DE2153053C3 - Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe. mit wenigstens zwei axial übereinander angeordneten elastischen Statoren, mit in ihnen umlaufenden Rotoren, von denen der eine rechtsgängig ist und der andere Iinksgängiges Gewinde besitzt, wobei der Antrieb am unteren Ende des unteren Rotors derart angreift, daß die Förderung in den zwischen den Rotoren liegenden Druckraum erfolgt und wobei die Übertragung des Drehmoments vom Motor auf den unteren Rotor und von diesem auf den oder die weiteren Rotoren über eine Rollen-Nut-Verbindung in Universalgelenken übertragen wird, die ein Zugelement zur Übertragung der Axialkräf'e aufweisen. Eine solche Exzenterschraubenpumpe ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 53 156 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung sind die einander zugewandten Enden der Pumpenrotoren als Kuppe!- köpfe ausgebildet, die in den beiden Enden eines die

Drehmomente übertragenden Kuppelrohres stecken und zur Aufnahme der Druckkräfte, die sie auseinander zu treiber, sucht, mit einem Stahlseil verbunden. Die auftretenden Drehmomente werden dabei durch eine Rollen-Nuten-Verbindung zwischen den Kuppelköpfen und dem Kuppelrohr übertragen.

Nachteilig ist hierbei, daß bei großen Förderhöhen und den dadurch bedingten hohen zu übertragenden Drehmomenten das Stahlseil reißen kann und die Kuppelelemente brechen können. Außerdem waren die bis-

her verwendeten Statoren nicht geeignet, die bei großen Förderhöhen auftretenden Drücke zu erzeugen.

An sich sind auch Universalgelenke zur gleichzeitigen Übertragung der Axiaikräfle und der Drehmomen te bei Pumpen der betrachteten Art bekannt. So ist der deutschen Auslegeschrift 12 57 017 eine Ausbildung zu entnehmen, bei der eine elastische Muffe auf einem Kugelkopf durch zwei hälftige, diese umgreifende Schalen verspannt ist, so daß ein Kraftschluß entsteht, der das Drehmoment übertragen soll. Zumindest bei großen Drehmomenten ist hier jedoch keine zuverlässige Übertragung mehr zu erwarten.

Aus der deutschen Auslegeschrift 13 02 725 und aus der französischen Patentschrift 14 93 235 ist eine Ausbildung bekannt, bei der der Kugelkopf an seinem Umfang eine Vielzahl von zahnartigen Fortsätzen aufweist, die mit einer entsprechend ausgebildeten Hülse in der anderen Hälfte des I Iniversalgelenks zusammenwirken Um die bei nicht fluchtenden Wellen auftretenden Winkelabweichungen zuzulassen, müssen diese zusammenwirkenden Zähne jedoch in einer Weise geformt sein iUß zwischen ihnen eine punktförmige Berührung zustande kommt, was die Größe der maximal übertragbaren Drehmomente ebenfalls begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin

im eine als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe so auszubilden, daß ohne Gefahr eines mechani sehen Versagens der Universalgelenke große Förderhöhen erreichi werden können.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen bekann ten Ausbildung wird zur Lösung diese! Aufgabe erfin dungsgemäß vorgeschlagen, daß die Länge jedes elasti sehen Stators zumindest das 20fache des Querschnitts durchmessers des Rotors beträgt und jedes Universal

gelenk aus einer sowohl das Drehmoment als auch die Axialkräfte übertragenden Welle besieht, an deren Enden Gelenkköpfe ausgebildet sind, um welche jeweils eine Kuppelhülse greift, wobei jeder Gelenkkopf ausgehend von seiner Mutenebcnc symmetrisch je einen Kegelstumpf mit einem dem Ablenkwinkel entsprechenden Kegelwinkel und je einen Kugelsektor aufweist und sowohl in den Kegelstümpfen als auch in Jer Kuppelhülse gleichmäßig über den Umfang verteilte, etwa haibkresiibrmige Längsnuten zur Aufnahme der mit Spiel eingelegten Rollen ausgearbeitet sind, wobei die in den Kegeistümpfen vorhandenen Längsnulen so verlaufen, daß zwischen diesen und den Rollen eine Linienberührung vorhanden ist und wobei in den Kuppelhülsen Anlageflächen vorgesehen sind, auf denen die Kugelsektoren gleiten und von denen die eine lösbar ausgebildet ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen dieser vo. geschlagenen Exzenterschraubenpumpe ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Schnitt durch eine Einspindeltauchpumpe mit zwei Rotoren,

