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Kolben für Ölschachtpumpen, welcher aus zwei oder mehreren miteinander
nachgiebig verbundenen Teilkolben zusammengesetzt ist Die Erfindung betrifft einen
Kolben für ölschachtpumpen, welcher aus zwei oder mehreren miteinander nachgiebig
verbundenen Teilkolben zusammengesetzt wird. Im allgemeinen ist es bekannt, einen
Kolben aus mehreren Teilkolben zusammenzusetzen und diese Teilkolben nachgiebig
zusammenzuschließen. Bei gewöhnlichen Pumpen bzw. solange es sich um Kolben handelt,
die für ölschachtpumpen nicht in Frage kommen, bietet der nachgiebige Zusammenschluß
mehrerer Teilkolben keine besonderen Schwierigkeiten. Indes muß bei ölschachtpumpen,
bei denen wohl immer eine ziemlich große Flüssigkeitssäule auf dem Kolben lastet,
vor allem berücksichtigt werden, daß die Flüssigkeitssäule zwischen oberstem und
unterstem Teilkolben dem Werte nach möglichst gering bleibt. Die nachgiebige Verbindung
der Teilkolben muß also zwischen den Teilkolben so wenig Raum wie möglich in Anspruch
nehmen. Gemäß der Erfindung werden die Teilkolben zu diesem Zweck gleich zylindrischen
Hohlkörpern ausgeführt und die Glieder zur gegenseitigen Verbindung mitsamt den
für jeden Kolben benötigten Rückschlagventilen im Innern der als Teilkolben dienenden
Hohlkörper befestigt. Durch die erwähnte Bauart ist die Möglichkeit gegeben, die
Teilkolben so dicht wie nur möglich aneinanderrücken zu können. Hinzukommt, daß
Teilkolben in Form zylindrischer Hohlkörper beim Saug-und Förderhub ganz wesentlich
zu einer dichten Führung der Kolben beitragen; zumal bei ölschachtpumpen der Druck
der über dem Kolben stehenden Flüssigkeitssäule so stark ist, daß sehr wohl von
einer gewissen Dehnung der Kolbenwände beim Saug- und Förderhub gesprochen werden
kann. Umgekehrt beim Leerhub, d. h. wenn der Kolben wieder in den Schacht zurückkehrt,
werden die Teilkolben infolge der wesentlich verringerten Belastung etwas nachgeben,
d. h. im Durchmesser sich einziehen können, so daß sich der Kolben verhältnismäßig
leicht in den Schacht einführen läßt. Mit der Möglichkeit, die Teilkolben so dicht
wie überhaupt möglich aneinanderzurücken, ergibt sich der weitere Vorteil, daß mit
einer Flüssigkeitssäule zwischen oberstem und unterstem Teilkolben praktisch überhaupt
nicht mehr gerechnet zu werden braucht. Die Dehnung und Zusammenziehung der in Form
zylindrischer Hohlkörper ausgeführten Kolben sind allerdings gering, praktisch jedoch
nicht ohne Bedeutung.
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
und zwar zeigt Abb. i den Pumpenzylinder mit Tauchkolben in senkrechtem Schnitt,
Abb. z in größerem Maßstabe sowie teilweise im Schnitt, wie die einzelnen Kolben
des Tauchkolbens verbunden werden,
Abb. 3 einen Schnitt 'nach Linie
8-8 der Abb. 2, Abb. 4 einen Schnitt nach Linie 9-9 der Abb. 2, Abb.5 in vergrößertem
Maßstabe sowie teilweise im Schnitt den unteren Teil des Tauchkolbens mit dem Saugventil,
Abb. 6 die Schaulinien der auf dem Tauchkolben lastenden dynamischen Drücke, Abb.
7 die Schaulinien der in verschiedenen Eintauchtiefen des Kolbens herrschenden statischen
Drücke. .
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Die Konstruktion des Tauchkolbens 42 ist in Abb. i bis 5 dargestellt.
Der Tauchkolben 42 besteht aus einem oberen Einzelkolben 8o, zwei mittleren Einzelkolben
81, 82 und aus einem unteren Kolben 83. Jeder dieser Kolben besitzt einen eine Kugelkammer
86 bildenden Teil 85. Die Kugelkammer 86 steht mit der Außenseite des Teils 8 5
durch eine quergehende Bohrung 87 in Verbindung. Der obere, mit Gewinde versehene
Teil 88 eines zur Verbindung dienenden Nippels 89 ist in das Gewinde 9o des Teils
85 eingeschraubt. Oben auf jedem Nippel89 befindet sich ein Kugelsitz 9i für die
in der Kugelkammer 86 lagernde Kugel92. Die Kugel wird von der Verbindung 89 gehalten.
