DE69920086T2

DE69920086T2 - Kompakte dichtungslose Schraubenspindelpumpe

Info

Publication number: DE69920086T2
Application number: DE69920086T
Authority: DE
Inventors: Donald P. New Hope Sloteman
Original assignee: Flowserve Management Co
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-18
Also published as: US6241486B1; EP0943804A1; EP0943804B1; CA2265358C; CA2265358A1; DE69920086D1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Schraubenspindelpumpen und betrifft genauer gesagt dichtungslose Schraubenspindelpumpen für ein mehrphasiges unterseeisches Pumpen von vor der Küste befindlichen Ölbohrlöchern, zur Oberflächen-Plattformmontage auf solchen Bohrlöchern und zum Pumpen von einphasigen viskosen Fluiden unter hohem Druck.
Schraubenspindelpumpen bestehen normalerweise aus zwei oder mehr gegenläufigen parallelen Schraubenspindeln bzw. Schnecken mit miteinander kämmenden Flügeln, die sich innerhalb einer Pumpenkammer drehen, um zwischen ihren Flügeln eine Anzahl von sich axial bewegenden abgedichteten Taschen zu erzeugen. Diese Taschen transportieren ein Produkt von dem Sauganschluss zu dem Austraganschluss der Pumpe. Eine Abdichtung des Austragsdrucks gegen den Saugdruck wird durch das Ausmaß des radialen Spiels zwischen den Schraubspindeln und der zugehörigen Bohrung und auch einfach dadurch erzielt, dass die miteinander kämmenden Flügel geschlossen werden. Ihr mechanisch einfacher Aufbau, ihre Zuverlässigkeit und ihr kompakter Aufbau sind für Nutzer von erheblichem Wert. Mehrphasige Fluide, wie beispielsweise Gemische aus Gas und Erdöl, werden von den Dreh-Schraubenspindelpumpen ohne weiteres aufgenommen.
Typischerweise sind Schraubenspindelpumpen mit einem Satz von Synchronisationszahnrädern zum Übertragen eines Drehmoments von einem einzelnen Antriebsmotor auf beide Schraubenspindeln ausgestattet. Eine Schraubenspindel weist eine ausgedehnte Welle auf, die mit dem Antriebsmotor gekoppelt ist, sodass ein Drehmoment von dem Antriebsmotor über die Welle auf einen Satz von Synchronisationszahnrädern übertragen wird, um beide Schraubenspindeln synchron anzutreiben. Die Synchronisationszahnräder dienen dazu, eine möglicherweise Beschädigungen hervorrufende Berührung zwischen den Schraubenspindeln zu vermeiden; für eine geeignete Schmierung zur Vermeidung einer Beschädigung der Synchronisationszahnräder benötigen diese jedoch ihrerseits ein Öl- bzw. Schmierungssystem. Eine Wellen-Dichtungsanordnung ist ebenfalls erforderlich, um das Eintreten des Arbeitsfluids in das Schmieröl und den Verlust von Schmieröl zu verhindern. Die Antriebsmotoren sind für gewöhnlich Induktionsmotoren, die für unterseeische Anwendungen abgedichtet sind und für überseeische Anwendungen explosionssicher sind.
Diese Art von Aufbau kann man in US-A-4 405 286 erkennen, welche die Merkmale gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 offenbart.
