufenden Richtung erstrecken, um eine Stufe zwischen der unteren Kante 130 der Lagerfläche und der unteren Kante 140 der Antriebsfläche, ähnlich einer Treppenstufe, zu bilden. Schnittstellen 145 zwischen den in Längsrichtung verlaufenen Kanten 135 auf der einen Seite und der unteren Kante 140 der Antriebsfläche und/oder der unteren Kante 130 der Lagerfläche auf der anderen Seite können abgerundet, gekrümmt und/oder glatt sein. Die Lagerhülse 100 kann in der gewünschten abgestuften Form gegossen werden und/oder kann derart gegossen werden, dass sie mit der längsten Länge des rohrförmigen Abschnitts 125 übereinstimmt, und dann geschliffen werden, um eine abgestufte untere Kante 110 der Hülse zu erzeugen.
Die Keilnuten 150 können sich auf dem Innendurchmesser 155 der Lagerhülse 100 entlang des Abschnitts der Lagerhülse 100, der die Antriebsfläche 120 beinhaltet, erstrecken. Das Einbeziehen der Keilnuten 150 auf der längeren Seite und/oder der längsten Seite des rohrförmigen Abschnitts 125 kann den Eingriffsbereich zwischen dem zusammenpassenden Keil 305 und der drehbaren Lagerhülse 100 vergrößern. Das abgestufte Merkmal der unteren Kante 110 der Hülse kann die Vergrößerung des Eingriffsbereichs zwischen dem Keil 305 und dem Innendurchmesser 155 der Hülse 100 ermöglichen, ohne Spannungen von der Verdrehung der Welle 300 zu erhöhen oder diese wesentlich zu erhöhen, da die untere Kante 130 der Lagerfläche kürzer als die untere Kante 140 der Antriebsfläche bleibt. In einem veranschaulichenden Beispiel kann die Lagerfläche des rohrförmigen Abschnitts bezüglich der axialen Länge (z. B. die Länge von dem Flansch 105 zur unteren Kante 130 der Lagerfläche) 0,465 Zoll betragen und die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 können bezüglich der Länge etwa 0,300 Zoll betragen und/oder die untere Kante 140 der Antriebsfläche kann 0,300 Zoll kürzer als die untere Kante 130 der Lagerfläche sein. In diesem Beispiel kann die längste Seite des rohrförmigen Abschnitts 125 etwa 0,765 Zoll lang sein und die Keilnuten 150 beinhalten und kann die kurze Seite des rohrförmigen Abschnitts 125 0,465 Zoll lang sein. Andere Längen des rohrförmigen Abschnitts 125 können gleichermaßen eingesetzt werden, wobei die Antriebsfläche 120 der Hülse 100 50 %, 65 %, 75 % länger ist oder eine andere ähnliche Zunahme bei der Länge im Vergleich zu der Lagerfläche 115 aufweist. Die abgestufte Form der Hülse 100, die durch die abgestufte untere Kante 110 gebildet wird, kann die Spannungsverteilung entlang der Hülse 100 verändern, was die Fähigkeit zur Bewältigung der Wellenverdrehung verbessern kann.
2 veranschaulicht ein Laufrad einer veranschaulichenden Ausführungsform. Ein Laufrad 200 kann eine Nabe 205, eine untere Ummantelung 225 und eine obere Ummantelung 235 beinhalten. Schaufeln 310 (gezeigt in 3) können sich zwischen der Nabe 205 und den Laufradummantelungen 225, 235 erstrecken. Ein Wuchtring 240 kann sich axial um den Umfang der oberen Ummantelung 235 erstrecken und eine Einfassung 275 kann sich nach unten um und von der unteren Ummantelung 225 erstrecken. Ausgleichsbohrungen 245 können sich durch die obere Ummantelung 235 erstrecken. Die Nabe 205 kann in einer rohrförmigen Weise die Welle 300 umgeben und die Keilnut 150 an einem Innendurchmesser 230 beinhalten, wobei die Keilnut 150 mit dem Keil 305 zusammenpasst. Die Nabe 205 kann ein oberes Ende 210 der Nabe und ein unteres Ende 215 der Nabe beinhalten. Eines oder beide des oberen Endes 210 der Nabe und des unteren Endes 215 der Nabe können eine abgestufte Nabenkante 250 beinhalten, die der unteren Kante 110 der Lagerhülse 100 ähnlich ist. Wie in 2 gezeigt, weisen das obere Ende 210 der Nabe und das untere Ende 215 der Nabe eine Hoch-Tief-, abgestufte und/oder wasserfallähnlich geformte abgestufte Nabenkante 250 auf. Die abgestufte Nabenkante 250 an dem oberen Ende 210 der Nabe des Laufrads 200 kann entgegengesetzt zur unteren Kante 110 der Lagerhülse 100 geformt sein, sodass, wenn die Lagerhülse 100 auf eine drehbare Welle oberhalb des Laufrads 200 gestapelt wird, die untere Kante 110 der Lagerhülse 100 und die abgestufte Nabenkante 250 an dem oberen Ende 210 der Nabe entgegengesetzt zueinander geformt sind, sich einander gegenüberliegen, miteinander verbunden sind, sich bezüglich der Länge entlang der Welle 300 überlappen und/oder sich verzahnen. Wenn sich ein zweites Laufrad 200 unterhalb eines ersten Laufrads 200 befindet, kann sich in ähnlicher Weise die abgestufte Nabenkante 250 an dem unteren Ende 215 der Nabe des ersten Laufrads 200 mit einer abgestuften Nabenkante 250 an dem oberen Ende 210 der Nabe des zweiten Laufrads 200 verzahnen, das sich unterhalb des ersten befindet.