Jeder Teil 85 ist oberhalb der Kugelkammer 86 mit einem Halsstück 94 versehen.
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Jeder der Nippel89 ist unten mit einem Gewinde io2 versehen, über
welches das Gewinde 103 eines Verbindungsgliedes 104 geschraubt werden kann. Das
Gewinde io2 des zum unteren Kolben 83 gehörigen Nippels 89 wird mit dem Gewinde
1o6 eines Ventilstößels I G7 verschraubt. Jeder Körper 8 5 hat eine untere Schulter
io8 und jedes VerbindungsstÜck 104 sowie der Ventilstößel 107 eine obere Schulter
io9. Beide Schultern io8 und iog treten mit den unteren Schultern i io und i i i,
befindlich an dem unteren mit 112 bezeichneten Teil des Kolbenmantels 113, in Berührung.
Hierdurch werden die Kolbenwände zugleich festgehalten. Über dem mit 112 bezeichneten
unteren Teil des Kolbenmantels 113 liegt der mit 114 bezeichnete zylindrische Teil,
der sich nach oben rings um den Körper 85 herumlegt.
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Jede Verbindung 104 besitzt eine Bohrung 118 sowie genau gegenüberliegende
Bohrungen i 19, durch welche die mit i 2o bezeichneten senkrechten Seitenwände entstehen.
Unterhalb der Bohrung i 18 ist in jedem Teil 104 eine zylindrische Öffnung 122 vorhanden.
Der mit 123 bezeichnete Schaft des Verbindungszapfens 124 führt durch jede der öffnungen
122, wobei das untere Ende mit der Gewindebohrung 125 des Halsstückes 94 (Körper
85) verschraubt ist: Ein Niet i26 wird durch jedes Halsstück 94 sowie gleichzeitig
durch die Schäfte 123 der Verbindungszapfen 124 hindurchgezogen, um die Verbindung
beider Teile zu sichern. Das obere Ende der Teile 123 ist mit T-förmigem Kopf 128
versehen. Jeder T-Kopf 128 fügt sich in eine Bohrung i 18, erstreckt sich
zugleich bis in die Bohrungen i 19 und soll dabei mit den Seitenwänden i2o der Teile
104 in Berührung treten. Die Unterseite 13o eines jeden T-Kopfes 128 kommt mit der
Oberseite i3o der Verbindungsstücke 104 in Berührung. Die Unterseite 133 eines jeden
Verbindungsstückes 104 berührt die Oberseite 134 der mit 94 . bezeichneten Halsstücke
der Teile 85. Das Verbindungsstück 104 sowie der Verbindungszapfen 124 geben zusammen
eine nachgiebige Verbindung zwischen den einzelnen Kolben. Alle Kolben- zusammen
-ergeben erst den Tauchkolben 42 der Pumpe.
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Beim Zusammensetzen der einzelnen Kolbenteile wird der Teil 85 für
den oberen Kolben 8o durch einen Bolzen gegen Verdrehung gesichert. Die Kugel 92
wird dann in die Ventilkammer 86 eingelegt, worauf der Nippel 89 in das untere Ende
der Kammer 86 eingeschraubt werden muß. Das Einschrauben geschieht mit Hilfe einer
hier nicht dargestellten Stange, welche man durch die in jedem Nippel 89 vorgesehene
Bohrung 140 steckt. Der Kolbenmantel ii2, und zwar für den oberen Kolben 8o, ist
nunmehr aufzusetzen. Dabei wird die obere Schulter i io gegen die untere Schulter
io8 des Körpers 85 stoßen, und das Verbindungsstück 104 kann nunmehr auf das untere
Ende des Nippels 89 aufgeschraubt werden. Ist dieses geschehen, so wird das Gewinde
123 des schon vorher in das Verbindungsstück 104 eingesetzten Zapfens 124 in die
Bohrung 125 des Körpers 85 eingeschraubt (der eben erwähnte Körper 85 gehört zu
dem nächstfolgenden Teilkolben 81). Im übrigen werden die Kolben 81, 82, 83,'ingenau
der gleichen Weise untereinander verbunden. Statt aber am unteren Ende des zum untersten
Kolben 83 gehörigen Nippels 89 ein Verbindungsstück 104 festzuschrauben, wird ein
mit 107 bezeichneter Ventilstößel vorgesehen, der auf das stehende Saugventil 142
einwirken soll. Der Sitz dieses Saugventils ist mit r43 bezeichnet und in dem unteren
Paßstück 76 vorgesehen. Damit der Stößel das Ventil betätigen kann, ist derselbe
mit einem zentrisch sitzenden Zapfen 144 versehen.
