DE69839078T2

DE69839078T2 - Pumpvorrichtung

Info

Publication number: DE69839078T2
Application number: DE69839078T
Authority: DE
Inventors: John Leishman Sneddon
Original assignee: Sneddon John Leishman Ellon
Current assignee: Sneddon John Leishman Ellon
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: EP1025361B1; WO1999022141A3; AU9552198A; DE69839078D1; EP1025361A2; ATE385289T1; WO1999022141A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pumpgerät und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Pumpgerät, das nicht nur als eine konventionelle Pumpe funktioniert, sondern auch zum Vorwärtstreiben von Marine- oder Unterwasserfahrzeugen verwendet werden kann. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Motor, welcher eine Gestaltung auf der Basis von Moineau-Prinzipien aufweist.
Gegenwärtige Axialflusspumpen erfordern einen Kopplungsmechanismus zwischen einer Pumpe und einem Motor, welcher die Pumpe antreibt. Der Motor ist durch einen Getriebekasten und ein Lager mit dem Motor verbunden. Jede dieser Komponenten muss separat hergestellt werden und werden dann zusammengefügt. Diese erforderliche akkurate Ausrichtung aller Komponenten für enge Toleranzen macht das Herstellen und Zusammenbauen sehr schwierig.
Bei herkömmlichen Pumpen, die einen derartigen Kopplungsmechanismus einschließen, ist die Gesamtlänge der Pumpe erhöht, was zum Gewicht und zu den Kosten der Pumpe beiträgt. US5611397 A offenbart ein Pumpgerät gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Moineau-Pumpe gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Moineau-Pumpe beinhaltet einen äußeren und einen inneren Rotor, wobei das Flügelverhältnis (oder die Anzahl an Zähnen) des inneren und des äußeren Rotors in einem Verhältnis von n:n + 1 ist, wobei n jede beliebige ganze Zahl ist.
Eine Zentrifugalpumpe kann an die Moineau-Pumpe an oder nahe einem Fluideinlass der Moineau-Pumpe gekoppelt sein. Diese stellt, wenn beladen, der Moineau-Pumpe eine Druckfluideinspeisung bereit, die höher ist als für gewöhnlich. Alternativ dazu kann sie an oder nahe einem Fluidauslass montiert sein.
Typischerweise ist der äußere Rotor unter der Verwendung eines äußeren Lagers drehbar montiert.
Der innere Rotor kann typischerweise auf einer statischen zentralen Welle montiert sein, die als ein Lager wirkt. Alternativ dazu kann der innere Rotor unter der Verwendung einer integralen Welle, die sich auf einem Lager dreht, drehbar montiert sein.
Vorzugsweise beträgt das Flügelverhältnis der Moineau-Pumpe 1:2, und der innere Rotor definiert einen Ausleger. Typischerweise beinhaltet der Ausleger drei Abschnitte. Typischerweise sind die Abschnitte ein Pumpprofil, ein Stützprofil und ein Wellenprofil. Typischerweise ist das Pumpprofil eine axiale dreidimensionale Sinuskurve. Vorzugsweise weist die Sinuskurve einen spezifischen Rolldurchmesser auf und weist am besten einen Rolldurchmesser auf, der eineinhalbmal der Durchmesser des inneren Rotors ist.
Das Stützprofil ist typischerweise eine Fortsetzung des Pumpprofils, das sich axial in einer zweidimensionalen Sinuskurve erstreckt. Typischerweise ist das Wellenprofil eine Fortsetzung des Stützprofils axial in lediglich einer Dimension. Vorzugsweise ist das Wellenprofil ein Zylinder. Typischerweise ist das Zentrum der Welle des inneren Rotors auch das Zentrum des Rolldurchmessers.
Typischerweise ist der Antriebsmotor ein Elektromotor. Optional kann der Antriebsmotor einen Hydraulik-, Druckluft- oder einen Verbrennungsmotor aufweisen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht einer Moineau-Pumpe kombiniert mit einer Zentrifugalpumpe ist;
2 eine Ansicht einer Rotoranordnung aus 1 ist;
3a, b und c Schnittansichten durch die Linie A-A in 2 sind, die Moineau-Pumpen mit einem Flügelverhältnis von 1:2, 2:3 bzw. 3:4 zeigen;
4a ein Schnitt eines äußeren Rotors der gelappten Konfiguration von 1:2 aus 1 ist, wobei das Profil des axialen Schnitts des äußeren Rotors gezeigt ist;
4b ein Schnitt des inneren Rotors der gelappten Konfiguration von 1:2 aus 1 ist, wobei das Profil des axialen Schnitts des inneren Rotors gezeigt ist;
5a eine Ansicht ist, die eine Moineau-Pumpenanordnung mit einem Flügelverhältnis von 1:2 zeigt, wobei eine feste Welle mit einer Auslegerstütze gezeigt ist;
5b eine Vielzahl von Ansichten ist, die das Zusammenspiel des inneren und des äußeren Rotors aus 5a zeigen, wenn der äußere Rotor um 360 Grad gegen den Uhrzeigersinn rotiert wird;
6a ein vorderer Aufriss eines inneren Rotors einer gelappten Moineau-Pumpe von 1:2 ist, der axial gebohrt ist, um eine statische innere Stütze aufzunehmen;
6b eine Schnittansicht des inneren Rotors aus 6a durch die Linie A-A ist;