Die abgestufte Nabenkante 250 kann die Antriebsfläche 120 beinhalten, bei der es sich um eine in Längsrichtung verlaufende Verlängerung von einer Nabenfläche 260 handelt, wobei sich die Antriebsfläche 120 nur teilweise um den Umfang der Welle 300 und/oder der Nabe 205 erstrecken kann. Die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 können eine obere Kante 265 der Antriebsfläche und mit einer oberen Kante 270 der Nabe verbinden und/oder an diese koppeln. In einigen Ausführungsformen kann sich die Antriebsfläche 120 um etwa die gleiche Höhe erstrecken wie der Wuchtring 240, sodass die obere Kante 265 der Antriebsfläche mit der Oberseite des Wuchtrings 240 ausgerichtet ist. Die Keilnut 150 der Nabe kann sich entlang des Innendurchmessers 230 der Nabenfläche 260 und/oder der Antriebsfläche 120 erstrecken. Wie in 4 gezeigt, kann sich die Antriebsfläche 120 des Laufrads 200 auf der gegenüberliegenden Seite der Nabe 205 von der Keilnut 150 des Laufrads 200 erstrecken. Wenn sich in diesem Beispiel das Laufrad 200 direkt unterhalb des Hülse 100 befindet, kann sich der Keil 305 entlang des Innendurchmessers 155 sowohl der Lagerfläche 115 als auch der Antriebsfläche 120 der Lagerhülse 100 erstrecken und dann weiter entlang des Innendurchmessers 230 der Nabe der Nabenfläche 260, jedoch nicht der Antriebsfläche 120 des Laufrads 200, verlaufen.
3 veranschaulicht die Verzahnung und/oder das Zusammenpassen zwischen der Lagerhülse 100 und der Nabe 205 in einer mehrstufigen Kreiselpumpe 325 einer veranschaulichenden Ausführungsform. In 3 ist die abgestufte Nabenkante 250 an dem oberen Ende 210 der Nabe mit der unteren Kante 110 der Lagerhülse 100 verzahnt und/oder zusammengepasst. Wenn der Keil 305 dazu dient, Drehmoment ohne eine Reduzierung der Drehmomentübertragung und/oder der Festigkeit zu übertragen, kann sich ein Spiel 315 zwischen der in Längsrichtung verlaufenden Kante 135 der unteren Kante 110 der Hülse 100 und der gegenüberliegenden in Längsrichtung verlaufenden Kante 135 der abgestuften Nabenkante 250 erstrecken. In einer veranschaulichenden Ausführungsform kann ein Spiel bezüglich der Breite 0,001-0,0625 Zoll betragen. Das Spiel 315 kann die Montage eines Moduls 600 (gezeigt in 6) und eine Stapelung mit Toleranzen vereinfachen. In einigen Ausführungsformen, in denen die Toleranzsteuerung im Wesentlichen perfekt ist, ist das Spiel 315 unter Umständen nicht notwendig und/oder kann null betragen und können die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 an der Baugruppe einander in Eingriff genommen haben und/oder sich berühren. Die abgestufte Nabenkante 250 kann entgegengesetzt zu der Form der unteren Kante 110 der Hülse und/oder der abgestuften Kante direkt oberhalb der abgestuften Nabenkante 250 bearbeitet und/oder gearbeitet und/oder geformt sein. In einigen Ausführungsformen kann das untere Ende 215 der Nabe in ähnlicher Weise die abgestufte Nabenkante 250 beinhalten, die sich mit dem oberen Ende 210 der Nabe eines benachbarten Laufrads 200, das sich in dem Stapel unterhalb des unteren Endes 215 der Nabe befindet, verbinden und/oder verzahnen. Ein Raum 320 kann sich zudem zwischen Umfangsabschnitten der unteren Kante 110 der Hülse und der abgestuften Nabenkante 250 erstrecken, sodass sich das obere Ende 210 der Nabe und die Lagerhülse 100 nicht berühren, je nach Komprimierung der Kreiselpumpe 325.