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Die Wirkungsweise der Pumpe ist im großen ganzen folgende: Beim Niedergang
des Tauchkolbens 43 wird das im Kolbenzylinder 38 und unter dem Kolben stehende
Öl allmählich über den Kolben treten. Beim Niedergang des Kolbens wird das Öl also
aus dem unteren Teil des Pumpenzylinders 38
durch eine im Ventilstößel
107 vorgesehene Bohrung 145, weiter durch eine im Nippel 89
vorgesehene Bohrung
146 und schließlich in die Ventilkammer 86 des unteren Kolbens 83 eintreten. Die
Kugel 92 wird durch das Öl vom Sitz abgehoben. Das Öl läuft nun von der Kammer 86
durch die Öffnung 87 nach der Außenseite des Körpers 85, strömt rings um Körper
85 herum nach oben, tritt dann in die Bohrung 118 des Verbindungsstückes 104 und
weiter durch die Bohrung I 1 4. hindurch. Von der Bohrung I 18 aus strömt
das Öl durch den zum Kolben 82 gehörigen Nippel 89, um in genau der gleichen
Weise, d. h. wie es eben beschrieben, den weiteren Weg nach oben fortzusetzen; wenn
Kolben 83 seine tiefste Stellung erreicht, werden sämtliche Kugeln 9z auf ihren
Sitz 91 niedergedrückt.
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Beim Hochgang :des Tauchkolbens wird das über dem Kolben 83 stehende
Öl mit in die Höhe genommen. Gleichzeitig wird aber auch Öl in den darunterliegenden
t Zylinderraum über das Saugventil14z eintreten und den beim Hochgang des Kolbens
entstehenden Hohlraum im Zylinder ausfüllen. Mit dem Aufundabgang des Kolbens wiederholen
sich die Vorgänge in genau gleicher Weise.
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Bei Betrachtung der Arbeitsweise des Erfindungsgegenstandes ist es
notwendig, die Verhältnisse im Schacht zu prüfen. Abb. 15 bringt die hierzu notwendigen
Schaulinien, den Schacht und die in verschiedenen Höhen auftretenden Drücke. In
der Schaulinie sind die Schachttiefen auf den Ordinaten und die Drücke auf der Abszisse
aufgetragen. Die Linie A-B entspricht z. B. der Schachttiefe, während Linie B-C
den auf Ventil 142 lastenden statischen Öldruck darstellt. Dieser Druck B-C fällt
längs einer Linie C-A bis auf Null (an der Erdoberfläche).
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Betrachtet man die Verhältnisse einer Ölschachtpumpe, so ist dabei
zu berücksichtigen, daß das Öl durch das Vorkommen expansionsfähiger Gase zumeist
eine »elastische« Flüssigkeit darstellt.: Angenommen, der Gasgehalt wäre gleich
1 oProzent des im Schacht befindlichen Flüssigkeitsvolumens und unter der weiteren
Annahme, daß der mit einem Ventil 150 (Abb. 7) versehene Kolben 38 den Abwärtshub
beendet hätte und gerade im- Begriff steht, den Hub nach oben anzutreten, so wird
gerade in solchem Augenblick der Druck auf beiden Seiten des Kolbens 38 gleich sein;
dargestellt wird er durch die Linie D-E; mit dem Beginn des Aufwärtshubs wird der
oberhalb des Kolbens herrschende Druck längs der Linie C-A abfallen, da das Öl allmählich
herausgedrückt und die Eintauchtiefe des Kolbens 83 ebenfalls kleiner und kleiner
wird. Der Druck auf der Unterseite fällt ebenfalls. Er fällt jedoch nicht bis auf
Null, so wie es der Fall sein müßte, wenn das Öl mit einer nicht dehnbaren Flüssigkeit,
z. B. mit dem Wasser, verglichen werden könnte. Da im Schacht Gase vorhanden sind,
wird die Flüssigkeit expandieren und- den Druck im großen und ganzen umgekehrt proportional
der Volumenzunahme abfallen lassen. Der Druckabfall verläuft längs der Linie E-I".