6c eine Ansicht des inneren Rotors ist, der auf einer statischen inneren Welle montiert ist;
6d eine Ansicht eines gelappten inneren Rotors von 1:2 ist, der auf einer drehbaren inneren Welle montiert ist, wobei ein Zentrifugalrotor daran befestigt ist;
6e eine Ansicht eines gelappten inneren Rotors von 1:2 ist, der auf einer statischen inneren Welle montiert ist, wobei der Unterschied bei der Montage des Zentrifugalrotors gezeigt ist;
7 ein Schnitt durch die Pumpe aus 1 ist, wobei die statische innere Stütze aus 6c benutzt wird;
8a eine Schnittansicht des Pumpgeräts aus 1 ist, wobei es modifiziert ist, um im normalen Betrieb ein Umleitungssystem für überschüssiges Fluid zu umfassen;
8b eine Schnittansicht des Geräts aus 8a ist, wobei der Fluss des Fluids gezeigt ist, wenn die Umleitung in Betrieb ist;
8c eine Schnittansicht eines Pumpgeräts ist, das eine statische Welle des inneren Rotors verwendet;
9a, b and c eine Reihe von Ansichten des Geräts aus 8a und b in progressiven Phasen des Massentransfers von Fluid durch eine vertikale Rohrleitung sind;
10a einen Endaufriss und einen Seitenaufriss des inneren Rotors aus 5a in der Richtung von Pfeil A zeigt;
10b ein Endaufriss und ein Seitenaufriss des inneren Rotors aus 10a in der Richtung von Pfeil B ist;
11a, b und c verschiedene Muster der Beziehungen zwischen der Länge des Gewindegangs und der Länge des Stützprofils für den inneren Rotor aus 5a zeigen;
12a und b vertikale bzw. horizontale Schnitte durch den äußeren Rotor einer gelappten Konfiguration von 1:2 mit einem Innendurchmesser d und einem Außendurchmesser 4 d sind;
12c und d die gleichen Ansichten wie 12a und 12b sind, wobei der innere Rotor installiert ist;
12e ein Endaufriss ist, der die Beziehung der Durchmesser und der Dimensionen der Profile in Bezug auf den inneren und den äußeren Rotor zeigt;
13a ein Seitenaufriss eines inneren und eines äußeren Rotors einer Moineau-Pumpe mit einer Flügelkonfiguration von 1:2 und einer Beziehung der Durchmesser des inneren und des äußeren Rotors von 1:4 ist;
13b ein Endaufriss im Schnitt des inneren und des äußeren Rotors aus 13a ist;
13c ein Schnitt des inneren und des äußeren Rotors aus 13a in der Richtung von Linie A-A ist;
13d eine Draufsicht im Schnitt des inneren und des äußeren Rotors aus 13b in der Richtung von Linie B-B ist;
14a bis f eine Vielzahl von Ansichten der gelappten Pumpe der Art Moineau von 1:2 ist, die verschiedene Einrichtungen der Lager, der Abdichtungen, des Ständers und eines Elektroantriebsmotors zeigen;
15a und 15b eine Endaufrissansicht bzw. eine Aufrissansicht im Schnitt einer Vortriebseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung sind, die ein keramisches Lager und eine variable Auslassöffnung verkörpern;
16 und 17 einen Vergleich zwischen einer Vortriebseinheit der Art Propeller und einer Vortriebseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
18 ein Schnitt durch eine modifizierte Pumpe aus 1 ist, die einen hohlen inneren Rotor benutzt;
19 eine einzelne Pumpenrotorausführungsform der Erfindung zeigt; und
20 eine Schnittansicht eines Motors ist, der die Konfiguration der vorliegenden Erfindung benutzt.
Im ersten Fall unter Bezugnahme auf 1 ist ein Pumpgerät, das im Allgemeinen mit 10 gekennzeichnet ist, gezeigt, welches eine Moineau-Pumpe 12 und eine Zentrifugalpumpe 14 in Kombination beinhaltet.
Die Moineau-Pumpe 12 wird durch einen Elektromotor angetrieben, der einen Ständer 16 und einen Rotor 18 aufweist, um bei der herkömmlichen Bezeichnung zu bleiben, und der auf die herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Es versteht sich, dass jede Art von Motor verwendet werden könnte und der Elektromotor dieser Ausführungsform lediglich beispielhaft ist.
Der Rotor 18 ist an einen äußeren Rotor 20 der Pumpe 12 gekoppelt. Wird der Rotor 18 durch die elektromagnetische Kraft des Elektromotors gedreht, wird verursacht, dass sich der äußere Rotor 20 in Synchronisation mit dem Rotor 18 des Elektromotors dreht. Die Drehung des äußeren Rotors 20 verursacht eine anschließende Drehung eines inneren Rotors 22.
Wie der Fachmann erkennen wird, werden Moineau-Pumpen auf der Basis betrieben, dass der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 22 bei gewissen Punkten entlang der Länge der Pumpe 12 in Gleitkontakt kommen. Die Anzahl an Punkten, bei denen sie in Kontakt stehen, wird durch das Flügelverhältnis des inneren Rotors 22 zu dem äußeren Rotor 20 bestimmt. Wie der Fachmann erkennen wird, beträgt das Flügelverhältnis der Moineau-Pumpe 12, die in 1 gezeigt ist, 3:4.
Nun unter Bezugnahme auf 3a bis c ist eine Anzahl an unterschiedlichen Flügelverhältnissen als Beispiele gezeigt. 3a zeigt ein Flügelverhältnis von 1:2, wohingegen 3b und 3c Verhältnisse von 2:3 bzw. 3:4 zeigen.