In 3 ist die Lagerhülse 100 derart gezeigt, dass sie mit der Nabe 205 des Laufrads 200 verzahnt (verbunden) ist, wobei das Spiel 315 zwischen der in Längsrichtung verlaufenden Kante 135 der abgestuften Nabenkante 250 und der in Längsrichtung verlaufenden Kante 135 der unteren Kante 110 der Lagerhülse 100 vorhanden ist. Wie in 3 gezeigt, sind die Nabe 205 und die Lagerhülse 100 aneinander angepasst, passen sie zusammen und/oder verzahnen sich miteinander, obwohl sich das obere Ende 210 der Nabe und die untere Kante 110 der Hülse unter Umständen nicht berühren. 3 veranschaulicht die Positionierung der Kanten, wenn sich der Keil 305 nicht einem geschwächten oder gescherten Zustand befindet. Das Laufrad 200 kann mit einen nicht drehenden Diffusor 330 und/oder Träger gekoppelt sein, um eine Kreiselpumpenstufe 335 zu bilden. Die drehbare Welle 300 kann sich mittig und in Längsrichtung durch die Lagerhülse 100 und die Nabe 205 des Laufrads 200 erstrecken, die sich jeweils mit der Welle 300 drehen können. Der Keil 305, der in den Keilnuten 150 an den Innendurchmessern der Lagerhülse 100 und der Nabe 205 sitzt, kann eine primäre Drehung für die Lagerhülse 100 und/oder das Laufrad 200 bereitstellen, solange der Keil 305 in einem ungeschwächten Zustand bleibt.
5A veranschaulicht eine Verzahnungsposition der Lagerhülse 100 und der Nabe 205, wenn der Keil 305 eine primäre Drehmomentübertragung von der Welle 300 auf die Lagerhülse 100 und von der Welle 300 auf das Laufrad 200 bereitstellt. 5A zeigt eine beispielhafte Position der unteren Kante 110 der Lagerhülse 100, die mit der abgestuften Nabenkante 250 verzahnt ist, wenn der intakte Keil 305 Drehmoment zwischen der Welle 300 und der Lagerhülse 100 und/oder dem Laufrad 200 überträgt. Wie in 5A gezeigt, dreht sich die Welle 300 im Uhrzeigersinn 500 und das Spiel 315 ist zwischen den benachbarten und/oder sich gegenüberliegenden, in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 der Lagerhülse 100 und des Laufrads 200 vorhanden. Die Kanten 110, 250 überlappen sich entlang der Welle 300, sodass sich ein Abschnitt der Nabe 205 über einen Abschnitt der Hülse 100 hinaus entlang der Welle 300 und umgekehrt erstreckt. Im Falle, dass der Drehmoment übertragende Keil 305 Fretting erfährt, schert, bricht oder verschleißt, beispielsweise 20 % oder mehr seiner Dicke verliert, bleiben die Keilnuten 150 der Lagerhülse 100 und des Laufrads 200 unter Umständen nicht mehr parallel zu einander aufgrund einer asynchronen Drehung zwischen der Welle 300 und der Lagerhülse 100, was bewirkt, dass sich das Spiel 315 schließt und die in Längsrichtung verlaufenden Abschnitte 135 der unteren Kante 110 der Hülse und die abgestufte Nabenkante 250 einander berühren.