Für .einen kleinen Hub, z.-B. für die Strecke E-S, findet man, daß der Druck am
Boden des Kolbens beim Hubende gleich L1( ist, während der Druck auf der O:)erseite
gleich LS würde. Es bleibt die Differenz 1(S, die dem wirksam auf Kolben 38 lastenden
Drucke gleichzustellen wäre. Zu beachten ist, daß der effektive Druck bei dieser
Eintauchtiefe ziemlich klein ist. In den Schaulinien werden mit Voraussetzung eines
ioprozentigen Gasvolumens außerdem gleiche Drücke für 5o- und 75prozentige Eintauchtiefen
dargestellt.
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Es ist selbstverständlich, daß die wirksamsten Drücke bei anderer
Eintauchtiefe für denselben T-lub_größer werden. Dies ist natürlich darauf zurückzufühcen,
daß das Gasvolumen zwischen Kolben 83 und Ventil 1422 kleiner wird. Die tatsächliche
Vergrößerung des wirksamen Druckes, bei größer werdender Eintauchtiefe in irgendein
01, ist jedoch größer, als es hier dargestellt ist, denn je größer die Tiefe,
um so geringer wird der prozentuale Gasgehalt (auf Grund des größer werdenden Druckes).
je kleiner das Gasvolumen wird, um so schneller fällt jedoch der auf dem Boden des
Tauchkolbens lastende Druck. Soll der Kolben daher wirksam arbeiten, so muß er ganz
m Nähe des Ventils wirken.
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In den Schaulinien (Abb.7) sind die bei jedem Hub entstehenden, auf
die Beschleunigung des Öls zurückzuführenden dynamischen Drücke außer acht gelassen.
Die Einwirkung des dynamischen Druckes ergibt sich - aas dem Diagramm (Abb.6). Auf
den Horizontalen sind die Zeiten und auf den Senkrechten die Bewegung oder der Druck
aufgetragen. Die Strecke M-J soll z. B. die Zeit für den Aufwärtshub darstellen.
Die Bewegung des Kolbens ist (für den Fall, daß sie durch eine Kurbel veranlaßt
wird) durch eine Kurve F-G angedeutet. Es ist wohl selbstverständlich, daß eine
Beschleunigung des Öls nur beim AuWärtshub von M bis J stattfindet. Hätteman es
mit einer festen Masse zu tun, so würde der für diese Beschleunigung notwendige
Druck längs einer Linie M bis J
verlaufen. Die Pumpengestänge sind
elastisch, ebenso ist die zu fördernde Flüssigkeit gewissermaßen - elastisch; die
dynamischen Drücke werden dadurch eine gewisse Verzögerung erleiden und längs einer
Linie M-H-S verlaufen. Es ist selbstverständlich,
daß diese Kraft
bei einer einfach wirkenden Pumpe nur um wenig mehr als die Hälfte der Zeit wirksam
ist, und daß sie nahezu doppelt so groß ist, wie eine bei kontinuierlichem Betrieb
gleichmäßig wirkende, dieselbe Ölmenge hebende Kraft.
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Da die Rohre aus mechanischen Gründen. ziemlich große Weite bekommen,
wird die Strömungsgeschwindigkeit verhältnismäßig niedrig ausfallen, so daß mit
einer Reibung kaum gerechnet zu werden braucht. Theoretisch kann die Reibung jedenfalls
außer Betracht bleiben. In der Praxis findet man, daß jene zeitweilig auftretenden
dynamischen Kräfte größer sein können als die statischen Kräfte. Bei einer gewöhnlichen
Pumpe ist der auf dem Plunger lastende Druck zu jeder Zeit gleich der Summe der
dynamischen und statischen Drücke. Das gleichzeitige Schließen aller in den einzelnen
Kolben befindlichen Ventile läßt den vollen dynamischen Druck auf den oberen Kolben
sowie den vollen statischen Druck auf den unteren Kolben bestehen. Die dazwischenliegenden
Einzelkolben sind (wenn mehr als zwei Kolben verwendet werden). so lange inaktiv,
bis der obere oder der untere Kolben leckt. In solchem Falle würden die zwischen
oberem und unterem Kolben liegenden Kolben die Belastung `aufnehmen. Die Richtigkeit
dieser Behauptung wird im folgenden bewiesen: Um den Vorgang richtig zu beurteilen,
ist es notwendig, die Pumpe kurz vor dem Ende des Abwärtshubes zu beobachten. Zu
dieser Zeit werden sämtliche Ventile offenstehen und die Flüssigkeitsdrücke sich
im Rohre ausgleichen. Der statische Druck an jeder einzelnen Stelle würde der jeweiligen
Tiefe entsprechen. Das ganze statische Gewicht des Öls wird in jedem Augenblick
auf dem Saugventil der Pumpe lasten. Kommt die Pumpe am Ende des Abwärtshubes an,
so werden sich die Ventile aller Teilkolben 80, 81:, 82 und 83 , schließen. Dieselben
Verhältnisse liegen auch kurz vor Beginn des Aufwärtshubes vor, mit anderen Worten,
alle vier Kolben sind im Öl untergetaucht, solange das Saugventil geschlossen ist.