Bei einer Konfiguration mit einem Verhältnis von 1:2, wie in 3a, ist der innere Rotor 22 eine axiale dreidimensionale Sinuskurve oder eine Spirale. Jeder beliebige vertikale Schnitt der Spirale ergibt einen Kreis, der ein Zentrum aufweist, das von dem Zentrum 24 der Welle 26 des inneren Rotors versetzt ist. Der äußere Rotor 20 weist einen Schlitz 28 auf, welcher auf eine ähnliche Art und Weise wie der des inneren Rotors 22 spiralartig verläuft, wobei der innere Rotor 22 in den Schlitz 28 eingreift. Die Dimensionen des inneren 22 und des äußeren 20 Rotors sind optional.
Bei einer Konfiguration mit einem Verhältnis von 1:2 wird der Großteil der Dimensionen des inneren 22 und des äußeren 20 Rotors 20 durch den Durchmesser d des inneren Rotors 20 im Querschnittsprofil bestimmt. Der Schlitz 28 weist zwei halbkreisförmige Enden auf, die durch einen im Wesentlichen geraden Abschnitt verbunden sind. Die Distanz zwischen den Zentren der halbkreisförmigen Schnitte, welche gerundete Enden definieren, ist d, welche gleich dem Durchmesser des inneren Rotors ist. Der Radius der Kurven ist d/2, was dem Schlitz 28 eine Gesamtlänge von 2 d verleiht.
Gleichermaßen weist der innere Rotor 22, wie in 4b gezeigt, den Radius der Kreise (welche Querschnitte der Spirale sind) als d/2 auf. Wie zuvor erwähnt wurde, ist das Zentrum dieses Kreises von dem Zentrum der Welle 26 des inneren Rotors versetzt, wobei die Distanz mit e (die Exzentrizität) benannt und im Hinblick auf d als d/4 ausgedrückt ist.
Wie der Fachmann erkennen wird, weist der innere Rotor 22 einen Rolldurchmesser von 1,5 d auf, da das Zentrum der Spirale des inneren Rotors 22 um einen Wert e von dem Zentrum 24 der Welle des inneren Rotors versetzt ist,
Das Prinzip der Moineau-Pumpe 12 mit einem Flügelverhältnis von 1:2 ist am besten unter Bezugnahme auf 5a und 5b beschrieben. In 5b zeigt die nummerierte Sequenz von Zeichnungen den äußeren Rotor 20, der sich um eine Umdrehung gegen den Uhrzigersinn dreht.
Der äußere Rotor 20 wird durch den Rotor 18 des Elektromotors gedreht. Wenn sich der äußere Rotor 20 dreht, dreht sich der innere Rotor 22 auf Grund des Ineinandergreifens des Profils des inneren 22 und des äußeren 20 Rotors. Das Flügelverhältnis von 1:2 könnte als ein Standardgetriebe angesehen werden, bei dem der innere Rotor 22 einen verlängerten Zahn aufweist und der äußere Rotor 20 zwei aufweist. Bei gewissen Punkten entlang der Länge der Rotoren 20, 22 kommen die Rotoren 20, 22 miteinander in Gleitkontakt. Somit treibt der Elektromotor den äußeren Rotor 20 an, was im Gegenzug verursacht, dass sich der innere Rotor 22 auf Grund des Ineinandergreifens der Rotoren 20, 22 dreht.
Wie aus der Sequenz von Zeichnungen in 5b zu sehen ist, verursacht eine Umdrehung des äußeren Rotors 20 zwei Umdrehungen des inneren Rotors 22, wie bei einem Verhältnis von 1:2 erwarten werden würde.
6a bis c zeigen die Konfiguration des inneren Rotors 22 und auch eine statische Welle 26 des inneren Rotors einer gelappten Moineau-Pumpe von 1:2. Insbesondere zeigt 6a den Versatz der Welle 26 des inneren Rotors im Vergleich zu der Zentrumslinie der Spirale, wenn der innere Rotor durch eine statische Welle gestützt wird.
Es stehen eine Anzahl an Optionen für die Montage des inneren Rotors 22 in dem Pumpgerät 10 zur Verfügung. Zuerst wird, wie in 6b und c gezeigt ist, der innere Rotor 22 auf einer statischen Welle 26 montiert. Die statische Welle 26 wird dann unter der Verwendung einer internen Lageroberfläche 23, wie am besten in 6b gezeigt ist, innerhalb des Geräts aus 7, welches hiernach beschrieben wird, montiert.
Alternativ dazu wird der innere Rotor 22 unter der Verwendung eines Lagers 30 (siehe 8a und 8b) auf einer drehbaren inneren Stützwelle 27 montiert, wobei die innere Welle 27 als Teil des Pumpgeräts 10 drehbar montiert wird. Falls ein Auslegerstützsystem, das hiernach unter Bezugnahme auf 10a und 10b beschrieben wird, verwendet wird, wird die Welle 27 nicht benötigt, da die Auslegerstütze die Welle bereitstellt. Die Auslegerstütze ist im Allgemeinen für die Verwendung mit einer gelappten Moineau-Konfiguration von 1:2.
6d zeigt den inneren Rotor 22 einer gelappten Moineau-Pumpe von 1:2 mit einem daran befestigten Zentrifugalrotor 21 der Zentrifugalpumpe 14. Bei dieser Ausführungsform wird der innere Rotor 22 unter der Verwendung der drehbaren Welle 26 in dem Gerät 10 montiert, wie hiernach beschrieben wird. Der Zentrifugalrotor 21 wird unter der Verwendung eines Keils 27 auf dem inneren Rotor 22 an dem inneren Rotor 22 befestigt. Dann wird unter der Verwendung eines Schraubgewindes eine Nabe 25 entfernbar an dem vorderen Ende des Rotors 22 befestigt, wodurch der Zentrifugalrotor 21 an der Verwendungsstelle gesichert wird.
