DE3325682A1

DE3325682A1 - Foerderpumpenantrieb

Info

Publication number: DE3325682A1
Application number: DE19833325682
Authority: DE
Inventors: Siegmar-J. 8770 Lohr Hochsattel
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1983-07-15
Filing date: 1983-07-15
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE3325682C2; US4646518A

Description

BESCHREIBUNG;

Die Erfindung betrifft einen Förderpumpenantrieb mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.

Antriebe für ölförderpumpen sind in mehreren Ausführungsformen bekannt. Bei der sogenannten Pferdekopfpumpe treibt ein Elektromotor über ein Getriebe mit Gewichtsausgleich das Fördergestängo an. Dabei- ist die Hub- und Senkgeschwindigkeit gleich und eine Energierückgewinnung nicht möglich. Um ein langsames Senkaiund schnelleres Heben zu erzielen, ist es auch bekannt, als Antrieb eine Zylinderpumpe zu verwenden, deren kolbenstangenseitiger Raum mit dem Förderstrom einer hydraulischen Pumpe beaufschlagt wird. Beim Senken wird das vom Kolben der Zylinderpumpe verdrängte Flüssigkeitsvolumen über eine einstellbare Drossel zum Tank zurückgeführt. Auch dabei ist eine Energierückgewinnung nicht möglich. Von diesem Stand der Technik wird im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen.

Bei einem anderen bekannten Förderpumpenantrieb ist oberhalb des Pumpenzylinders ein Gasspeicher aufgesetzt. Der Kolben des PumpenZylinders ist mit einer zweiten Kolbenstange versehen, die einen das Speichervolumen begrenzen™ den Kolben trägt. Wenn der Kolben der Zylinderpumpe in der oberen Totpunktlage ist,so ist der Gasdruck im Speicher mindestens so hoch, daß das Gewicht des Fördergestänges ausgeglichen wird. Die beiden Zylinderräume des Pumpenzylinders sind an eine Axialkolbenpumpe mit über den NuIlpunkt verstellbarer Schrägscheibe angeschlossen. Zum Senken des Kolbens wird die Axialkolbenpumpe in die eine Richtung verschwenkt und damit der obere Zylinderraum des Pumpenzylinders beaufschlagt, wodurch der Kolben nach unten verschoben und gleichzeitig das Gaspolster im Gasspeicher weiter zusammengepreßt wird. Es muß also zum Ausführen

des Senkens -Energie zugeführt werden. Am unteren Hubpunkt hat der Druck im Gasspeicher den maximalen Druck erreicht und die Axialkolbenpumpe wird über den Nullpunkt in die andere Verstellrichtung geschwenkt/ wodurch sich die Durchflußrichtung umkehrt und der untere Zylinderraum

des Pumpenzylinders beaufschlagt wird, so daß der Kolben nach oben fährt. Die Hubbewegung wird vorn Druck im Gasspeicher unterstützt,, so daß von der Pumpe nur der Differenzdruck zwischen dem Speicher'druck und dem Hebe-IQ druck ausgeglichen werden muß. Bei dieser Anordnung ist somit eine Energierückgewinnung möglich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Förderpumpenantrieb, insbesondere für ölförderpumpen so auszubilden, daß die Energierückgewinnung mit einer vereinfachten Bauweise und erhöhten Lebensdauer der Anlage ermöglicht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind mehrere Vorteile vermittelt. So ist es nicht erforderlich, daß der Gasspeieher vom Kolben des Pumpenzylinders angetrieben wird und damit auf dem Pumpenzylinder aufgesetzt sein muß. Vielmehr kann die Energiespeicherung in einem Gasspeicher erfolgen, der an einer passenden Stelle der Anlage aufgestellt ist. Die Zufuhr von Druckmittel zum Pumpenzylinder erfolgt nur zum Heben des Kolbens, während das Senken durch das Gewicht des Fördergestänges bewirkt wird. Es werden also unkontrollierbare ZugkabeIdeformierungen durch Zwangssteuerung (Beaufschlagen der Kolbenseite mit Drucköl) vermieden, wenn der Pumpenkopf beim Senken auf einen Widerstand trifft. Ferner bleibt der Kolben stehen, wenn das Fördergestänge klemmt oder das Zugkabel reißt. Die fehlerhafte Pumpe

ist somit an dem stillstehenden Kolben insbesondere
Kontrolle aus der Luft sofort erkennbar.

