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Bohrlochpumpe mit Ventilkolben Gegenstand der Erfindung ist eine Bohrlochpumpe
mit Ventilkolben, wie sie besonders für tiefe Bohrlöcher benutzt werden.
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Es ist der Zweck der Erfindung, eine Pumpe mit einem ringförmigen
Raum zu versehen, welcher sich während des Saughubes des Kolbens vergrößert, so
daß in dem Raum ein Unterdruck entsteht, damit die Flüssigkeit, welche infolge Undichtigkeiten
in diesen Raum gelangt, ihren Druck verliert und keine Neigung mehr hat, von hier
aus weiterzuwandern.
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Bei den bekannten Pumpen dieser Art ist der genannte ringförmige Raum
in Verbindung mit anderen großen Räumen, und zwar so, daß ein großer Unterdruck
in dem rinä förmigen Raum nicht entstehen kann, so daß, selbst wenn der ringförmige
Raum sich bis auf sein Höchstmaß vergrößert hat, in demselben ein beträchtlicher
Druck herrscht. Dieser Druck treibt die in den ringförmigen Raum eingetretene Leckflüssigkeit
in den Saugraum der Pumpe, wodurch derWirkungsgrad der Pumpe verringert wird.
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Ferner sind Pumpen bekannt, die wohl einen hohen Unterdruck in dem
ringförmigen Raum erzeugen könnten, wenn bei diesen Pumpen die in diesen Raum eingetretene
Flüssigkeit während des Druckhubes des Kolbens schnell genug herausgetrieben werden
könnte, was nicht möglich ist, weil die Auslaßöffnungen für diesen ringförmigen
Raum zu klein ausgeführt sind. Wenn der Kolben seinen Saughub beginnt, dann befindet
sich stets in dem ringförmigen Raum eine gewisse Menge Flüssigkeit unter hohem Druck,
was sehr nachteilig ist.
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Gemäß der Erfindung wird in dem ringförmigen Raum, welcher durch ein
den Zylinder umgebendes Rohr gebildet wird, ein Unterdruck sofort bei dem Beginn
des Saughubes des Kolbens erzeugt. Zur Austreibung der in den ringförmigen Raum
eingetretenen Gase und 01 ist ein Kugelventil vorgesehen, welches sich bei dem Druckhub
des Kolbens öffnet und den Inhalt des ringförmigen Raumes nach außen treten läßt.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar: Abb.
i ist ein senkrechter Längsschnitt durch den oberen Teil einer vorgezogenen Ausführungsform
einer Pumpe, Abb.2 ist ein senkrechter Längsschnitt durch den unteren Teil derselben,
Abb. 3 ist ein Querschnitt nach 3-3 der Abb. i,
Abb. 4 ist eine
Seitenansicht der Pumpe in verkleinertem Maßstab, wie sie aussieht, wenn sie in
das Brunnenrohr herabgelassen wird, Abb.5 ist ein senkrechter Längsschnitt durch
eine abgeänderte Ausführungsform, Abb.6 ist ein Querschnitt nach 6-6 der Abb. 5,
Abb. 7, 8 und 9 sind weitere Ausführungsarten der Pumpe.
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Die in den Abb. i bis 4 dargestellte Pumpe ist mit einem äußeren Kolbenrohr
15, einem inneren Kolbenrohr 16 und einem Zylinder 17
versehen. Am
unteren Teil des Zylinders befindet sich ein länglicher Zylinderdeckel 18, in welchem
sich eine Querwand i9 befindet, welche mit Öffnungen 2o versehen ist. Die Öffnungen
2o sind konzentrisch um einen von der Wand i9 nach abwärts ragenden Ansatz 21 angeordnet.
Der Zylinderdeckel 18 ist bei 22 mit Gewinde versehen, welches mit einem eine. Einlaßöffnung
27 aufweisenden Ventilkörer 23 verschraubt ist. Zwischen dem Ventilkörper 23 und
dem Zylinderdeckel 18 ist der Ventilsitz 24 des Einlaßventils angeordnet. Der Ventilsitz
24 ist mit einer Kugel 25 versehen, welche sich bei dem Saughub des Kolbens von
dem Ventilsitz 24 abhebt, um den Eintritt der Flüssigkeit in den Zylinderraum 26
zu ermöglichen.
