DE2550844A1 - Pumpenfluegelrad - Google Patents

Description

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Patentanwälte

Dipl. Ing. H. Hauck

Dipl. Phys. W. Schmitz

Dipl. Ing. _E. Graalfs D,p|. ing. _W. Wehnert D.pl Phys. W. Carstens ο IViünchen 2 Mozartstr. 23

Borg-Warner Corporation

200 South Michigan Ave. München, 3.November 1975

Chicago, 111. 60604,USA Anwaltsakte: M-3694

Pumpenflügelrad

Bei mehrstufigen Pumpen zur Förderung von Flüssigkeiten aus öl- oder Brunnenbohrlöchern werden allgemein für die Abstützung und

Lögerung der sich drehenden Flügelräder sowie zur Dämpfung der während des Pumpvorgangs auftretenden Längsdrücke Druckringe oder Druckscheiben eingesetzt. Die Schmierung dieser Druckringe erfolgt durch die geförderte Flüssigkeit, welche manchmal schleifende Teilchen wie Sand enthalten kann. Meist sind diese Druckringe in einer Ringnut oder einem Sicherungsringteil des Flügelrades gelagert, der unmittelbar neben einem ringförmigen Mantelteil des Flügelrades angeordnet ist. Vorzugsweise werden die Druckringe in die Nuten mit leichtem Preßsitz eingepaßt; wegen der Fertigungstoleranzen ist dies jedoch nicht immer der Fall. Somit sind die Druck-

; ringe wegen ihrer Abmessung und ihrer Anordnung zwischen einem stationären Teil (einem Diffusor) und einem Drehteil (einem Flügelrad) beetqcebt,sich mit kleineren Geschwindigkeiten zu drehen

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j als die Flügelräder. Beim Einsatz in schleifenden Flüssigkeiten,

die beispielsweise Sandteilchen enthalten, bewirkt der Unterschied

! zwischen den Drehgeschwindigkeiten der Druckringe und der Flügelräder einen übermäßigen Verschleiß, der manchmal so stark werden kann, daß ein oder mehrere Mantelteile des Flügelrades beschädigt werden.

Versuche, diese Druckringe durch Verkleben, Verkitten und Verkörnen oder durch Hämmern und Bördeln verschiedener Teile des Flügelrades zu haltern, blieben erfolglos oder unwirtschaftlich.

Um einen Druckring in einem Flügelrad sicher zu haltern und zu verhindern, daß er sich mit einer kleineren Geschwindigkeit dreht als der Drehgeschwindigkeit des Flügelrades, wird er gespalten oder geteilt, wodurch eine Beschädigungsgefahr für das Flügelrad herabgesetzt oder völlig vermieden wird. Wird ein geteilter Druckring in einer Pumpe verwandt und in einem Halterungsring am Flügelrad gelagert, dann bewirkt die Zentrifugalkraft und die quer zur Oberfläche des Druckringes wirkende Geschwindigkeitsdifferenz eine Ausdehnung des Druckringes, so daß sein Durchmesser größer wird und er dadurch gegen den Halterungsring gedrückt wird. Dadurch drehen sich Flügelrad und Druckring zusammen im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfin- ! dungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer üblichen Mehrstufenpumpe mit einer Anzahl von erfindungsge- : mäßen Flügelrädern und Druckringen;

■ Fig. 2 eine isometrische Sprengzeichnung eines erfindungsgemäßen Flügelrades und Druckringes;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Flügelrad, wobei die Druckringe an ihren entsprechenden Stellen angeordnet sind;

Fig. 4 einen Aufriß eines erfindungsgemäßen Druckringes.

Fig. 1 zeigt eine Mehrstufenpumpe für den Einsatz in einem öl- oder Brunnenbohrloch, wobei die Erfindung auf beste Weise dargestellt ist.