Ein entscheidender Vorteil liegt darin, daß dl© Pumpe beim Heben und Senken stets in der gleichen Durchfiußriohfeung

g durchströmt wird_p so daß das Ums te! lon <ü@r Pumpe über die
Nullstellung hinaus in dia andere Verstellrichtung entfällt. Dadurch wird die Lebensdauer <S©r Axialkolbenpumpe
erheblich vergrößert, da bisher für jeclon Hub die Pump©
zweimal über den Nullpunkt hinaus für ^gäie Auf- und Äbwlrts IQ bewegung geschwenkt v/erden mußte..

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.

■j_g Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an~
hand der Zeichnung näher erläutert'. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Förderpumpe^« antriebes mit elektrischer Energierückgewinnung
und

Fig. 2 eine schematisch© Darstellung eines Förderpumpenantriebes mit einem hydraulischen Speieher.

In Fig. 1 ist ein hydraulischer Zylinder mit 1 bezeichnet/ dessen Kolben 2 mit einem nicht dargestellten Pumpengestänge verbunden ist« Vorzugsweise handelt es sich um den
Antrieb einer Erdö!förderpumpe. Der kolbenseitige Zylinder

raum - 3 ist mit dem Tank verbunden,,
on

Der kolbenstangenseitige Zylinderraum 4 ist über ein Wegeventil 5 in Form eines Kolbenslfezventils mit einer ersten
Leitung β verbunden, die an die Druckseite 7 einer hydraulischen Pumpe 10 angeschlossen ist.« Außerdem ist der kolbenstangenseitige Zylinäerraum 4 über eia weiteres Wege-=

ventil 11, das ebenfalls ein Sitzventil ist mit einer zweiten Leitung 12 verbunden, die an den Sauganschluß 8 der Pumpe 10 angeschlossen ist.

c Die hydraulische Pumpe ist mit einem Verstellorgan 9 zur Einstellung des von der Pumpe verdrängten Volumens versehen» Das Verstellorgan 9 kann ausgehend von einer Nullhubstellung 0 in der gleichen Verstellrichtung in die Stellung H zum Heben und in die Stellung 6 zum Senken des KoI-

IQ bens 2 verstellt werden. Die Versteilpumpe 10 kann beispielsweise eine Axialkolbenpumpe mit verstellbarer Schrägscheibe sein, die ausgehend von ihrer dem Nullhub entsprechenden Neutrallage zum Heben und Senken in den jeweils gleichen Winkelbereich, also nicht über die Neu-

ic tralstellung hinaus in den anderen Winkelbereich verschwenkt wird.

Ferner ist die erste Leitung 6 und damit der Druckanschluß 7 der Pumpe 10 über ein drittes Wegeventil 14 mit dem Tank verbunden. Der an die erste Leitung 12 angeschlossene Sauganschluß 8 der Pumpe ist über ein Rückschlagventil 15 mit dem Tank verbunden. Die Pumpe 10 wird von einem Elektromotor 16 angetrieben.

Die Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten Antriebs ist wie folgt: Zum Heben des Kolbens 2 säugt die Pumpe 10 über das Rückschlagventil 15 aus dem Tank hydraulische Flüssigkeit an und fördert die Flüssigkeit über die Leitung 6 und das geöffnete Wegeventil 5 in den Zylinderraum 4. Dabei sind die Ventile 11 und 14 geschlossen, über das Einstellen des Verdrängungsvolumens der Pumpe 10 läßt sich die Hubgeschwindigkeit des Kolbens 2 wählen. Das Ventil 14 arbeitet beim Heben mit überlagerter Ansteuerung als Druckbegrenzungsventil.