Im unterseeischen Einsatz wird der abgedichtete Motor typischerweise mit Meerwasser gekühlt, was es notwendig macht, dass sowohl der Motor als auch die Kupplung zu der ausgedehnten Schraubenspindelwelle gegen das gepumpte Produkt und auch gegen das umgebende Meerwasser abgedichtet sind. Alternativ kann das Öl- bzw. Schmierungssystem der Synchronisationszahnräder über die Grenzfläche Rotor/Stator des Motors für eine Kühlung des Motors sorgen. Die Verwendung von Wellendichtungen, Öl- bzw. Schmierungssystemen, Synchronisationszahnrädern und mechanischen Kupplungen führt jedoch zu einer erheblichen mechanischen Komplexität, was die Zuverlässigkeit und die Kosten nachteilig beeinflusst. Außerdem ist jegliche Reparatur einer auf dem Meeresgrund befindlichen Pumpe im Hinblick auf die Standzeit und die Kosten für eine speziell ausgelegte Bergungs- und Reparaturausrüstung sehr kostspielig.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schraubenspindelpumpe zum Pumpen von verunreinigten mehrphasigen Fluiden von unterseeischen Ölbohrlöchern bereitgestellt, mit einem Pumpengehäuse, das einen Fluideinlass, eine Pumpkammer, einen Fluidauslass und zumindest zwei ineinander greifende bzw. miteinander kämmende, parallele Schraubenspindelelemente mit gegenläufigem Schraubengang umfasst, die drehbeweglich innerhalb der Pumpkammer angeordnet sind und für eine Fluidverbindung mit dem Fluideinlass und dem Fluidauslass in Verbindung stehen; einem elektrischen Antriebs-Synchronmotor, der an jedem Schraubenspindelelement angebracht ist, und einer elektronischen Steuereinrichtung, um Drehstellungen der Motoren zu detektieren, um die Drehbewegung der Schraubenspindelelemente zu synchronisieren; gekennzeichnet durch Lager, um die Schraubenspindelelemente in der Pumpkammer drehbeweglich zu lagern, wobei die Lager von einem gepumpten bzw. geförderten Produkt geschmiert werden.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und zur Darlegung, in welcher Weise diese realisiert werden kann, wird nun in beispielhafter Weise Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, worin:
1 ein schematischer Längsteilschnitt in Draufsicht einer herkömmlichen Schraubenspindelpumpe ist;
2 ein schematischer Längsteilschnitt in Draufsicht der erfindungsgemäßen Schraubenspindelpumpe ist; und
3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Pumpe ist, der in dem in der 2 als III bezeichneten Bereich enthalten ist.
Dichtungslose Pumpen sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt. US-A-4 045 026, US-A-5 269 664 und US-A-5 297 940 offenbaren jeweils Merkmale von dichtungslosen magnetisch gekoppelten Pumpen. Die entsprechende US-Patentanmeldung S/N 08/037,082 von Sloteman, et al., trägt ebenfalls zu dem Stand der Technik von dichtungslosen magnetisch gekoppelten Pumpen bei.
Die 1 zeigt eine herkömmliche Schraubenspindelpumpe, die aus einem Schraubenspindel-Pumpenkörper 10 und einem abgedichteten Motor 20 besteht, die über eine abgedichtete Wellenkupplung 40 miteinander gekoppelt sind.
Der Pumpenkörper weist eine Einlasskammer 12 und eine Auslasskammer 13 auf, die über eine Pumpkammer mit zwei parallel angeordneten, miteinander kämmenden Schraubenspindeln 25 mit gegenläufigem Schraubengang zum Transport eines Fluid-Produkts von dem Einlass 12 zu der Austragskammer 13 zum Austragen durch den Auslass 14 des Pumpenkörpers miteinander verbunden sind. Die Schraubenspindeln 25 sind an abgedichteten und für gewöhnlich mit Öl geschmierten Lagern 16 abgestützt.
Eine Schraubenspindel 25 weist eine ausgedehnte bzw. längliche Welle 27 auf, um den Antriebsmotor 20 über die abgedichtete Wellenkupplung 40 zu verbinden. Beide Schraubenspindeln weisen Wellen 26 mit ineinander greifenden bzw. miteinander kämmenden Synchronisationszahnrädern 30 auf, um die Synchronisation der Drehbewegung der Schraubenspindel 25 aktiv zu steuern, um einen Beschädigungen hervorrufenden Kontakt zwischen diesen zu verhindern. Die Synchronisationszahnräder 30 sind in einem abgedichteten Getriebegehäuse 35 aufgenommen, das an dem Ende des Pumpenkörpers 10 befestigt ist. Eine Dichtung 15 zwischen dem Pumpenkörper 10 und der Welle 26 für jede Schraubenspindel 25 schließt das Arbeitsfluid aus dem Gehäuse 35 aus und hält das das Getriebe schmierende Öl innerhalb des Gehäuses zurück. Ein Verlängerungsgehäuse 45 nimmt die Kupplung 40 zum Übertragen der Antriebskraft von dem Motor 20 auf die Pumpe 10 auf. Der Antriebsmotor 20 weist eine abgedichtete Hülle 22 auf, welche die Motorelemente von der Umgebung trennt, um für eine Explosionssicherheit und für einen Wasserschutz für die elektrischen Komponenten des Motors zu sorgen.