6e zeigt die alternative Einrichtung, bei der der innere Rotor 22 drehbar auf einer statischen inneren Welle 27 montiert ist, die als ein internes Lager wirkt. Bei dieser Ausführungsform ist der Zentrifugalrotor 21 auf die statische innere Welle 27 geschweißt. Es sollte beachtet werden, dass es nicht erforderlich ist, dass eine Nabe auf die statische Welle 27 geschraubt wird, um den Rotor 21 in Position zu halten.
Nun mit Hinwendung auf 7 ist eine Gesamtansicht der Moineau-Pumpe 12 für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese spezielle Ausführungsform verwendet eine statische Welle 27 des inneren Rotors. Die Welle 27 des inneren Rotors wird unter der Verwendung von zwei Stiften 32 nicht drehbar montiert. Der innere Rotor 22 wird drehbar auf der Welle 27 montiert. Der äußere Rotor 20 verläuft spiralartig um den inneren Rotor 22, wie zuvor beschrieben wurde.
Wie der Fachmann erkennen wird, besteht der Elektromotor aus einem Ständer 16 und einem Rotor 18, um den äußeren Rotor 20 anzutreiben. Der äußere Rotor 20 dreht sich auf einer Reihe von Lagern 34, zwei bei dieser speziellen Ausführungsform.
Da die Pumpe 12 hauptsächlich für das Pumpen von Fluiden verwendet werden soll, verhindert eine Vielzahl von Abdichtungen 36, dass Fluid in die Pumpe 12 eintritt und folglich den Elektromotor beschädigt.
Wenn sich der äußere Rotor 20 dreht, wird auf Grund der Getriebeeinrichtung von 1:2 eine Drehung des inneren Rotors 22 verursacht. Wie aus 7 zu sehen ist, ist eine Reihe von Hohlräumen 38 in 3 Dimensionen geschaffen, die es ermöglichen, dass Fluid von einem Einlass 40 zu einem Auslass 42 gepumpt wird. Der Spiralbewegungsablauf der Rotoren 20, 22, gekoppelt mit ihrer Konfiguration und ihrem Flügelverhältnis, produziert die Hohlräume 38, welche sich longitudinal durch die Pumpe 12 bewegen. Diese Art von Vorrichtung wird oft als eine progressive Aussparungspumpvorrichtung bezeichnet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 und 2 stellt das Gerät 10 der vorliegenden Erfindung bereit, dass eine Moineau-Pumpe 12 eine an das führende Ende der Moineau-Pumpe 12 gekoppelte Zentrifugalpumpe 14 aufweist. Die Zentrifugalpumpe 14 ist unter der Verwendung herkömmlicher Mittel wie etwa Schweißen oder der Verwendung einer Nabe und einer Keilnute, wie zuvor beschrieben wurde, an der Welle 26 des inneren Rotors der Moineau-Pumpe 14 befestigt. Bei der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist die Zentrifugalpumpe 14 mittels einer Nabe und einer Keilnute befestigt.
Der Zentrifugalrotor 21 (wird manchmal als Flügelrad bezeichnet) ist im Grunde genommen ein mit Schaufeln ausgestattetes Rad. Der Zweck der Zentrifugalpumpe 14 ist in der Tat, eine Aufladung für die Moineau-Pumpe 14 zu erzeugen.
Es sollte beachtet werden, dass, wie von dem Fachmann erkannt werden wird, die Zentrifugalpumpe 14 lediglich ein Beispiel einer Pumpe mit spezifischer Geschwindigkeit ist. Es kann jede beliebige Pumpe mit spezifischer Geschwindigkeit an Stelle der Zentrifugalpumpe, wie gezeigt, verwendet werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt. In Verwendung fließt Fluid axial zu dem Zentrifugalrotor 21 hin, wird von ihm abgelenkt und fließt zwischen den Schaufeln aus den Aperturen heraus. Die Schaufeln produzieren eine Zentrifugalbeschleunigung (das heißt eine Veränderung der Richtung und Beschleunigung) des Fluids, wenn es durchfließt, wodurch nach dem Auslass der Zentrifugalpumpe oder dem Diffusor 46 ein höherer Druck erzeugt wird.
Die Moineau-Pumpe 12 ist ein Beispiel für eine Hydropumpe, die nach dem Prinzip des Aufnehmens von Fluid mit einem geringen Druck und des Entfernens desselben Fluids mit einem höheren Druck betrieben wird. Somit ergibt der Effekt des Erhöhens des Drucks an dem Diffusor 46, welcher direkt in den Einlass der Moineau-Pumpe 40 speist, eine Erhöhung des Drucks an dem Auslass 42 der Moineau-Pumpe. Daraus folgt somit, dass, falls der Druck an dem Auslass 40 erhöht werden kann, eine ähnliche Erhöhung des Drucks an dem Auslass 42 erwartet werden kann. Somit erzeugt die Zentrifugalpumpe 14 eine Erhöhung des Drucks an dem Einlass 40 der Moineau-Pumpe und weist eine Funktion auf, die der eines Aufladers in einem Fahrzeug ähnlich ist.