5B veranschaulicht eine verzahnte Position der Lagerhülse 100 und der Nabe 205, wenn der Keil 305 seine Festigkeit verliert und/oder abgerieben wird, sodass eine reduzierte Drehmomentübertragung bereitgestellt wird und/oder ein Verlust der Drehmomentübertragung auftritt. Wie in 5B gezeigt, kann die Drehung de Welle 300 im Uhrzeigersinn 500, während der Keil 305 abgenutzt wird und/oder Fretting erfährt, eine asynchrone Drehung, die durch den Pfeil 505 veranschaulicht wird, bewirken und zum Schließen des Spiels 315 führen. Wenn sich das Spiel 315 schließt, können die benachbarten in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 der Hülse 100 und des Laufrads 200 einander berühren. Die Berührung 510 zwischen der Lagerhülse 100 und dem Laufrad 200 kann ermöglichen, dass sich die Lagerhülse 100 und das Laufrad 200 trotz des Verschleißes, des Scherens oder eines anderen Ausfalls des Keils 305 wieder und/oder weiter mit der gleichen Rate drehen. Wenn zum Beispiel die Lagerhülse 100, die aus einem harten Material, wie etwa Wolframcarbid-Verbundmaterial, gefertigt ist, Fretting durch den Keil 305 erfährt, kann sich das Spiel 315 aufgrund einer Fehlausrichtung zwischen den Keilnuten 150 der Lagerhülse 100 und des Laufrads 200 und/oder einer asynchronen Drehung zwischen der Lagerhülse 100 und der Welle 300 schließen. Wenn in einem anderen Beispiel der Keil 305, der sich entlang der Laufradnabe 205 erstreckt, abgerieben und geschwächt wird, kann sich das Spiel 315 auf der gegenüberliegenden Seite der Hülse 100 und der Nabe 205 in ähnlicher Weise schließen. In derartigen Fällen können sich die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 der abgestuften Nabenkante 250 an dem oberen Ende 210 der Nabe und der unteren Kante 110 der Lagerhülse 100 in Umfangsrichtung bewegen, um einander zu berühren. Sobald sich die Kanten 250, 110 berühren 510, kann das Laufrad 200 die Lagerhülse 100 mit dem Laufrad 200 drehen oder kann die Lagerhülse 100 das Laufrad 200 mit der Lagerhülse 100 mit der gleichen Drehzahl mittels des Berührungsbereichs 510 drehen. Somit kann Drehmoment von dem Laufrad 200 auf die Hülse aufgrund des Berührungsbereichs 510 entlang der Länge oder eines Abschnitts der Länge von sich gegenüberliegender, in Längsrichtung erstreckender Kanten 135 übertragen werden. Sollte der Keil 205 an dem Laufrad 200 scheren, kann die Antriebsfläche 120 der Lagerhülse 100 das Laufrad 200 drehen, beispielsweise angetrieben durch einen intakten Abschnitt desselben Keils 205 oder durch einen oder mehrere nicht geschwächte benachbarte Keile 205.
6 veranschaulicht ein Kreiselpumpenmodul einer veranschaulichenden Ausführungsform. In 6 sind der untere Teil eines ersten Moduls 600a und der obere Teil eines zweiten Moduls 600b gezeigt. In der in 6 gezeigten Ausführungsform beinhaltet jedes Modul 600 eine Reihe von vier Laufrädern 200, wobei sich die Lagerhülse 100 oberhalb der Reihe von Laufrädern 200 befindet und sich eine Abstandshülse 605 unterhalb der Reihe von Laufrädern 200 befindet. Wie in dieser Schrift beschrieben, kann es sich bei der Lagerhülse 100 um eine Flanschhülse und/oder eine Radialstützhülse handeln. Die Abstandshülse 605 kann das Laufrad 200 stützen und die Länge der Abstandshülse 605 kann die Betriebshöhe des Laufrads 200 bestimmen. Bei der Abstandshülse 605 kann es sich um eine Ni-resistente austenitische Gusseisenlegierung oder Edelstahl handeln, wenn er getrimmt ist. Ein beispielhaftes Modul 600 einer veranschaulichenden Ausführungsform kann von oben nach unten die Lagerhülse 100 an der Spitze des Moduls 600, eine Reihe von vier gestapelten Laufrädern 200a-200d und die Abstandshülse 605 am Boden des Moduls 600 beinhalten, von denen jede Keilnuten 150 beinhalten kann, die sich in Längsrichtung entlang ihrer Innendurchmesser erstrecken. Eine kontinuierliche Keilnut 150 kann sich entlang der Welle 300 über die gesamte Länge des Moduls 600 erstrecken. Ein oder mehrere Keile 300 können mit den kontinuierlichen Keilnuten 150 entlang der gesamten Länge des Moduls 600 und entlang jeder in dem Modul 600 enthaltenen drehbaren Komponente zusammenpassen.