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Der obere Teil des Zylinders ist mit einer nach einwärts gerichtettn
Verstärkung 28 versehen, wodurch eine Schulter 29 entsteht. Das äußere Kolbenrohr
gleitet über den äußeren Teil des Zylinders 17, und das innere Kolbenrohr gleitet
mit seinem unteren Ende in dem inneren Teil des Zylinders 17.
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Dadurch entsteht zwischen beiden Kolbenrohren ein ringförmiger Raum
30, und dieser Raum dient zur Aufnahme der Flüssigkeit, die durch Undichtigkeiten
der Pumpe hier eintritt. Dieser ringförmige Raum vergrößert sich, wenn der Kolben
sich nach aufwärts bewegt, und verringert sich, wenn der Kolben sich nach abwärts
bewegt. Das innere Kolbenrohr ist bei 31 im Durchmesser verringert, so daß eine
Schulter 32 entsteht, welche mit der Schulter 29 des Zylinders zusammenarbeitet,
und zwar so, daß der Kolben nicht vollkommen aus dem Zylinder herausgezogen werden
kann. Die Länge des inneren Kolbenrohres, welches mit dem verringerten Durchmesser
ausgeführt ist, ist so groß, daß die Pumpe ihren gewöhnlichen Hub ausführen kann,
ohne daß die genannten Schultern sich einander berühren. Der innere Durchmesser
des oberen Teiles 28 des Zylinders ist etwas größer als der äußere Durchmesser des
verringerten Teiles 31 des inneren Kolbenrohres, so daß ein Spielraum 33 entsteht.
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Das innere Kolbenrohr ist vorzugsweise an seinem untersten Ende mit
einem Ventil 35
versehen, welches aus einer Kugel 36 und einem Ventilsitz
37 besteht und den Eintritt der Flüssigkeit nach aufwärts gestattet, je-
doch
ein Zurückfließen derselben nach dem Einlaßventil verhütet.
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Die beiden Kolbenrohre sind an einem Kolbenkopf 4o befestigt. Das
innere Kolbenrohr ist bei 40b und das äußere ist bei 4o11 mit dem Kolbenkopf verschraubt.
Die Bohrung 38 des inneren Kolbenrohres setzt sich nach aufwärts in den Kolbenkopf
fort, was bei 38a gezeigt ist, und ist durch eine Wand 4oe, begrenzt. Von dem Kanal
38a führen Kanäle 41 nach auswärts, so.daß die Flüssigkeit durch diese Kanäle
nach auswärts gelangt.
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Die Pumpe ist in einem Brunnenrohr 42 angeordnet, welches bis zur
Endoberfläche reicht und welches die gepumpte Flüssigkeit nach aufwärts führt. Der
Kolben pumpt also die eingesaugte Flüssigkeit durch die Offnungen 41 in das Brunnenrohr
42 hinein. Das untere Ende des Brunnenrohres ist mit einem Ventilschuh 43 versehen,
in welches der Ventilkörper 23 ,der Pumpe fest hineingekeilt wird. Wenn nun ,der
Kolben nach aufwärts geht, dann wird die oberhalb des Kolbenventil#s 35 befindliche
Flüssigkeit nach aufwärts bewegt und in das Brunnenrohr 42 hinein. Zur selben Zeit
wird durch den Kolben neue Flüssigkeit durch das Einlaßventil in den Zylinder hineingesaugt.
Wenn der Kolben nun nach abwärts bewegt wird, dann schließt sich das Einlaßventil,
und das Kolbenventil 35 öffnet sich. Die in den Zvlinder eingetretene Flüssigkeit
tritt also in das Innere des Kolbens ein und wird bei der Aufwärtsbewegung desselben
durch die Kanäle 41 nach auswärts getrieben.