Nun unter Bezugnahme auf 8a und b ist eine alternative Ausführungsform der gelappten Konfiguration von 3:4 aus 1 gezeigt. Das Gerät in 8a und b verwendet ein Lager 30, auf dem sich die Welle 26 des inneren Rotors 22 dreht. Hier ist das Gerät im Allgemeinen dasselbe wie das, das in 1 gezeigt ist, mit der Zugabe von zwei Kanälen 48, die in flüssiger Verbindung mit den Schnecken 46 stehen. Der Fluidfluss in die Kanäle 48 wird durch eine Vielzahl von Einwegventilen 50 gesteuert.
Im Normalmodus des Betriebs, wie in 8a gezeigt, wird Fluid in das Gerät 10 gezogen, wie zuvor erläutert wurde. Es wird ein Vakuum an dem Diffusor 46 hinter der Zentrifugalpumpe 14 erzeugt, das die Rückschlagventile 50 schließt. Somit fließt das gesamte Fluid, das in die Zentrifugalpumpe 14 eintritt, durch die Moineau-Pumpe 12 und wird an den Auslässen 42 ausgestoßen.
Falls jedoch die Zentrifugalpumpe 14 und die Moineau-Pumpe 12 hydraulisch nicht zusammenpassen, das heißt, dass die Zentrifugalpumpe 14 mehr Fluid einzieht als die Moineau-Pumpe 12 bewältigen kann, dann verringert sich das Vakuum bei dem Diffusor 46 und die Rückschlagventile 50 öffnen sich. Dies ermöglicht es, dass Fluid durch die Kanäle 48, wie in 8b gezeigt, fließt und an den Sekundärauslässen 52 aus dem Gerät 10 austritt. Die Einbeziehung der Rückschlagventile 50 ist erforderlich, wenn die Kapazität der Zentrifugalpumpe 14 größer ist als die der Moineau-Pumpe 12.
8c zeigt das gleiche Gerät wie das aus 8a und b, jedoch ist der innere Rotor 22 der Moineau-Pumpe 12 unter der Verwendung einer statischen inneren Welle 26 gekoppelt, wie oben beschrieben wurde. Es sollte beachtet werden, dass eine Gesamtverringerung der Kosten möglich ist, da keine dynamischen Lager vorhanden sind, auf denen sich der innere Rotor 26 dreht.
Das Gerät 10 ist in 9a bis c in progressiven Phasen des Pumpens gezeigt. 9a zeigt das Gerät 10 in einem statischen Zustand, wobei sich das Fluid 54 in Distanz zu dem Gerät 10 befindet. 9b zeigt, dass die Luft innerhalb und vor dem Gerät 10 durch den Auslass 42 ausgestoßen worden ist und das Fluid 54 in die zentrale Ansaugöffnung der Zentrifugalpumpe 14 eingetreten ist.
9c zeigt das Gerät 10 in Betrieb, wobei die Zentrifugalpumpe 14 der Moineau-Pumpe 12 einen Fluss Wasser im Überschuss bereitstellt und das Fluid 54 aus dem Auslass 42 abgelassen wird. Die Rückschlagventile 50 sind bei dieser speziellen Ausführungsform offen und die Kanäle 48 befördern überschüssiges Fluid 54 zu den Sekundärauslässen 52.
Nun unter Bezugnahme auf 10 und b ist das Profil des inneren Rotors 22 einer Einrichtung von 1:2 detaillierter gezeigt. Der innere Rotor 22, der in den Zeichnungen abgebildet ist, ist als ein Ausleger gebildet. Da der Rotor 22 lediglich diese eine Auslegerstütze aufweist, kann dann die Anzahl an Lagern, die er erfordert, um sich darauf zu drehen, auf weniger als drei verringert werden; wobei drei die herkömmliche minimale Anzahl an Lagern ist, die für diese Art von Einrichtung erforderlich ist.
Der innere Rotor 22 beinhaltet drei verschiedene Profile; ein Wellenprofil 56, ein Stützprofil 58 und ein Pumpprofil 60. Das Pumpprofil 60 wird axial maschinell in drei Dimensionen gefertigt, um eine spiralartig verlaufende Sinuskurve zu sein. Die Spirale ist in einem Rolldurchmesser von 1,5 d enthalten, wobei d der Durchmesser des inneren Rotors 22 ist, wie zuvor erörtert wurde.
Das Stützprofil 58 ist eine Fortsetzung der Sinuskurve des Pumpprofils 60, jedoch lediglich in zwei Dimensionen. Das heißt, dass das Stützprofil 58 nicht spiralartig verläuft, wie am besten in 10b zu sehen ist.
Das Wellenprofil 56 ist eine Fortsetzung des Stützprofils 58 in lediglich einer Dimension, das heißt, es ist ein Zylinder.
Nun mit Hinwendung auf 11a bis c sind Musterbeziehungen zwischen der axialen Länge des Stützprofils 58 und des Gewindegangs des inneren Rotors 22 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die Ausführungsform des inneren Rotors 22 von 1:2 einen Gewindegang aufweist, der eine Zahl mal den Durchmesser d des inneren Rotors 22 und die Länge des Stützprofils 58 ist, die sich durch dieselbe Zahl mal die Exzentrizität e ergibt. Es sollte beachtet werden, dass die Variable e zuvor als die Exzentrizität definiert worden ist, das heißt, die Versatzdistanz zwischen dem Zentrum des Rolldurchmessers des inneren Rotors 22 und dem Zentrum der Welle 24 des inneren Rotors.
Das Profil des inneren Rotors 22 ermöglicht es einem Ende, sich frei zu drehen. Somit ist lediglich ein Lager an dem Wellenprofil 56 erforderlich, wodurch das Gewicht, die Kosten und die Komplexität der Gestaltung verringert werden.