Benachbarte Komponenten innerhalb des Moduls 600 können miteinander verzahnte und/oder verbundene, sich gegenüberliegende abgestufte Kanten beinhalten, die entgegengesetzt zueinander geformt sind, wobei ein Spiel 315 zwischen den sich gegenüberliegenden, in Längsrichtung verlaufenden Kanten 135 vorhanden ist, wenn der Keil 305 eine Fähigkeit zur Drehmomentübertragung aufrechterhält, und wobei sich das Spiel 315 nach einer Schwächung und/oder einem Ausfall des Drehmoment übertragenden Keils 305 schließt. In einigen Ausführungsformen können jede(s) Lagerhülse 100, Laufrad 200 und/oder Abstandshülse 605 innerhalb eines Moduls 600 miteinander verbunden sein, wobei ein Bruch in den Verbindungen (keine Verbindung untereinander) zwischen benachbarten Modulen 600 vorhanden ist. Somit kann zum Beispiel in dem in 6 gezeigten Modul 600a das Laufrad 200a mit einem Laufrad 200b darunter und mit einer Lagerhülse 100 darüber verzahnt sein (die Lagerhülse 100 des Moduls 600a ist nicht gezeigt); das Laufrad 200b kann mit einem Laufrad 200c darunter und mit dem Laufrad 200a darüber verzahnt sein; das Laufrad 200c kann mit einem Laufrad 200d darunter und mit dem Laufrad 200b darüber verzahnt sein; das Laufrad 200d kann mit einer Abstandshülse 605 darunter und mit dem Laufrad 200c darüber verzahnt sein; und die Unterseite er Abstandshülse 605 des Moduls 600a ist nicht mit der Oberseite der Lagerhülse 100 des Moduls 600b verzahnt. In dem Modul 600b ist die Lagerhülse 100 mit einem Laufrad 200e unterhalb der Lagerhülse 100 des Moduls 600b verzahnt. Eine beliebige Anzahl von Laufrädern 200 kann in jedem Modul 600 enthalten sein, jedoch haben die Erfinder die Beobachtung gemacht, dass nach einem Ausfall eines oder mehrerer der Drehmoment übertragenden Keile 305 des Moduls 600 die verzahnten Verbindungen veranschaulichter Ausführungsformen unter Umständen nicht stark genug sind, um zu halten und Drehmoment bei der gewünschten Drehzahl zu übertragen, wenn das Modul 600 zu viele Laufräder 200 beinhaltet. Somit wird aktuell bevorzugt, dass jedes Modul 600 zwischen zwei und fünf Laufräder 200 beinhaltet.
Die 7A-7B veranschaulichen benachbarte Module 600. Wie in 7A gezeigt, stellt die Abstandshülse 605 den unteren Teil des ersten Moduls 600a dar und stellt die Lagerhülse 100 den oberen Teil des zweiten Moduls 600b dar. In 7B ist ein vollständiges Modul 600b zwischen Modul 600a und Modul 600b gezeigt. In den Ausführungsformen aus 7A-7B sind die Abstandshülse 605 des ersten Moduls 600a und die Lagerhülse 100 des zweiten Moduls 600b nicht miteinander verbunden oder verzahnt, und es wird kein Drehmoment zwischen den Modulen 600 (intermodular) im Fall eines Ausfalls des Keils 305 übertragen. Wie in 7B gezeigt, beinhaltet die untere Kante der Abstandshülse 605 eine nicht abgestufte Kante 610, die sich um eine einheitliche Länge entlang der Welle 300 um den vollen Umfang der Abstandshülse 605 erstreckt. Der röhrenförmige Abschnitt 125 der Hülse 100 benachbart zu der Abstandshülse 605 erstreckt sich in Längsrichtung nicht über den Flansch 105 hinaus und verzahnt sich nicht mit der Abstandshülse 605 darüber.
Alternativ dazu können die Lagerhülse 100, die Laufräder 200 und die Abstandshülse 605 innerhalb jedes Moduls 600 miteinander verbunden sein und kann Drehmoment zwischen diesen intramodularen 600 Komponenten durch abgestufte Kanten 250, 110 innerhalb eines oder mehrerer Module 600 wie in dieser Schrift beschrieben im Falle einer Reduzierung oder eines Ausfalls der Fähigkeit zur Drehmomentübertragung eines Keils 305 innerhalb eines Moduls 600 übertragen werden.