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In dem oberen Teil des Zylinderkopfes ist eine Kammer 45 angeordnet,
welche vollkommen von dem Kanal 38 getrennt ist. Die Kammer 45 ist mit einem Ventilsitz
46 versehen, welcher durch einen Ventilkopf 47 in Stellung gehalten wird, welche
eine Kugel 48 enthält. Am oberen Ende des Ventilkopfes ist ein mit Gewinde versehener
Ansatz 49 angeordnet, der mit dem Gestänge verbunden wird, durch welches der Kolben
hin und her bewegt wird. Von dem Boden der Kammer 45 führen Kanäle 5o zu dem ringförmigen
Raum 3o, der -durch die beiden Kolbenrohre gebildet wird. Auf diese Weise ist die
Kammer 45 mit dem ringförmigen Raum 50 in stetiger Verbindung. Durch diese
Konstruktion des Ventilkopfes wird der ringförmige Raum 3o durch ein ziemlich großes
Ventil 48 überwacht, welches nur in einer Richtung den Durchtritt von Flüssigkeit
gestattet. Der ringförmige Raum 30 ist mit Ausnahme der kleinen, zu vernachlässigenden
Kammer 45
vollkommen außer Verbindung mit irgendwelchen anderen
Räumen, wenn der Kolben sich nach aufwärts bewegt. Die Kani:le 5o sind versetzt
mit Bezug auf die Auslaßkanäle 41 des Kolbens angeordnet, so daß dieselben nicht
miteinander in Verbindung geraten.
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Die Wirkungsweise des äußeren Kolbenrohres, des ringförmigen Raumes
3o und des Ventils 48 ist folgende: Wenn der Kolben sich nach abwärts bewegt, dann
nimmt das obere Ende des 7-yl.inders beinahe vollkommen den ringförmigen Raum 3o
ein und drückt entsprechend dem verdrängten Volumen die in dem ringförmigen Raum
eingedrungene Flüssigkeit über die Kanäle 50 und das Ventil 48 nach außen.
Während des darauffolgenden Saughubes des Kolbens schließt sich das Ventil48, und
damit ist der ringförmige Raum von dein mittleren Flüssigkeitskanal 38 und allen
anderen Räumen abgeschlossen, so daß in dem ringförmigen Raum 30 ein Unterdruck
entsteht. Die Rohre des Kolbens sind aus gewöhnlichen gezogenen Stahlrohren hergestellt,
welche keineswegs innen oder außen bearbeitet oder geschliffen sind, sondern verhältnismäßig
leicht ineinanderpassen, so daß die Rohre sich an dein Zylinder nicht reiben und
nicht festklemmen können. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens kann daher die
unter hohem Druck befindliche Flüssigkeit in dein Brunnenrohr, infolge des Spielraumes
zwischen dem äußeren Kolbenrohr und dem Zylinder, in den ringförmigen Raum gelangen.
Die Einströmung von Leckflüssigkeit in den ringförmigen Raum ist jedoch nicht schnell
genug, um denselben so schnell zu füllen, wie sich der Rauminhalt desselben vergrößert,
so daß kein bemerkenswerter Druck in demselben entstehen kann. Die in den ringförmigen
Raum eingedrungene Flüssigkeit hat also keine oder nur sehr wenig -Neigung, von
hier aus in das Innere des Saugraumes des Zylinders zu gelangen.
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Wenn es gewünscht wird; die Pumpe aus dem Bohrloch zu entfernen, dann
wird der Kolben nach aufwärts gehoben, bis die Schulter desselben sich an die Schulter
des Zylinders anlegt. Beim Aufschlagen der Schulter des Kolbens gegen die Schulter
des Zylinders kann derselbe von dem Schuh 4.s gelöst werden, und alle Teile der
Pumpe können so mit einem Male an die Oberfläche befördert werden, ohne daß das
Brunnenrohr 42 selbst herausgezogen zu werden braucht.
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Die Flüssigkeitsmenge, welche durch das Arbeitsventil einer Pumpe
der genannten Art hindurchgehen kann, ist im allgemeinen dem Flächeninhalt des unteren
Endes des inneren Kolbenrohres proportional. Die wirklich gehobene Flüssigkeitsmenge
ist gewöhnlich nur zwei Drittel der theoretischen Flüssigkeitsmenge, welche sich
aus dem Flächeninhalt und dem Hub des Kolbens berechnet, und zwar ist diese Erscheinung
auf wohlbekannte Ursache zurückzuführen. Es wird deshalb v orgezogen, die einzelnen
Teile der Pumpe in dem Verhältnisse herzustellen, wie sie in der Zeichnung dargestellt
sind. Der Flächeninhalt des oberen ringförmigen Teiles des Zylinders, welcher als
Grundfläche des ringförmigen Raumes 3o angesehen werden kann, wird so groß gewählt,
daß derselbe zwei Drittel des Flächeninhaltes des unteren Endes des inneren Kolbenrohres
beträgt. Ist zum Beispiel der Flächeninhalt des unteren Endes des inneren Kolbenrohres
18 cm2 groß und beträgt der Hub .der Pumpe 5o cm, dann werden bei Jedem Hub
ungefähr 6oo em3 Flüssigkeit durch das Einlaßv entil angesaugt. In diesem Falle
sollte die obenerwähnte ringförmige Fläche des Zvlinders 2q" groß sein, so
daß die Vergrößerung des Rauminhaltes des rinförmigen Raumes 6oo cm3 je Hub beträgt.