F i g. 2 den Schnitt durch eine Einspindeltauchpumpe aus mehreren Paaren jeweils zusammenwirkender Rotoren, welche an zwei Antriebswellenenden angeschlossen sind,

F i g. 3 den Schnitt durch ein Doppeluniversalgelenk

F i g. 4 Querschnitt VIII-VIH der F i g. 3.

Fig.5 ein Beispiel der Kopfausführung des Universalgelenks im Schnitt,

Fig.6 ein anderes Beispiel der Kopfausführung des Universalgelenks im Schnitt,

F i g. 7 ein weiteres Beispiel der Ausführung eines am Ende des Rotors befestigten Universalgelenkkopfes im Schnitt,

Fig.8 noch ein anderes Ausführungsbeispiel des Universalgelenkkopfes im Schnitt.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellten Exzenterschraubeiipumpen sind bestimmt zum Niederbringen in eine tiefe Bohrung unter den Flüssigkeitsstand zur Förderung derselben auf die Erdoberfläche. Sie weisen einen Antrieb 1 auf, beispielsweise einen mittels Kabel 2 gespeisten Elektromotor. Auf der Welle 3 dieses Antriebs 1 ist eine als Anlaßkupplung 4 ausgebildete Startvorrichtung befestigt, die aus zwei, durch zwei Klauen 7 verbundenen Hälften besteht, einer Antriebshälfte 5 und Abtriebshälfte 6. Die Abtriebshälfte 6 d^r Anlaßkupplung 4 wird auf der Antriebswelle 8 der Pumpe befestigt, die in Lagern 9 und 10 mit Dämpfern Il gelagert ist und eine Dichtung 12 aufweist.

An dem anderen Ende der Antriebswelle 8 ist das Universalgelenk 13 befestigt, das einen der Roteren mit dieser Welle 8 verbindet. Der Rotor 14 befindet sich in einer in der starren Statorhülse 17 koaxial festgelegten elastischen Hülse 16 des Stators 15. Die Länge jeder elastischen Statorhülse 16 beträgt zumindest das Zv, an zigfache des Querschnittsdurchmessers des Rotors.

Am anderen Ende des Rotors 14, das aus der elastischen Statorhülse 16 hinausragt, ist ein weiteres gleichartiges Doppeluniversalgelenk 13 befestigt, welches den zweiten Rotor 14 mit dem ersten verbindet. Der eine Rotor 14 weist rechtsgängiges und der andere linksgängiges Schraubengewinde auf.

Jeder Rotor 14 lauft in einer zugehörigen elastischen Hülse 16 des Stators 15 um, welche einen Gewindegang mehr als der Rotor besitzt, so daß sich zwischen den Gewinaeflanken des Rotors 14 und der elastischen Hülse 16 des Stators 15 geschlossene, längs der Pumpenachse von dem Saugeingangsra'jm 19 jedes Rotors 14 zu dem gemeinsamen Druckraum hm verteilte innen räume 18 bilden. Dabei liegen die Mittelpunkte der einem Druckraum 20 nächstgelegenen, geschlossenen innenräume 18 jedes Rotors 14 auf einer durch die Achse der Statoren 15 und die Achse des zwei Rotoren

ίο 14 verbindenden Universalgelenkes 13 gehenden Linie. Im Pumpendruckraum 20 befindet sich ein Sicherheitsventil 21 mit Fiüssigkeiisdämpfer22.

Jedes Doppeluniversalgelenk 13 (F i g. 3) hat zwei miteinander durch eine Welle 27 verbundene Gelenkköpfe 26. An jedem Gelenkkopf 26 der Doppeluniversalgelenke 13 sind zwei Kugelsektoren 28 ausgebildet, zwischen denen sich zwei symmetrisch liegende Kegelstümpfe 29 mit aneinander anliegenden Grundflächen befinden. Die Kegelwinkel der Kegelsiümpfe 29 entsprechen dem Ablenkwinkel der Achse der Welle 27 von den Achsen der Rotoren 14.