Die als Ausführungsbeispiel gezeigte Mehrstufenpumpe 10 ist
tauchfähig und wasserdicht und für den Einsatz in der Verrohrung eines öl- oder Wasserbohrloches weit unterhalb der Oberfläche der zu fördernden Flüssigkeit ausgelegt. Meist ist sie für den Anschluß an einen Elektromotor und ein Dichtungsaggregat M und S ausgelegt, um eine vollständige Pumpenanlage zur Förderung der Flüssigkeit zu ergeben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird

zu
ein einfacher Einlaß verwendet, durch welchen die/fördernde

Flüssigkeit in die Pumpe ohne Abtrennung von Gasen gelangen kann. Andererseits kann die Pampenanlage auch eine Gastrennvorrichtung (nicht gezeigt) umfassen, welche zwischen dem Dichtungsaggregat

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und der Pumpe angeordnet sein kann und einen Flüssigkeitseinlaß
bildet, wobei Gaseinschlüsse von der geförderten Flüssigkeit abgetrennt werden. Der Einsatz der nachstehend beschriebenen Erfindung ist in beiden Fällen gleich.

Die Pumpe 10 umfaßt ein Pumpengehäuse 12, eine drehbare Antriebswelle 14 sowie eine Anzahl von im Gehäuse angeordneten Pumpenstufen 16.

Das Gehäuse 12 besitzt einen mit der Gehäusewand 20 verschraubten Pumpensockel 18, der an eine Gastrennanlage oder eine andere Einlaßkonstruktion angeschlossen werden kann und der im gezeigten
Ausführungsbeispiel mit dem Dichtungsteil S verbunden ist. Ferner besitzt das Pumpengehäuse eine rohrförmige Wand 20 sowie einen
Pumpenaufsatz oder eine Pumpenhaube mit einem mit der rohrförmigen Wand 20 verschraubten oberen Lagergehäuse 22. Das gesamte Gehäuse ist auf der Welle 14 konzentrisch zu dieser Welle angeordnet.

Der Pumpensockel 18 besitzt einen Flüssigkeitseinlaß 24 und ist
so ausgeformt, daß die Welle mit einer Einlaßleitung 26 versehen
ist, welche zur ersten Pumpenstufe 16 führt. Ferner ist der Pumpensockel auch mit einer radial angeordneten Lagerfläche 28 versehen, welche mit der ersten Pumpenstufe in Berührung steht und ; diese abstützt. I

Ein nicht gezeigtes Ende des Pumpenaufsatzes 30 ist für den An- ■

j !

j Schluß an ein Bohrgestänge ausgelegt, welches die gepumpte Flüssig-

j

keit an die Oberfläche fördert. Außerdem bildet er eine Flüssig- 'j

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keitsauslaßleitung 32, welche die gepumpte Flüssigkeit von den Pumpenstufen 16 zur Weiterleitung an das Bohrgestänge aufnimmt.

^: Das ünterende der Welle 14 kann als Keilwelle oder anderweitig entsprechend ausgeformt sein, so daß sie durch einen nicht gezeigten geeigneten Flansch oder ein Verbindungsstück an die Abtriebswelle des Motors M angekuppelt werden kann. Die Welle 14 erstreckt sich über die gesamte Länge des Rohrteils 20 des Pumpengehäuses 12 und läuft über den Pumpenstufen 16 in ein Oberende aus. Nicht gezeigte Vorrichtungen wie Nuten und Sprengringe können zur Halterung der Welle im Pumpengehäuse vorgesehen sein.

In der Welle ist eine sich längs erstreckende Keilnut 34 ausgeformt, in welcher ein mit den Pumpenstufen in Wirkverbindung stehender Mitnehmerkeil 36 angeordnet ist, um die Pumpenstufen in Drehung zu versetzen und das Heraufpumpen der zu fördernden Flüssigkeit zu bewirken.

Die einzelnen Pumpenstufen 16 der Pumpe umfassen ein Flügelrad

40

(s. auch Fign. 2 und 3) und einen Diffusor^ welche zusammenwirken, um die geförderte Flüssigkeit vom Einlaß 24 zur Auslaßleitung 32 zu pumpen.