12a bis e zeigen eine alternative Einrichtung für den inneren 22 und den äußeren 20 Rotor. Bei diesem Beispiel beträgt das Verhältnis der Durchmesser des inneren und des äußeren Rotors 1:4. Das Profil der Auslegerstütze, wie oben beschrieben, ermöglicht es, dass die Durchmesser des inneren und des äußeren Rotors gleich und/oder größer oder kleiner 1:2 sind, vorausgesetzt, dass der innere Rotor 22 einen spezifischen Rolldurchmesser aufweist.
Diese spezielle Ausführungsform weist einen Gewindegang des inneren Rotors von 3 d, einen Rolldurchmesser von 2,5 d und eine Auslegerstütze von 0,75 d auf, wobei d der Durchmesser der Welle ist, wie am besten in 12e zu sehen ist. Es sollte beachtet werden, dass in Fällen, in denen der Durchmesser des äußeren Rotors über das Zweifache des Durchmessers d des inneren Rotors hinausgeht, der Betrieb bei einer verringerten Winkelgeschwindigkeit und das Erreichen derselben volumetrischen Durchflussleistung für spezifische Erfordernisse möglich ist.
13a bis d zeigen eine Vielfalt von Ansichten der gelappten Einrichtung von 1:2 mit einem Verhältnis der Durchmesser des inneren und des äußeren Rotors von 1:4.
Nun unter Bezugnahme auf 14a bis f ist eine Anzahl an alternativen Einrichtungen von Lagern, Abdichtungen und der Position des Elektromotors oder des Antriebsmotors gezeigt.
14a bis c weisen an beiden Ende des äußeren Rotors 20 Abdichtungen 62 auf, wie gezeigt ist. Es sollte beachtet werden, dass die Welle 26 des inneren Rotors unter der Verwendung eines Lagers 64 des inneren Rotors, das sich in allen Figuren bei derselben Position befindet, drehbar montiert ist. Die Position des Lagers 64 hängt von der Verwendung der Struktur der Auslegerstütze ab, wie zuvor erläutert wurde. Es sollte beachtet werden, dass der innere Rotor 22 ein freies Ende aufweist, was zur Folge hat, dass eines der dynamischen Lager unnötig ist.
Die Position des Elektromotors, der einen Ständer 16 und einen Rotor 18 beinhaltet, variiert zwischen einer im Wesentlichen zentralen Lage in 14b, zu einer Position in 14a, bei der er sich nahe dem Lager 64 des inneren Rotors befindet, zu einer Position nahe dem gegenüberliegenden Ende.
Der äußere Rotor 20 dreht sich auf einem Lager 66, das in jeder beliebigen der Positionen, die in 14a bis c gezeigt sind, platziert sein kann. Diese Diagramme zeigen die Einsatzflexibilität der Gestaltung, die durch die Verwendung des Profils der Auslegerstütze zur Verfügung steht, wie zuvor beschrieben wurde.
14e und f sind ähnliche Einrichtungen wie die, die in 14a bis c gezeigt sind, mit der Ausnahme, dass die Abdichtungen 62 nahe der Auslegerstützte und im Wesentlichen in dem Zentrum des Geräts positioniert sind.
15a und 15b zeigen ein Beispiel einer Marinevortriebseinheit, die die vorliegende Erfindung einschließt. Hier wird eine Moineau-Pumpe 12 im Verhältnis von 1:2 verwendet. Bei dieser speziellen Ausführungsform wird ein keramisches Lager 70 verwendet, um das Auslegerprofil zu stützen. Bei dieser Art von Lager wird ein Teil des Fluids von dem Auslass 72 über einen Zentralkanal 74 in dem inneren Rotor 22 zu dem Lager 70 zurückgespeist, um die Flächen des Lagers 70, die miteinander in Gleitkontakt stehen, zu schmieren. Es sollte beachtet werden, dass das keramische Lager 70 durch aerodynamische Schaufeln 76 gestützt wird und dass die Einlassöffnung 78 parabolisch ist.
Die Verwendung des keramischen Lagers 70 umgeht die Notwendigkeit, Abdichtungen zu verwenden, obwohl es wünschenswert sein kann, eine Kammer 80, in der der Elektromotor untergebracht ist, abzudichten.
Der Auslass 72 beinhaltet eine variable Flächendüse 82. Die Düse 82 ermöglicht eine bessere Steuerung der Schubkräfte, die das Gerät liefern kann.
Nun unter Bezugnahme auf 16 und 17 ist eine Propellervortriebseinrichtung 100 bzw. eine Marinevortriebsvorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Propellervorrichtung 100 weist eine Schnelligkeit nach vorne von V_c, wie durch Pfeil 112 gezeigt, und Schubkräfte mit einem Schnelligkeitskomponentenwert von V_j auf. In ähnlicher Weise weist die Marinevortriebsvorrichtung 110 eine Wasserfahrzeugschnelligkeit von V_c, wie durch Pfeil 114 gezeigt, und Schubkräfte mit einem Schnelligkeitskomponentenwert von V_j auf.
Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, weisen beide Vorrichtungen 100, 110 eine zugehörige Schnelligkeit auf, die in der entgegengesetzten Richtung wirkt, die von derselben Größenordnung wie die Wasserfahrzeugschnelligkeit V_c ist, wie durch Pfeil 116 gezeigt ist.
Jedoch produziert die Komponente von V_c, die in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung der Vorrichtungen 100, 110 wirkt, einen internen Widerstand auf die Propellervorrichtung 100. Somit ist die tatsächliche Größenordnung des Vortriebs an dem Auslass der Vorrichtung 100 proportional zu V_j minus V_c, wie durch Pfeil 118 gegeben ist.