8 veranschaulicht eine beispielhafte elektrische Tauchpumpenbaugruppe, die in einem Drehmomentübertragungssystem veranschaulichter Ausführungsformen eingesetzt werden kann. Die mehrstufige Kreiselpumpe 325 kann sich in einem Bohrloch, wie etwa einem Erdöl- oder Erdgasbohrloch, befinden. Fluid kann in ein Gehäuse 840 durch Perforationen 845 in dem Gehäuse eintreten. Eine Bohrloch- und/oder ESP-Baugruppe 850 kann vertikal, horizontal ausgerichtet sein oder in einer Biegung oder einem Radius betrieben werden. Ein elektrischer Tauchmotor 800 kann dazu betrieben werden, die Welle 300 der Kreiselpumpe 325 zu drehen und kann ein zweipoliger, dreiphasigen Kurzschlussläufer-Induktionsmotor sein. Ein Stromkabel 825 kann dem Motor 800 Strom von einer an der Oberfläche 835 des Bohrlochs befindlichen Stromquelle bereitstellen. In gashaltigen Bohrlöchern kann ein Gasabscheider und/oder eine Tandem-Ladepumpe in der ESP-Baugruppe 850 enthalten sein und kann zudem die Stufen 335 und/oder Module 600 von veranschaulichten Ausführungsformen beinhalten. Ein Gasabscheider- und/oder Einlassabschnitt 815 kann als Einlass für Fluid in die Kreiselpumpe 325 dienen. Ein Dichtungsabschnitt 810 kann den Druck im Motor 800 ausgleichen und das Fluid am Eindringen in den Motor 800 hindern. Eine Förderrohrleitung 820 kann gefördertes Fluid zu einem Bohrlochkopf 830 und/oder der Oberfläche 835 des Bohrlochs befördern. Bohrlochsensoren 805 können intern oder extern an der ESP-Baugruppe 850 unterhalb, oberhalb und/oder in der Nähe des Motors 800 montiert sein. Eine oder mehrere dieser Komponenten der ESP-Baugruppe 850 können abgestufte verzahnte Kanten 110, 250 wie in dieser Schrift beschrieben beinhalten, wenn eine Vielzahl von benachbarten, drehbaren verkeilten Elementen in der Komponente der EPS-Baugruppe 850 enthalten ist.
Es wurde ein Drehmomentübertragungssystem für Kreiselpumpen beschrieben. Veranschaulichende Ausführungsformen können ein sekundäres Drehmomentübertragungssystem in Kreiselpumpen bereitstellen, die Keile als primären Drehmomentübertragungsmechanismus einsetzen. Nach einer Schwächung oder einem Ausfall eines Drehmoment übertragenden Keils können abgestufte, miteinander verbundene Kanten zwischen einer Hülse, einem Laufrad und/oder einer Abstandshülse innerhalb eines Moduls entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Fläche einander berühren, um trotz der Schwächung oder des Ausfalls des Keils Drehmoment zwischen den drehbaren Komponenten zu übertragen. Veranschaulichende Ausführungsformen können den Fall eines Wellenbruchs und/oder eines Lagerausfalls reduzieren und können die Zuverlässigkeit erhöhen, unabhängig davon, welcher bestimmte Keil innerhalb eines kontinuierlich verkeilten Moduls schert, geschwächt wird oder bricht, ohne dass zusätzliche Komponenten in die Pumpe eingefügt werden müssen.
Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen verschiedener Aspekte der Erfindung können dem Fachmann im Hinblick auf diese Beschreibung ersichtlich sein. Dementsprechend ist diese Beschreibung nur als veranschaulichend auszulegen und dient dazu, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise zum Ausführen der Erfindung zu lehren. Es versteht sich, dass die in dieser Schrift gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen aufzufassen sind. Elemente und Materialien können durch die in dieser Schrift veranschaulichten und beschriebenen ersetzt werden, Teile und Verfahren können umgekehrt werden und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig verwendet werden, wie sich dies alles dem Fachmann ergeben würde, nachdem er den Nutzen dieser Beschreibung der Erfindung besitzt. Änderungen an den in dieser Schrift beschriebenen Elementen können vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang und der Breite von Äquivalenten, wie in den folgenden Patentansprüchen beschrieben, abzuweichen. Darüber hinaus versteht es sich, dass in dieser Schrift als unabhängig beschriebene Merkmale in bestimmten Ausführungsformen kombiniert werden können.