Zum Ausführen der Senkbewegung des Kolbens 2 werden die Ventile umgesteuert, so daß das Wegeventil 5 schließt und die Ventile 11 und 14 geöffnet werden» Dann kann die vom

niedergehenden Kolben 2 verdrängte Flüssigkeit aus eier Kammer 4 über das offene Wegeventil 11 und die Leitung zum Sauganschluß 8 der Pumpe gelangen, die nun von der Druckflüssigkeit angetrieben wird und als Motor den Elek·= tromotor 16 antreibt, der nun als Generator Energie to das Netz zurückspeist. Die aus dem Druckanschluß 7 der Pumpe austretende Flüssigkeit fließt über das offene Ventil zum Tank zurück.

Durch die Ventile 5, 11 und 14 wird dafür gesorgt, daß sowohl beim Heben als auch beim Senken des Kolbens 2 die Pumpe 10 in der gleichen Durchflußrichtung durchströmt wird. Durch das Verstellorgan 9 erfolgt die Einstellung der Hub- bzw. Senkgeschwindigkeit des Kolbens 2. In der Regel wird die Senkgeschwindigkeit schneller als die Hubgeschwindigkeit gewählt. Mit der dargestellten Anordnung wird vermieden, daß die Pumpe vom Nullhubbereich aus in beide Richtungen verstellt werden muß.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist zur Energierückgewinnung ein hydraulischer Speicher 20 vorgesehen» Sonst sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsζeichen versehen.

2b Die Druckmittelwege zwischen dem Zylinder 1, der Verstellpumpe 10 und dem Speicher 20 werden über zwei 3/3-Wege·=- ventile 21 und 25 gesteuert. Ein Druckbegrenzungsventil ist zwischen der zweiten Leitung 6 und dem Tank vorgesehen. Dieses Ventil öffnet, wenn der Druck in der Leitung 6 einen vorbestimmten Höchstdruck überschreitet«

Zum Füllen des Speichers 20 mit Flüssigkeit aus äem Tank wird das Wegeventil 21 in die SchaItsteilung gebracht, in der die zweite Leitung 6 mit dem Speicher 20 verbunden ist- Das Wegeventil 25 bleibt in der Neutralstellung..

So kann von der Pumpe 10 über das Rückschlagventil 15 aus dem Tank Flüssigkeit angesaugt und über die Leitung 6 in den Speicher gedrückt werden.Die Energierückgewinnung wird optimiert, wenn der Speicherdruck so hoch gewählt wird, daß er die zum Gewichtsausgleich des Pumpengestänges plus 50% der für den Förderhub erforderlichen Kraft liefert. Ist beispielsweise für den Ausgleich des Gestängegewichts ein Druck von 50 Bar erforderlich und beträgt der Druck für den Förderhub 110 Bar, so wird der Speicher 20 auf einen Druck von 50 Bar plus 1/2 mal 110 Bar = 105 Bar aufgeladen. Der Speicher 20 sollte so ausgelegt sein, daß der Speicherdruck während des Entleerens des Speichers, wenn also der Kolben 2 gehoben wird, nur geringe Änderungen erfährt. Damit ist die Energieaufnahme des Motors 16 nahezu konstant.

Für die Hubbewegung des Kolbens 2 wird über das Wegeventil 25 die erste Leitung 6 mit dem kolbenstangenseitigen Raum 4 und über das Wegeventil 21 der Speicher 20 über die zweite Leitung 12 mit dem Sauganschluß der Pumpe 10 verbunden. Damit steht der Speicherdruck an der Pumpe 10 an und erzeugt ein entsprechendes Drehmoment. Das zum Heben notwendige Restdrehmoment wird vom Motor 16 erzeugt.

Zum Senken wird durch Umschaltung des Wegeventils 25 die kolbenstangenseitige Kammer 4 mit der zweiten Leitung 12, und damit wiederum mit dem Sauganschluß 8 der Pumpe 10 verbunden. Auch das Wegeventil 21 w.ird umgeschaltet, so daß die erste Leitung 6 an den Speicher 20 angeschlossen ist.