Die Vortriebseinheit 110 der vorliegenden Erfindung weist durch die inhärente Gestaltung des Pumpsystems sehr wenig oder keinen internen Widerstand auf. Als Folge daraus wird vor der Vorrichtung 110 eine Druckfront aufgebaut und somit sind die Schubkräfte, die von der Vorrichtung 110 produziert werden, direkt proportional zu V_j, wie durch Pfeil 120 gezeigt ist.
Nun unter Bezugnahme auf 18 ist eine modifizierte Pumpe gezeigt, wobei der innere Rotor 122 aus einem hohlen Element, das auf einer statischen Welle 126 montiert ist, gebildet ist. Bei dieser Einrichtung ist ein Spiralweg 128 definiert, der eine dynamische Abdichtung zwischen der statischen Welle 126 und der sich drehenden Innenverkleidung 122A des inneren Rotors 122 bildet.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Pumpgerät bereit, das eine Moineau-Pumpe mit einem speziellen Verhältnis verwendet, um eine Zentrifugalpumpe anzutreiben. Die Moineau-Pumpe kann jede beliebige Flügelkonfiguration haben. Die Zentrifugalpumpe funktioniert als ein Typ Auflader, um der Moineau-Pumpe eine Eingabe höheren Drucks bereitzustellen, wodurch die Effizienz der Moineau-Pumpe und auch die Nutzleistung von ihr erhöht wird.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Zentrifugalpumpe eine Art Rotorpumpe ist, die wie beschrieben an die Moineau-Pumpe gekoppelt werden kann. Es können andere Arten von Rotoren mit spezifischer Geschwindigkeit verwendet werden. Die Zentrifugalpumpe wird lediglich als Beispiel verwendet und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt. Darüber hinaus kann die Zentrifugalpumpe an dem Fluidauslass der Moineau-Pumpe, im Gegensatz zu dem Fluideinlass, positioniert sein.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung eine Marinevortriebseinheit bereit, die sehr wenig oder keinen internen Widerstand aufweist, was eine höhere Schubkräfteausgabe ähnlich eingestufter herkömmlicher Vorrichtungen gekoppelt mit einer Erhöhung der Effizienz ergibt. Es sollte beachtet werden, dass es möglich ist, die vorliegende Erfindung in allen Arten von Fluid zu verwenden, und somit kann die vorliegende Erfindung zum Beispiel zum Vorwärtstreiben eines Luftfahrzeugs durch die Luft verwendet werden und sollte nicht auf Marine- oder Unterwasseranwendungen beschränkt werden.
Unter Bezugnahme auf 19 ist eine Ausführungsform eines Einzelpumpenrotors der Erfindung gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Einzelpumpenrotor 190 mit einer profilierten inneren Kammer 191 versehen, die mit einer Elastomerabdichtung 192 überzogen ist. Die Elastomerabdichtung 192 kontaktiert die Oberfläche einer statischen Welle 194 spiralartig, um eine Gleitpumpabdichtung zu definieren. Die Drehung des Pumpenrotors 190, der an einem Motorrotor 195 befestigt ist, bewirkt die notwendige Pumpwirkung.
Nun unter Bezugnahme auf 20 ist ein Vorortantrieb dargestellt, der Gestaltungsmerkmale auf der Basis des hier zuvor beschriebenen Pumpgeräts aufweist.
Herkömmliche MWD-Vorortantriebe (Vorortantriebe für die Messwerterfassung während des Bohrvorgangs) sind auf Grund ihrer Konstruktion in der Geschwindigkeit beschränkt. Eine herkömmliche Gestaltung von MWD-Vorortantrieben hat auf Grund der natürlichen Exzentrizität zwischen dem Ständer und dem Rotor eine Schwingung zur Folge, die die Drehgeschwindigkeit und den Bohrfortschritt beschränkt. Des Weiteren platziert die herkömmliche Gestaltung die MWD-Messgeräteausrüstung von dem Bohrmeißel entfernt und beeinflusst die Genauigkeit der Messungen, die vorgenommen werden.
Wie in 20 gezeigt ist, beinhaltet ein MWD-Vorortantrieb 200 einen inneren Rotor 201, der zur Drehung innerhalb einer Anordnung des äußeren Rotors montiert ist, wobei sich die Anordnung des inneren Rotors und des äußeren Rotors innerhalb eines externen Gehäuses 210, das aus Bohrrohren errichtet ist, befindet. Die Anordnung des äußeren Rotors dreht sich innerhalb des äußeren Gehäuses auf Lagern 208.
Die Anordnung des äußeren Rotors beinhaltet einen ersten äußeren Rotor 203, der innerhalb des inneren Rotors 201 auf die dieselbe Art und Weise, wie es hier zuvor in Bezug auf das Pumpgerät beschrieben wurde, zusammenspielt.
Die Anordnung des äußeren Rotors beinhaltet des Weiteren einen zweiten äußeren Rotor 205, der mechanisch an den ersten äußeren Rotor 203 gekoppelt ist und einen Bohrmeißel 206 trägt.
Der innere Rotor 201 ist zur Drehung auf einem exzentrisch montierten statischen inneren Lager 220 montiert. Das innere Lager 220 ist in der Form einer auslegermontierten Welle, die in der Form eines „Stegs", der innerhalb des externen Gehäuses 210 montiert ist, an einer Stützeinrichtung 222 fixiert ist. Das Stützlager 220 kann innerhalb eines geeigneten Zapfens, der mittels eines Fixierstifts 223 auf dem Steg montiert ist, gehalten werden.