Der ringförmige Raum kann in diesem Falle f;oo cm3 Flüssigkeit je Hub aufnehmen,
und da die wirklich angehobene Flüssigkeitsmenge nur 6oo cm3 je Hub beträgt, so
ist es einleuchtend, daß die gesamte angesaugte Flüssigkeitsmenge in den ringförmigen
Raum hineingelangen kann, bevor dieselbe versucht, zu dem Zylinderraum zurückzugelanb
n. Es hat sich herausgestellt, daß gewöhnliche Pumpen mit einem einzigen Rohr als
Kolben vollkommen versagt haben, wenn die zurückgelaufene Flüssigkeitsmenge gleich
der angesaugten Flüssigkeitsmenge ist. In vielen Ölbrunnen werden Pumpen verwendet,
welche eine Leistungsfähigkeit von 1500 cm3 je Hub haben, jedoch aus verschiedenen
Gründen werden bei jedem Hub nur 150 cm3 Flüssigkeit gefördert. Wenn diese
Pumpe abgenutzt ist, derart, daß die zurücklaufende Flüssigkeit 1o °/o der theoretischen
Leistungsfähigkeit der Pumpe beträgt, dann wird eine solche Pumpe überhaupt keine
Flüssigkeit mehr fördern. Bei der Pumpe gemäß der Erfindung, welche gemäß den obigen
Verhältnissen ausgeführt ist, muß die zurücklaufende Flüssigkeitsmenge 66 °Jo der
theoretischen Leistungsfähigkeit der Pumpe betragen, bevor der ringförmige Raum
während eines einzigen Hubes ausgefüllt wird.
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Die abgeänderte Ausführungsform der Pumpe nach Abb.5 und 6 besitzt
einen Kolbenkopf 50 mit einem offenen Flüssigloeitskanal5i, der unmittelbar
in Verbindung mit dem Hauptflüssigkeitskanal steht. In dieser Pumpe strömt die gehobene
Flüssigkeit gerade nach aufwärts durch den Kolben hindurch. An der Stelle, wo der
kleinere Teil des inneren Kolbenrohres sich mit dem größeren
Teil
des unteren Kolbenrohres verbindet, ist ein Kopf 53 angebracht, in welchem sich
eine Ventilkammer 54 befindet, welche durch eine nach aufwärts bewegliche Kugel
abgeschlossen wird. Von dem ringförmigen Raum führt ein Kanal 56 zu der Ventilkammer
54, während ein anderer Flüssigkeitskanal 57 durch den Kopf hindurchfährt, ohne
in Verbindung mit der Ventilkammer 54 oder dem ringförmigen Raum 30 zu kommen.
Die Wirkungsweise dieser Pumpe ist sehr ähnlich wie die Wirkungsweise der im vorhergehenden
beschriebenen. Wenn die Flüssigkeit aus dem ringförmigen Raum herausgedrückt wird,
dann kann dieselbe leicht in den mittleren Flüssigkeitskanal entweichen. Bei der
Aufwärtsbewegung des Kolbens jedoch schließt die Kugel 55 die Ventilkammer gegen
den Flüssigkeitskanal ab, und dann befindet sich der ringförmige Raum vollkommen
getrennt von dem Innern der Pumpe und des Brunnenrohres.
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In Abb. 7 ist eine Pumpe ohne ein inneres Kolbenrohr gezeigt. Das
äußere Rohr 58 ist das Brunnenrohr, welches bis zur Oberfläche des Erdbodens führt.
Das Kolbenrohr ist an einem gewöhnlichen Kolbenkopf 59 befestigt, und der Zylinder
befindet sich im Innern dieses Kolbenrohres. In diesem Falle befindet sich der ringförmige
Raum zwischen dem Rohr 58 und dem Zylinder, und zwar an dem unteren Teil der Pumpe.