Die Flügelräder 38 besitzen eine mit der Welle 14 durch den Keil 36 verkeilte Ringnabe, damit sie sich mit der Welle 14 drehen. Ferner besitzen die einzelnen Flügelräder einen oberen und unte-₍ ren radial angeordneten Ring 44 und 46, welche durch eine Anzahl ; von Stegen 48 miteinander verbunden sind. Am Ring 46 ist ein

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ringförmiger Flanschteil 50 ausgeformt, der konzentrisch zur j Nabe 42 angeordnet ist. Diese Flügelradringe bilden eine durch ^; die einzelnen Flügelräder hindurchgeführte, mit einem axial angeordneten Einlaß 52 und einem radial angeordneten Auslaß 54 versehene Flüssigkeitsleitung.

Die Diffusoren 40 sind zwischen benachbarten Flügelrädern angeordnet und dienen zur Weiterleitung der gepumpten Flüssigkeit vom Auslaß 54 einer Stufe zum Einlaß 52 der nächsten Stufe. Die Diffusoren besitzen einen radial angeordneten Außenring 56 sowie einen axial angeordneten Innenring 58. Der axial angeordnete Außenring 56 besitzt eine axial ausgerichtete zylinderförmige Oberfläche 60, welche mit der Innenfläche der rohrförmigen Wand 2O in Berührung steht. Auf diese Weise sind die Diffusoren axial fluchtend gegenüber dem Gehäuse ausgerichtet und damit auch gegenüber der Welle 1.4 und den Flügelrädern 38. Jeder Außenring ist an der Oberfläche 60 mit einer Umfangsnut 62 versehen. In Abhängigkeit von den Forderungen des speziellen Pumpeneinsatzes ist an einigen Stellen eine O-Ringdichtung 64 in die Nut eingesetzt, um eine Flüssigkeitsdichtung zwischen der Oberfläche 60 und der rohrförmigen Wand 20 zu schaffen.

Ferner besitzen die axial angeordneten Ringe 56 an einem axialen Ende einen abgesetzten Teil 66 sowie einen hochstehenden Flanschteil 68 am entgegengesetzten Ende. Der abgesetzte Teil 66 des Diffusors einer Stufe steht mit dem hochstehenden Flanschteil des nächsten Diffusors in Eingriff. Der abgesetzte Teil.66 des

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untersten Diffusors 40a, welcher der erste Diffusor neben der Pumpeneinlaßleitung 26 ist, ist auf der Stützfläche 28 des Pumpensockels 18 gelagert. Der hochstehende Flanschteil 68 des obersten Diffueors nächst der Pumpenauslaßleitung 32 steht in radialer Richtung in Berührung mit einem Druckrohr 70. Dieses Rohr wird durch das mit den rohrförmigen Wänden 20 verschraubte obere Lagergehäuse 22 in Richtung des Pumpensockels 18 gedrückt. Daher stehen die axial angeordneten Außenringe 56 der Diffusoren 4O zwischen dem Druckrohr 70 und dem Pumpensockel 18 unter Druck, um die Diffusoren stationär gegenüber dem Gehäuse zu halten und während des Pumpvorgangs ihre Drehung mit der rohrförmigen Wand 20 zu verhindern.

Das obere Lagergehäuse 22 ist mit sich in Querrichtung zur Flüssigkeitsauslaßleitung 32 erstreckenden Stegen versehen und trägt auch einen Lagerzapfen 72, welcher eine in einem Abstand angeordnete Hülse 74 umschließt, die ihrerseits die Welle 14 umfängt.

Am axialen Außenring 56 des Diffusors 40 ist neben dem hochstehenden Flanschteil 68 ein radial angeordneter Ringteil 76 ausgeformt. Dieser Ringteil 76 umfaßt eine mit einem Druckring 80 in Eingriff stehende Lagerfläche 78, Der Druckring 80 ist in einer Ringnut oder einem Hohlraum 82 angeordnet, welcher durch einen herabhängenden Rand oder Ring 84 sowie durch den herabhängenden Flansch des unteren Radialrings 46 des Flügelrades gebildet wird und einen Teil des während des Pumpvorgangs auftretenden Längsdruckes aufnimmt.