Das externe Gehäuse 210 ist mit Musterfenstern 230 versehen, durch die die erforderlichen Informationen an Akustik-Daten-Telemetrie-Wandler 240 (ADT-Wandler) übermittelt werden, die auf der äußeren Oberfläche des zweiten äußeren Rotors 205 getragen werden.
Die ADT-Wandler sind somit eingerichtet, um sich an den Fenstern 230 vorbeizudrehen, und wenn sie dies tun, sammeln sie die erforderlichen Informationen aus dem Teil des Lochs, das in diesem Moment bei einer speziellen Tiefe gebohrt wird. Diese Informationen werden in akustische Signale transformiert, die über den Stahl der Bohrrohre an einen Empfänger auf der Ausgangsinstallation vermittelt werden, der sie interpretiert.
In Betrieb wird Schlamm von der Ausgangsinstallation in einen Schlammeintritt 250 des Motors 200 gepumpt, wodurch verursacht wird, dass sich der innere und der äußere Rotor drehen, wonach der Schlamm durch einen Schlammausgang, der auf dem äußeren Rotor 205 gebildet ist, austritt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform weist der innere Rotor 201 einen einzelnen Flügel auf und der äußere Rotor 203 weist zwei Flügel auf, was zur Folge hat, dass sich der innere Rotor 201 mit der zweifachen Geschwindigkeit des äußeren Rotors 203 dreht.
Wenn sich der Motor dreht, sperrt das Schlammaustrittsloch 260 ein Mal bei jeder Umdrehung des äußeren Rotors 205 den Schlammfluss ab. Dies verursacht, dass sich ein Momentdruckimpuls den Schlamm nach oben zu der Ausgangsinstallation zurückbewegt, wo er erkannt wird. Die Anzahl dieser Impulse, die pro Minute empfangen werden, spiegelt die Umdrehungen des äußeren Rotors 205 pro Minute und die Hälfte der Umdrehungen des inneren Rotors 201 pro Minute wider. In der gegenwärtigen Zeichnung ist der äußere Rotor, welcher den Bohrmeißel trägt, mit der Geschwindigkeit des äußeren Rotors 205 synchron.
Während die Anordnung des äußeren Rotors als aus einem ersten äußeren Rotor 203 und einem zweiten äußeren Rotor 205 gebildet beschrieben ist, können diese Bestandteile integral gebildet sein. Zudem erlaubt die Gestaltung, dass sich zusätzliche Messgeräteausrüstung in dem statischen Stützlager 220 befindet.
Der beschriebene Vorortantrieb stellt den Vorteil einer verringerten Motorschwingung bereit, wobei erhöhte Drehgeschwindigkeiten und ein verbessertes Fortschreiten sowie eine erhöhte Messgeräteausrüstungsgenauigkeit durch erweitertes Positionieren der MWD-Messgeräteausrüstung näher an dem Bohrmeißel erlaubt werden.

Claims

Eine Moineau-Pumpe, die ein äußeres Gehäuse, einen äußeren Rotor (20), der zur Drehung innerhalb des äußeren Gehäuses montiert ist, einen inneren Rotor (22), der zur Drehung innerhalb des äußeren Rotors (20) montiert ist, beinhaltet, wobei der innere und der äußere Rotor (20, 22) von einer Moineau-Konstruktion sind, wodurch das Flügelverhältnis des inneren und des äußeren Rotors n:n + 1 beträgt, wobei n jede beliebige ganze Zahl ist; dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rotor (22) einen Rolldurchmesser von eineinhalbmal des Durchmessers des inneren Rotors aufweist.
Pumpe gemäß Anspruch 1, wobei das Flügelverhältnis 1:2 beträgt.
Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der innere Rotor (22) auf einer statischen zentralen Welle (27) montiert ist, die als ein Lager wirkt.
Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der innere Rotor (22) auf einer integralen Welle (26) montiert ist, die sich auf mindestens einem Lager dreht.
Pumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der innere Rotor einen Ausleger definiert.
Pumpe gemäß Anspruch 5, wobei der Ausleger ein Pumpprofil (60), ein Stützprofil (58) und ein Wellenprofil (56) beinhaltet.
Pumpe gemäß Anspruch 6, wobei das Pumpprofil (60) eine axiale dreidimensionale Sinuskurve ist, die einen Rolldurchmesser aufweist, der eineinhalbmal der Durchmesser des inneren Rotors ist.
Pumpe gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Stützprofil (58) eine Fortsetzung des Pumpprofils (60) ist, das sich axial in einer zweidimensionalen Sinuskurve erstreckt.
Pumpe gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Wellenprofil (56) eine Fortsetzung des Stützprofils (58) axial in lediglich einer Dimension ist.
Pumpe gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Wellenprofil (56) ein Zylinder ist.
Pumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Fluidpumpe (14) an die Moineau-Pumpe an oder nahe einem Fluideinlass der Moineau-Pumpe gekoppelt ist.
Pumpe gemäß einem der Anprüche 1 bis 10, wobei eine Fluidpumpe (14) an oder nahe einem Fluidauslass der Moineau-Pumpe montiert ist.
Pumpe gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Fluidpumpe eine Zentrifugalpumpe beinhaltet.
Pumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die des Weiteren einen Antriebsmotor zum Bereitstellen von Drehbewegung des äußeren Rotors (20) beinhaltet.
Pumpe gemäß Anspruch 14, wobei der Antriebsmotor ein Elektromotor, ein Hydraulikmotor, ein Druckluftmotor oder ein Verbrennungsmotor ist.