Die Kegelstümpfe 29 werden durch im Querschnitt halbkreisförmige Längsnuten 30 durchschnitten, welche weiteren halbzylindrischen Längsnuten 31 in den die

2s Gelenkköpfe 26 umgebenden Schalen 32 der Kopfdekkel 33 entsprechen. In diesen Längsnuten 30 und 31 (Fig. 8) sind frei mit einem Spiel Rollen 34 (Fig. 3) eingelegt, die die Kraftübertragung von den Gelenkköpfen 26 auf die Kopfschalen 32 der Deckel 33 durch linienförmige Berührung der Kegelstümpfe 29 mit diesen Rollen 34 sicherstellen.

leder Gelenkkopf 26 wird von zwei Kopfdeckeln 33 umfaßt, welche den Gelenkköpfen 26 entsprechende Kugelsektoren 28 aufweisen.

Bei den Ausführungsbeispieleri gemäß I- 1 g. 6 und 8 ist einer der Kopfdeckel 33 des Gelenkkopfes 26 als ein Ganzes mit der Schale 32 unter Bildung eines ganzen Bauteils 35 ausgeführt, wobei die Kopfdeckel 33 sowohl innenseitig (F i g. 3, 6, 8) als auch außenseitig (F 1 g. 7)

jo an dem Universalgelenk 13 liegen können. In F i g. 5 ist eine Ausbildung mit zwei Kopfdeckeln 33, einem Außen- und einem inricnueckei, die durch Gewinde iini der Schale 32 verbunden sind, dargestellt. In F i g. 3. 5. t sind Ausfuhrungsbeispiele der Halbkugeln 28 des Kop-

■is fes 26 und des Deckels 33 in Form von auswechselbaren Einlageschalen 36 und 37 dargestellt.

Einer der Kopfdeckel 33 des Gelenkkopfes 26 des Universalgelenkes 13 ist mit einer Bohrung 38 (F i g. 6] ausgeführt, die durch eine elastische Dichtmanschettc

s» 39 abgedichtet wird, deren abdichtende Stirnfläche 4C der Form der Stirnseite des Deckels 33 des Gelenkkop fps 2fi entsnrirht Dip DirhtmanschpttP kann an d?r Deckel 33 durch eine Feder 41 angedrückt werden. Die F i g. 8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel. be

s? dem die Abdichtung der Bohrung 38 aes Deckels 33 mii Hilfe eines Balgs 42 erfolgt, während an den Dcckelr 33 der Geienkköpfe 26 ein Ein- 43 bzw. Auslaßventil 44 eingebaut ist.

Die Pumpe weist an ihrem Austrittsende ein Sicher

'■"> heitsventil 21 (Fig. 1) auf, oberhalb dessen eir .Schlammrohr 66 angeordnet ist. das zwischen seinei Wandung und der der Steigrohrkolonnc 67 einen Ring spalt bildet, welcher als Abset/rauin für größere Teil dien mechanischer Beimengungen dient.

os Der Betrieb der Exzenterschraubenpumpe verlauf folgendermaßen:

Der an den Rohren 67 (Fig. 1) in die Eirdölbohrunj niedergebrachten Pumpe wird von der Erdoberfläche

J.

durch ein Kabel 2 Strom zugeführt. Beim Anfahren des Antriebselektromotors 1 wird das Drehmoment auf die auf der Welle 3 befestigte Antriebshälfte 5 der Anlaßkupplung 4, und von dieser auf die Abtriebshälfte 6 übertragen. Bei Stillsetzung des Antriebselektromotors ^s 1 werden die Klauen 7 unter der Wirkung von Rückfedern zueinander zusammengezogen, und die Abtriebshälfte 6 wird von der Antriebshälfte 5 der Anlaßkuppiung 4 getrennt.

Die Abtriebskupplungshälfte 6 sitzt auf der in Lagern 9, 10 rotierenden Welle 8 fest. Die Lager 10 können als mit gummimetallischen Dämpfern 11 versehene Schrägkugellager ausgelegt werden, wobei solche Dämpfer 11 die Lebensdauer der Lager verlängern.