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j Ein radial ausgerichteter Ringteil 88 des axialen Innenrings 58

j eines jeden Diffusors ist durch Stege 9O mit dem Außenringteil 76 verbunden und bildet mit dem Ring 56 und seinem radial ausgerichteten Teil 76 eine Flüssigkeitsleitung, welche sich durch den Diffusor vom Auslaß 54 eines Flügelrades 38 zum -Einlaß 52 des nächsten Flügelrades erstreckt. Der unterste Diffusor 40a besitzt weder die Stege 90 noch den axialen Innenring 58.

Der axiale Innenring 58 eines jeden Diffusors besitzt eine radial gerichtete Lagerfläche 92. Zwischen der Lagerflache 92 und einem Hohlraum 96 im benachbarten Flügelrad 38 ist ein Druckring 94 angeordnet. Der Hohlraum wird durch einen Außenring 98 und die Nabe 42 des Flügelrades gebildet. Dieser Druckring 94 dient zur Abstützung der sich relativ zueinander drehenden Flügelräder sowie zur Aufnahme von während des Pumpvorganges auftretenden Längsdrücken.

Die einzelnen axial ausgerichteten Innenringe 58 bilden jeweils eine sich axial erstreckende Zylinderfläche oder einen Lagerzapfen 100 neben der Welle 14, die von dieser in einem Abstand angeordnet ist, der im wesentlichen gleich ist der radialen Dicke der Nabe 42 des Flügelrades 38. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Zylinderfläche 100 etwas größer als der der Nabe 42, um zwischen diesen Bauteilen eine gegenseitige freie Drehung zu ermöglichen. Von den Flügelradnaben 42 können Teile entfernt und durch ein Lagerelement 102 mit Gummioberfläche ersetzt wecden; ein solches Lager ist in der Zeichnung dargestellt.

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Ein Druckring 1O4 ist auf einer radial gerichteten Fläche 106 an den Flügelrädern 38 gelagert. Bei einer Richtungsumkehr des Längsdruckes oder im Falle eines Aufwärtsdruckes berühren diese Druckringe eine ünterflache 108 am benachbarten Diffusor 40 und nehmen ! damit den aufwärts gerichteten Druck auf.

Die Druckringe 80 und 94 unterscheiden sich hauptsächlich in ihren Abmessungen, so daß das in Fig. 4 gezeigte Lager 80 oder 94 für beide gilt. Jedes Lager ist ein geteilter Ring mit dem Spalt 110. Wie vorstehend erwähnt, ergab es sich, daß herkömmliche Druckringe, d.h. ringförmige Ringe in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Pumpenflügelrädern bestrebt sind, sich mit kleineren Geschwindigkeiten als die der Flügelräder zu drehen, wobei sie bei der Förderung von Schleifmittelhaltigen Flüssigkeiten übermäßigen Abrieb oder Verschleiß hervorrufen, der manchmal in Teile der Flügelrader einschneidet oder diese durchschneidet. Durch eine Teilung oder ein Aufschneiden der Druckringe 80 und 94 (Fig. 4) muß sich der Druckring infolge der auf ihn einwirkenden Zentrifugalkraft bei sich drehendem Flügelrad sowie infolge der in Radialrichtung auf die Oberfläche des Druckringes einwirkenden Geschwindigkeitsdifferenz ausdehnen. Dadurch gelangt der Druckring fest in Eingriff mit seinem Lagerring 84 und 98 und dreht j sich mit dem und mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Flüge1- ! rad. Damit wird eine Drehung der Druckringe mit gegenüber den ! Flügelrädern unterschiedlichen Geschwindigkeiten sowie auch ein übermäßiger Verschleiß von Flügelradteilenwrmieden.

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Ein geeigneter Werkstoff für die geteilten Druckringe ist ein Hartgewebeschichtstoff Güteklasse CE (Grobgewebe), der aus einem Baumwollgewebe mit einem Gewicht von mehr als vier Unzen pro

Quadratyard (113,4 g/0,8361 m ) gefertigt ist und dessen Fadenzahl höchstens 72 pro Zoll (25,4 mm) in Einlage- oder Schußrichtung und insgesamt höchstens 140 in Ketten- und Einlage- oder Schußrichtung beträgt. Dieser Werkstoff ist hart und stark, besitzt eine hohe Schlagfestigkeit, läßt sich leicht verarbeiten, ist fast nicht hygroskopisch und besitzt gute elektrische Eigenschaften.