Claims

Drehmomentübertragungssystem für eine Kreiselpumpe, umfassend: eine Lagerhülse oberhalb eines Laufrads, wobei die Lagerhülse und eine Nabe des Laufrads eine drehbare Welle umgeben und durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt sind, wobei die Lagerhülse eine abgestufte untere Kante aufweist; eine obere Kante der Nabe, die entgegengesetzt zu der unteren Kante der Lagerhülse abgestuft ist, sodass sich die obere Kante und die untere Kante verzahnen, wobei ein Spiel zwischen sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten der verzahnten Kanten vorhanden ist; wobei sich das Spiel nach einer Reduzierung der Drehmomentübertragung zwischen dem Keil und der Lagerhülse schließt, sodass der sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitt der abgestuften oberen Kante den sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitt der abgestuften unteren Kante berührt, wodurch eine Drehung der Lagerhülse mit der drehbaren Welle aufrechterhalten wird.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 1, wobei der sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitt der abgestuften unteren Kante der Lagerhülse eine Antriebsfläche der Lagerhülse definiert, wobei sich die Antriebsfläche unterhalb einer Lagerfläche der Lagerhülse befindet, und ferner umfassend eine nicht drehbare Buchse um die Lagerfläche.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 2, wobei die Lagerhülse einen Flansch umfasst, der sich radial nach außen um die Oberseite der Hülse über die Buchse erstreckt, wobei der Flansch einen Schub der Kreiselpumpe trägt.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 2, wobei der Keil in einer Keilnut sitzt, die sich entlang eines Innendurchmessers der Lagerfläche der Hülse, entlang eines Innendurchmessers der Antriebsfläche der Hülse erstreckt und weiter von dem Innendurchmesser der Antriebsfläche der Hülse entlang eines Innendurchmessers einer Nabenfläche verläuft.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Abstandshülse oberhalb der Lagerhülse, wobei die Abstandshülse eine abgestufte obere Kante umfasst, die mit einem unteren Ende einer zweiten Nabe eines zweiten Laufrads oberhalb der Abstandshülse verzahnt ist.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 1, wobei die Reduzierung der Drehmomentübertragung eine asynchrone Drehung zwischen der Lagerhülse und der drehbaren Welle bewirkt, um das Spiel zu schließen.
Kreiselpumpe, umfassend: ein Modul, umfassend: eine drehbare Welle; eine Reihe von Laufrädern, die auf einer drehbaren Welle gestapelt sind, wobei jedes Laufrad eine Nabe umfasst, die durch einen Keil an der drehbaren Welle gesichert ist, wobei die Reihe von Laufrädern ein oberstes Laufrad und ein unterstes Laufrad umfasst; eine Flanschhülse, die mit der drehbaren Welle oberhalb des obersten Laufrads verkeilt ist; eine Abstandshülse, die mit der drehbaren Welle unterhalb des untersten Laufrads verkeilt ist; und wobei jedes Laufrad der Reihe von Laufrädern eine abgestufte Kante an einem oberen Ende der Nabe und eine abgestufte Kante an einem unteren Ende der Nabe umfasst, wobei die Enden von sich gegenüberliegenden Naben entgegengesetzt abgestuft sind, um sich so zu verzahnen, wobei ein erstes Spiel zwischen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten vorhanden ist; wobei das obere Ende der Nabe des obersten Laufrads mit einer abgestuften unteren Kante der Flanschhülse verzahnt ist, wobei ein zweites Spiel zwischen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten vorhanden ist; und wobei das untere Ende der Nabe des untersten Laufrads mit einer abgestuften oberen Kante der Abstandshülse verzahnt ist, wobei ein drittes Spiel zwischen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten vorhanden ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 7, wobei eine Vielzahl der Module auf der drehenden Welle gestapelt ist, wobei eine erste Modulabstandshülse oberhalb einer zweiten Modulflanschhülse angeordnet ist, wobei jede einer Unterseite der ersten Modulabstandshülse und einer Oberseite der zweiten Modulflanschhülse bezüglich der Länge in Längsrichtung einheitlich sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 7, wobei in der Reihe von Laufrädern zwischen zwei und vier Laufräder vorhanden sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 7, wobei sich das erste, das zweite und das dritte Spiel nach einer Reduzierung der Drehmomentübertragung des Keils schließen, sodass die Berührung zwischen den in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der sich gegenüberliegenden abgestuften Kanten eine Drehung der Flanschhülse, der Abstandshülse und der Reihe von Laufrädern mit der drehbaren Welle aufrechterhält.