Von der Antriebswelle 8 wird das Drehmoment über zwei Univcrsalgelenke 13 hintereinander zunächst auf den unteren und von diesem auf den oberen Rotor 14 übertragen. Die Rotoren 14 drehen sich in den elastischen Hülsen 16 der Statoren 15 exzentrisch und führen dadurch eine Planetenbewegung aus. Da die Rotorcn 14 in die Statorhülsen 16 mit einem Übermaß eingeführt sind und dem Anfahren einen erheblichen Widerstand entgegensetzen, geschieht dieses unter einer von der Anlaßkupplung 4 auf eine vorliegend nicht näher auszuführende Weise erzeugten Stoßwirkung.

Um die Axialbelastungen durch den im Druckraum 20 durch die Pumpe erzeugten Flüssigkeitsdruck auszugleichen und die Schrägkugellager 10 zu entlasten, ist die Pumpe mit gekuppelten Rotoren 14 ausgeführt, von denen einer rechtsgängiges und der andere linksgängiges Schraubengewinde besitzt. Bei Drehung der Rotoren 14 füllt die Flüssigkeit aus den Saugräumen 19 die geschlossenen Innenräumc 18 zwischen denselben und den elastischen Hülsen 16 der Statoren 15 aus und wird längs der Achse der Statoren 15 in den Druckraum 20 getrieben. Nach dem Zusammentreffen gelangt der Gesamtflüssigkeitsstrom zu beiden Rotoren 14 an dem oberen Stator 16 vorbei zum Sicherheitsventil 21, hinter welchem er über das Schlammrohr 66 in die Steigrohre 67 strömt, in denen er zur Erdoberfläche gefördert wird.

Durch die Verbindung der Rotoren 14 mittels der erfindungsgemäß ausgeführten Doppeluniversalgelenke 13 ist die Möglichkeit gegeben, daß sich die Rotoren 14 in den elastischen Hülsen 16 der Statoren 15 selbst einstellen und eventuelle, mit Herstellungsungenauigkeiten beim Pumpenzusammenbau verbundene Fehler ausgleichen. Da die Rotoren 14 sich um die Achse der Statoren 15 exzentrisch drehen, sind die Läufer eines Paars zu diametral entgegengesetzten Seiten von der Achse der Statoren 15 weg versetzt und die Mittelpunkte der am Druckraum 20 anliegenden, geschlossenen Randinnenräume 18 auf einer durch die Achse der Welle 27 des Universalgelenkes 13 laufenden Linie verteilt.

Das unausgeglichene bleibende Moment des Paars der in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Fliehkräfte erzeugt eine gewisse Pumpenvibration, durch welche aber die Füllung der Saugräume 19 und der an diesen anliegenden, geschlossenen Innenräume 18 der Rotoren 14 nur günstiger wird. Diese Erscheinung ist für die Förderung dickflüssiger Medien von besonderer Bedeutung. Die Saughöhe der erfindungsgemäßen Pumpe erreicht dabei 8,5 m Flüssigkeitssäule.

Darüber hinaus trägt diese Pumpenvibration, ohne die Festigkeit der Pumpenteile zu verringern, zum Erdölzufluß zu der Bohrung aus der ölführenden Schicht wirkungsvoll bei, was wiederum einen weiteren wesentlichen Vorteil der Pumpe darstellt.

Um Druckhöhen von 1000 bis 2000 m Flüssigkeitssäule und mehr zu erreichen, was zur Förderung aus tiefen Erdölbohrunget. erforderlich ist, sind, wie gesagt, die elastischen Statorhülsen 16 in gestreckter Form ausgeführt, wobei ihre Länge mindestens um das 20fache größer als der Durchmesser des Querschnitts des jeweiligen Rotors 14 ist.

Die Übertragung des hierdurch stark erhöhten Drehmomentes von der Antriebswelle 8 auf die Rotoren 14 erfolgt mittels der Rollen 34 der Doppeluniversalgelenkc 13. Die Kegelstümpfe 29 der Gelenkköpfe 26 sind mit einem dem Ablenkwinkel der Achse der Welle 27 des Gelenks (3 von den Achsen der Rotoren 14 entsprechenden Winkel gefertigt. Diese Maßnahme sichert die Linienberührung zwischen den Rollen 34 und den in den Kegelstümpfen 29 ausgearbeiteten Haibzylinderlängsnuten 30.