Die physikalischen Eigenschaften der Schichtstoffe NEMA, Gütegrad CE sind wie folgt:

Zugfestigkeit, psi (kg/cm )

längs 12,000 (844)

quer 9,000 (633)

2
Druckfestigkeit, psi (kg/cm )

senkrecht zur Schichtebene 39_fOOO (2740)

längs der Schichtung 24,500 (1720)

2
Biegefestigkeit, psi (kg/cm )

längs 17,000 (1200)

quer 14,000 (984)

Elastizitätsmodul der Biegsamkeit,psi (kg/cm²)

längs 90O₇OOO (63300)

quer 800,000 ($6200$

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.25508

Scherfestigkeit, psi (kg/cm²) 11,000 (773)

Izod Kerbschlagzähigkeit ft. lbs/Zoll der Kerbe (nicht in cm kg/cm² umrechenbar)

senkrecht zur Schichtebene 2,30

längs zur Schichtung 1,40

Rockwellhärte, M Scale 105

Spezifisches Gewicht 1,33

Wärmedehnungskoeffiz ient

cm/cm/^oC . 2 χ 10~⁵

Wasseraufnähme % in 24 Stunden

1/16" (1,5875 mm) 2,20

1/8" (3,175 mm) 1,60

1/2" (12,7 mm) 0,75

Durchschlagsfestigkeit, V/Mil (nicht vergleichbar)

senkrecht zu den Schichtlagen Kurzzeitprüfung

1/16" (1,5875 mm) 500

1/8" (3,775 mm) 360

Dielektrischer Verlustfaktor % in 1 MHz

Bedingung A 5,5

Maximale Konstante

Betriebstemperatur ⁰F (⁰C) 250 (121,1)

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Klebefestigkeit - lbs. (kg) 1,800 (816)

Dicke

Minimal 0,015" (0,370 mm)

Maximal 0,02," (0,508 mm)

Natürlich können erfindungsgemäß andere Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Ein normaler Druckring für ein Flügelrad von etwa 3 Zoll Durchmesser (76,2 mm) besitzt die folgenden Abmessungen: Außendurchmesser etwa 2,375 Zoll (60,325 mm), Innendurchmesser etwa 1,875 Zoll (47,625 mm), Dicke 0,062 Zoll (1,5748 mm), Spalt 1/16" (1,5875 mm). Diese Abmessungen hängen natürlich von der Größe des Flügelrades ab.

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Claims (3)

• 3 — Patentanwälte Dipl. mg- H. HaucK Dipl. Phys- w- Schmitz Dipl. Ing. E. Graalfs Dipl. Ing. W. Wehnert Dipl. Phys. W. Carstens B München '2. Mozartstr. ü3 ! BORG-WARNER CORPORATION South Michigan Ave. München, 3.November 1975 Chicago, 111. 60604,USA Anwaltsakte: M-3694 Patentansprüche

1.) Drehbares Flügelrad mit einer Mittelbohrung zur Durchführung einer Welle sowie mit einem ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme eines Druckringes, dadurch gekennzeichnet, daß der Dcuckring (80,94) im allgemeinen radial geteilt ist und sich infolge der während der Drehung der Welle (14) und des Flügelrades (38) auftretenden Zentrifugalkraft ausdehnt sowie dadurch, daß der Druckring (80,94)auf der Welle (14) befestigt ist und an einer Seite gegenüber einem Diffusor (40) offen ist.

2. Drehbares Puppenflügelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring konzentrisch angeordnete geteilte Druckringe (80,94) umfaßt.

3. Kreiselpumpe mit einer Welle und einem Flügelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (80,94) neben einem Diffusor (40) gegenüber der Welle (14) feststehend angeordnet ist.

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