Der Zylinder ist mit einem Ventilkopf 53a versehen, der ähnlich so ausgebildet ist
wie der Kopf 53 in Abb.5. In diesem Ventilkopf 53" befindet sich ein Kanal
6o, durch welchen die Flüssigkeit in den Hauptkanal der Pumpe gelangt.. Ferner befindet
sich an dem Ventilkopf eine Kammer 54a, welche durch einen Kanal 56a in Verbindung
mit dem ringförmigen Raum gebracht wird. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens
wird die Kugel des Einlaßv entils durch die eindringende Flüssigkeit angehoben und
wird dabei auf den Sitz 5511 mit solcher Kraft gedrückt, daß keine Flüssigkeit von
dem ringförmigen Raum während der Aufwärtsbewegung des Kolbens in den Zylinder eintreten
kann.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Abb.8 ist ein Kolbenkopf 62 vorgesehen,
welcher sowohl das innere als auch das äußere Rohr trägt. Im Innern des inneren
Kolbenrohres ist eine Ventilkammer 63 angeordnet, in welcher sich ein Venti164 befindet.
Der ringförmige Raum wird mittels der Rohre 65 mit dem unteren Teil des Ventilraumes
63 verbunden, während andere Rohre 66. von dem oberen Teil der Ventilkammer 63 nach
auswärts führen, ohne jedoch mit dem Inneren der ringförmigen Kammer in Verbindung
zu kommen. In dieser Ausführungsform der Pumpe gelangt die außen befindliche Druckflüssigkeit
durch die Rohre 66 in die Ventilkammer 63, wodurch das Ventil 64 während der Aufwärtsbewegung
des Kolbens - geschlossen wird. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens kann die
in dem ringförmigen Raum angesammelte Flüssigkeit durch die Rohre 65 und über das
Ventil 64 entweichen, denn in diesem Falle wird das Ventil durch die entweichende
Flüssigkeit geöffnet. Der untere Teil des inneren Rohres ist natürlich mit dem üblichen
Kolbenventil (nicht gezeigt) versehen, das auch in allen Ausführungsformen, die
im vorhergehenden beschrieben worden sind, angeordnet ist.
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Die Pumpe gemäß Abb.9 besitzt eine innere Fortsetzung 63, die konzentrisch
zu dem äußeren Kolbenrohr verlegt ist. Beide Kolbenrohre werden von .einem Kolbenkopf
62 getragen. In diesem Falle ist der ringförmige Raum, wie bei 45 gezeigt ist,.
nach aufwärts fortgesetzt, indem der Kolbenkopf 6a mit Kanälen 5o versehen ist.
An dem Kolbenkopf ist ein Ventilgehäuse 47 befestigt, in welchem ein Ventil angeordnet
ist, bestehend aus einem Ventilsitz 46 und einer Kugel48. Diese Kugel48 deckt zu
gleicher Zeit die Verlängerung 63 des ringförmigen Raumes ab: In dieser Ausführungsform
der Pumpe dient die Kugel 48 zweierlei Zwecken, und zwar zum Verhüten der Rückkehr
von Flüssigkeit zu dem Flüssigkeitskanal 38a und zum Verhüten der Rückkehr von Flüssigkeit
zu dem ringförmigen Raum. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens wird die Kugel48
von ihrem Sitz entfernt, und dadurch wird gleichzeitig der ringförmige Raum und
der Hauptflüssigkeitskanal geöffnet zwecks Austritts von Flüssigkeit.
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In allen beschriebenen Ausführungsformen der Pumpe ist der ringförmige
Raum vollkommen abgesondert von irgendwelchen anderen Räumen, die verhältnismäßig
groß sind, so daß bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in dem ringförmigen Raum
ein verhältnismäßig hoher -Unterdruck erzeugt werden kann. Dadurch wird bewirkt,
daß die in den ringförmigen Raum eindringende Flüssigkeit in demselben bleibt und
keinerlei Neigung hat, weiterzufließen, bis der Kolben sich abwärts bewegt, wodurch
die Flüssigkeit dahin befördert wird, wo sie hergekommen ist. Die eingedrungene
Flüssigkeit gelangt also nicht in den Saugraum des Zylinders und beeinflußt in keiner
Weise die Saugwirkung des durch das innere Kolbenrohr gebildeten Kolbens.