Kreiselpumpe nach Anspruch 7, wobei die Flanschhülse eine Lagerfläche und eine Antriebsfläche umfasst, wobei die Antriebsfläche den in Längsrichtung verlaufenden Abschnitt umfasst, und ferner umfassend eine nicht drehbare Buchse, welche die Lagerfläche umgibt.
Drehmomentübertragungssystem für eine Kreiselpumpe, umfassend: eine drehbare Welle; die sich in Längsrichtung durch eine Nabe eines Laufrads erstreckt; wobei die Nabe durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt ist; eine Hülse, die durch den Keil an der drehbaren Welle gesichert ist, wobei sich die Hülse oberhalb des Laufrads befindet und Folgendes umfasst: eine Lagerfläche, die sich in Umfangsrichtung um die drehbare Welle erstreckt; eine Antriebsfläche, wobei sich die Antriebsfläche zwischen der Lagerfläche und einem oberen Abschnitt der Nabe befindet, und wobei sich die Antriebsfläche teilweise um die drehbare Welle erstreckt, um eine abgestufte untere Kante der Hülse zu bilden; wobei der obere Abschnitt der Nabe entgegengesetzt zu der unteren Kante der Hülse abgestuft ist, wobei ein Spiel zwischen sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten des oberen Abschnitts und der unteren Kante der Hülse vorhanden ist; wobei sich das Spiel nach einer Reduzierung der Drehmomentübertragung zwischen dem Keil und der Hülse schließt, sodass eine Berührung zwischen den sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten eine Drehung der Hülse mit der drehbaren Welle aufrechterhält.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 12, wobei sich der Keil über einen Innendurchmesser der radialen Lagerfläche und der Antriebsfläche der Hülse erstreckt.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 12, wobei die Hülse einen sich radial erstreckenden Flansch um eine Oberseite der Lagerfläche umfasst.
Drehmomentübertragungssystem nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Buchse, die sich radial um die Lagerfläche erstreckt.
Kreiselpumpe, umfassend: eine drehbare Welle; eine Hülse, die sich axial unterhalb eines sich radial erstreckenden Flansches erstreckt, wobei die Hülse mit der drehbaren Welle verkeilt ist und Folgendes umfasst: eine Lagerfläche, die sich in Umfangsrichtung um eine erste axiale Länge unterhalb des Flansches um die drehbare Welle erstreckt, eine Antriebsfläche, die sich von und unterhalb der Lagerfläche um eine zweite axiale Länge unterhalb der Lagerfläche teilweise um die drehbarer Welle erstreckt, wobei die zweite axiale Länge durch ein Paar sich in Längsrichtung erstreckender Kanten definiert wird; und wobei eine untere Kante der Lagerfläche, eine untere Kante der Antriebsfläche und das Paar von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanten zusammen eine abgestufte Hülsenkante bilden; ein Laufrad um die drehbare Welle unterhalb der Hülse, wobei das Laufrad eine Nabe umfasst; ein oberes Ende der Nabe, das eine Nabenkante umfasste, die entgegengesetzt zu der Hülsenkante abgestuft ist; und wobei die Nabenkante und die abgestufte Hülsenkante verzahnt sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 16, wobei die Lagerfläche und die Antriebsfläche der Hülse durch einen Keil an die drehbare Welle gekoppelt sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 17, wobei nach dem Scheren des Keils die Berührung zwischen der einen des Paares von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanten und einem sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitt der Nabenkante eine Drehung der Hülse mit der drehbaren Welle aufrechterhalten wird.
Kreiselpumpe nach Anspruch 16, ferner umfassend eine nicht drehbare Buchse, die sich um die Lagerfläche der Hülse erstreckt.
Kreiselpumpe nach Anspruch 19, wobei die Buchse eine Länge aufweist, die im Wesentlichen gleich der ersten axialen Länge ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 16, wobei eine untere Kante der Nabe entgegengesetzt zu einem oberen Ende einer zweiten Nabe eines mit der drehbaren Welle verkeilten Laufrads abgestuft ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 21, wobei die Berührung zwischen dem unteren Ende der Nabe und dem oberen Ende der zweiten Nabe Drehmoment zwischen dem Laufrad und dem zweiten Laufrad überträgt.