Die Spielgröße zwischen den Längsnuten 30 und 31 und den dazwischen liegenden Rollen 34 begrenzt den Ablenkwinkel derWelle 27 von der Achse des Rotors 14 und wird so gewählt, daß bei freier Drehung des Doppeluniversalgelenks 13 an seinem einen Deckel 33 das andere freie Ende dieses Gelenks 13 das Pumpengehäuse 68 nicht berührt.

Die auf Grund des Drucks im Druckraum 20 entstehende Axialbelastung wird von den Rotoren 14 auf die Kugelsektoren 28 der Deckel 33 und Geienkköpfe 26 der Universalgelenke 13 übertragen und dort von der Welle 27 aufgenommen, welche auf Zug belastet wird. Würde der Saugraum 19 zwischen die Rotoren 14 gelegt, so würde die Welle 27 auf Druck beansprucht. Um die Kegelsektoren 28 der Gelenkdeckel 33 und -köpfe 26 aus einem verschleißfesten Material herstellen zu können, werden diese in Form von auswechselbaren Einlcgeschalen 36 und 37 ausgebildet.

Hierzu 5 Blatt Zeichnuncen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe, mit wenigstens zwei axial übereinander angeordneten elastischen Statoren, mit in ihnen umlaufenden Rotoren, von denen der eine rechtsgängig ist und der andere iinksgängiges Gewinde besitzt, wobei der Antrieb am unteren Ende des unteren Rotors derart angreift, daß die Förderung in den zwischen den Rotoren liegenden Druckraum erfolgt und wobei die Übertragung des Drehrr.oments vom Motor auf den unteren Rotor und von diesem auf den oder die weiteren Rotoren über eine Rollen-Nut-Verbindung in Universalgelenken übertragen wird, die ein Zugelement zur Übertragung der Axialkräfte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes elastischen Stators (16) zumindest das 20fache des Querschnittsdurchmessers des Rotors (i4) beträgt und jedes Universalgelenk aus einer sowohl das Drehmoment als auch die Axialkräfte übertragenden Welle (27) besteht, an deren Enden Gelenkköpfe (26) ausgebildet sind, um welche jeweils eine Kuppelhülse (35) greift, wobei jeder Gelenkkopf ausgehend von seiner Mittenebene (M) symmetrisch je einen Kegelstumpf (29) mit einem dem Ablenkwinkel entsprechenden Kegelwinkel und je einen Kugelsektor (28) aufweist und sowohl in den Kegelstümpfen als auch in der Kuppelhülse gleichmäßig über den Umfang verteilte, etwa halbkreisförmige Längsnuten (30,31) zur Aufnahme der mit Spiel eingelegten Rollen (34) ausgearbeitet sind, wobei die in den Kegelstümpfen (29) vorhandenen Längsnuten so verlaufen, daß zwischen diesen und den Roiien eine Linienberührung vorhanden ist und wobei in den Kuppelhülsen Anlageflächen vorgesehen sind, auf denen die Kugelsektoren (28) gleiten und von denen die eine lösbar ausgebildet ist.

2. Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kuppelhülse (35) den Gelenkkopf (26) vollständig umgreift und in ihr Ende eine Schale (33) eingeschraubt ist, in welcher die lösbare Anlagefläche ausgearbeitet ist.

3. Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpc nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gelenkkopf (26) vollständig umgreifende Teil (Büchse 32) der Kuppelhülse (35) lösbar ist(F i g. 5).

4. Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelsektoren (28) der Gelenkköpfe (26) oder die Aniageflächen der Kuppelhülsen (35) als auswechselbare Einlegeschalen (36, 37) ausgebildet sind.

5. Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (33) gegenüber der Welle (27) mittels einer plastischen Dichtmanschette (39) abgedichtet ist.

6. Als Tauchpumpe ausgebildete Exzenterschraubenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (33) gegenüber der Welle (27) mittels eines elastischen Faltenbalge;, (42) abgedichtet ist und daß der Innenraum des Faltenbalges mittels eines Einlaßventils (43) und eines Auslaßventils (44) mit der Umgebung verbindbar ist (F ig. S)-