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Die Verhältnisse ändern sich sofort mit Beginn des Aufwärtshubes.
Angenommen, jeder Kolben wäre im Pumpenzylinder dicht geführt und könne nicht 1ecken,
und des weiteren angenommen, daß sämtliche Kolben zur gleichen Zeit öffnen, sowie
daß die Zuggestänge keine Elastizität aufzuweisen hätten, so würde die Druckverteilung
über sämtliche Kolben . mit Ausnahme des unteren Kolbens 83 gleichmäßig ausfallen.
Der untere Kolben 83 hat den Öldruck von oben her aufzunehmen; ein Gegendruck von
unten ist jedoch nicht vorhanden, da der Kolben hochgeht und das Saugventil offensteht.
Mit anderen Worten: Die Kolben 8o, 8,1 und 82 schwimmen im Öl ohne Arbeit zu verrichten,
während der Kolben 83 die volle statische Belastung aufnimmt.
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Jeder Kolben 8o, 81, 82 und 83 hat den dynamischen Druck des unmittelbar
Barüberstehenden Öls aufzunehmen. Aus diesem Grunde nimmt der obere Kolben 8o den
dynamischen Druck des Barüberstehenden Öls auf, dessen Masse praktisch das ganze
Volumen des den Schacht ausfüllenden Öls ausmacht. Die Kolben 81, 82 und 83 unterliegen
den dynamischen Drücken des in ihnen selbst vorhandenen Öls. Indem man diese Kolben
sehr dicht aneinanderrückt und so anordnet, daß sie nur kleine Ölmengen zu tragen
haben, werden diese dynamischen Drücke sehr klein, so daß sie letzten Endes vernachlässigt
werden können.
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Aus Vorstehendem ergibt sich, daß der untere Kolben 83 die ganze statische
Belastung im Schacht aufzunehmen hat, und daß dahingegen der obere Kolben 8o alle
dynamischen Drücke im Schachte aufnehmen muß; die zwischenliegenden Kolben 81 und
82 stehen in Reserve, bis einer der Kolben, der obere oder der untere Kolben, leck
wird. Erst dann wird einer der Zwischenkolben 81 oder 82 in Tätigkeit treten. Sollte
z. B. der obere Kolben 8o leck werden, so würde sich der auf diesem Kolben lastende
dynamische Druck auf den nächsten Kolben 81 übertragen. Sollte im anderen Falle
der untere Kolben 83 leck werden, so würde der Kolben 82 an seine Stelle treten
und die ganze statische Last aufnehmen.
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Aus Abb. 11 und 12 sieht man, daß die Wand des mit 112 bezeichneten
zylindrischen Teils des Kolbenmantels 113 verhältnismäßig dünn ist. Die Elastizität
des Kolbenmantels wird dadurch ganz wesentlich gesteigert. Beim Aufwärtshub wird
der auf dem Kolbenmantel lastende Druck versuchen, ihn fest gegen die Zylinderinnenwand
zu drücken, und so eine dichte Führung herbeiführen. Wenn der Kolben den Abwärtshub
antritt, fallen die eben erwähnten Drücke fort, die Kolbenmäntel werden wieder auf
die normale Größe schrumpfen. Also fällt die nicht unerhebliche Pressung zwischen
Kolbenmantel und Zylinderinnenwand fort, so daß der Kolben mit ziemlicher Leichtigkeit
nach unten gehen kann. Lias ist insofern wichtig, als das Gestänge entlastet und
die Wirkungskraft der Pumpe vergrößert wird.