Das aus dem Zylinder durch das Eigengewicht des Fördergestänges ausströmende öl wird in der gleichen Durchflußrichtung durch die Pumpe 10 geleitet und lädt über die erste Leitung 6 den Speicher 20 auf. Das Restdrehmoment zum Aufladen des Speichers auf den vorgenannten Speicher-

druck wird von dem Motor 16 erbracht, der die Pumpe 10 antreibt.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird das Verstellorgan 9 der Pumpe zum Heben und Senken nur einseitig ausgeschwenkt, ohne daß eine Umsteuerung über den Nullhubpunkt erforderlich ist. Damit ist die Lebensdauer solcher Pumpen wesentlich erhöht. Da der Kolben 2 beim Senken vom Gewicht des Fördergestänges bewegt wird,

IQ bleibt der Kolben 2 stehen, wenn das Fördergestänge oder das die Pumpe tragende Zugkabel klemmen. In diesem Fall saugt die Pumpe über das Rückschlagventil öl aus dem Tank und füllt den Speicher bis auf einen maximalen Druck. Anschließend wird mittels eines Signals das Druck-

IQ begrenzungsventil zum drucklosen Umlauf geöffnet, bzw. die Pumpe abgestellt. Es ist also eine unmittelbare Sichtanzeige gegeben, wenn an der Pumpe ein Defekt auftritt. Ferner kann der Antrieb so eingestellt werden, daß der Kolben 2 stehenbleibt, wenn auf ihn vom Gestänge keine Zugkräfte ausgeübt werden.

Die Umschaltung der Wegeventile in beiden Ausführungsbeispielen erfolgt durch eine nicht dargestellte Steuerung. Die Umschaltung wird in bekannter Weise über Impulssignale von den Umsteuerpunkten des Zylinders eingeleitet.

L e ο r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Förderpumpenantrieb mit einem hydraulischen Zylinder, dessen Kolben abwechselnd gehoben und gesenkt wird, mit einer von einem Motor angetriebenen hydraulischen Pumpe mit verstellbarem Volumen und mit einer Wegeventilanordnung, von der zum Heben des Kolbens der Druckanschluß der mit ihrem Sauganschluß über ein Rückschlagventil mit dem Tank verbundenen Pumpe über eine erste Leitung mit dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum und zum Senken des Kolbens dieser Zylinderraum mit einer einen niedrigeren Druck führenden zweiten Leitung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung (12) mit dem Sauganschluß (8) der Pumpe (10) verbunden ist, die zum Heben und Senken des Kolbens (2) in jeweils der gleichen Verstellrichtung verstellt und in der gleichen Durchflußrichtung durchströmt wird.
2. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulischer Speicher (20) mittels eines Wegeventils (21) beim Heben des Kolbens (2) an die zweite Leitung (12) und beim Senken des Kolbens an die erste Leitung (6) angeschlossen ist.
3. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (6) über ein entsperrbares Druckbegrenzungsventil (24) an den Tank angeschlossen ist.
4. Förderpumpenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Wegeventil (21, 25) zum Anschluß des Zylinders und des Speichers (20) an die Pumpe (10) vorgesehen ist.

So Förderpumpenantrisb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Leitung (6) beim Senken des Kolbens (2) mit dem Tank verbindbar ist.

β ο Forderpumpeaantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeisSiiietff daß die Verbindung der ersten Leitung (6) mit dem Tank über ein entsperrbares Druckbegrenzungsventil C24I erfolgt.

?■ Forderpumpenantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet? daß in der ersten Leitung (6) zwischen dem' Druckanschluß (7) der Pumpe (10) und der ZylinderfcaffiMer 14} sowie dem Tank je ein Wegeventil (5,14) und in dsr zweiten Leitung (12) zwischen dem Sauganschluß (8) der Pumpe und der Zylinderkammer ein vy@it©res Wegeventil (11) vorgesehen ist.