Eine Kühlung erfordert für gewöhnlich einen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Meerwasser, das für gewöhnlich letztendlich als Wärmesenke dient. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass auf einem Motorgehäuse 22 oder auf sämtlichen Motorgehäusen 22, dem Getriebegehäuse 35, dem Verlängerungsgehäuse 45 und dem Pumpengehäuse 10 Kühlrippen vorgesehen sind. Dies kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass Öl durch den Motor 20 gepumpt wird, um den Motor zu kühlen, und dann durch einen mit Meerwasser gekühlten Wärmetauscher (nicht gezeigt) gepumpt wird, um das Öl zu kühlen. Natürlich werden die Anforderungen an die Kühlung von der Temperatur des geförderten Produkts, der Temperatur des Meerwassers und der durch den Betrieb des Motors und der Pumpe erzeugten Wärme abhängen.
Die 2 zeigt die erfindungsgemäße dichtungslose Pumpe mit zwei Schraubenspindeln. Diese weist ein Pumpgehäuse 100 mit einer Fluid-Einlasskammer 112, einer Fluid-Austragkammer 113 und einem Fluidauslass 114 auf. Die miteinander kämmenden Schraubenspindeln 125 mit gegenläufigem Schraubengang mit den erstreckten bzw. länglichen Wellen 126 sind in die Pumpenkammer zwischen der Fluid-Einlasskammer 112 und der Fluid-Austragkammer 113 mithilfe von Lagern 116 montiert, die abgedichtet und mit Öl geschmiert sein können, die jedoch vorzugsweise von dem geförderten Produkt geschmiert werden. Jede Schraubenspindel 125 wird von einem einzelnen elektrischen Synchronmotor 120 angetrieben, der in einem Motorgehäuse 122 untergebracht ist. Vorzugsweise werden bürstenlose Gleichstrom-Permanentmagnetmotoren eingesetzt, weil diese ein größeres Drehmoment für eine vorgegebene körperliche Größe bereitstellen können und weil diese für hervorragende Positionsrückkopplungs-Markierungen in den Magneten, die auf den Rotor montiert sind, sorgen können. Beliebige geeignet angetriebene elektrische Synchronmotoren werden ausreichen, sofern diese geeignet abgedichtet und gekühlt sind. Die Motoren werden durch Detektieren von Drehstellungen anhand einer Information auf den Motorphasen-Zuleitungen elektronisch synchronisiert, die von der gegenelektromotorischen Kraft herrührt, die von dem Motor erzeugt wird, wobei diese Information dazu verwendet wird, um die Wechselrichter-Kommutierung zu dem Stator des Motors zu steuern. Alternativ können Sensoren, die auf den Stator oder in der Nähe des Stators in jedem Motor 120 eingebaut sind, die Drehstellung durch Detektieren der Rotor-Magneten überwachen und so für eine präzise Positionsinformation sorgen, die dazu benötigt wird, um die Schraubenspindeln 125 zu synchronisieren. Eine solche elektronische Motorsteuerung wird in großem Umfang in Systemen eingesetzt, die eine präzise Bewegungssteuerung erfordern, beispielsweise in Robotersystemen.
Weil viele Schraubenspindelpumpen zum Pumpen von kohlenwasserstoffhaltigen Fluiden aus unterseeischen Bohrlöchern eingesetzt werden, stößt man häufig auf ein mehrphasiges Fluid (ein Fluid, das miteinander vermischte gasförmige und flüssige Phasen umfasst). Gelegentlich werden die Phasen innerhalb des Bohrlochs miteinander vermischt und gelegentlich bildet sich die gasförmige Phase aufgrund einer Kavitation von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit an dem Einlass zu der Pumpenkammer aus. Bei hohen Gasanteilen kann der Wirkungsgrad des Pumpvorgangs dadurch erhöht werden, dass eine Ausführungsform einer Pumpe bereitgestellt wird, bei der die Schraubengänge an einem Zwischenbereich in der Pumpenkammer kleiner sind (dies ist nicht dargestellt, jedoch wohl bekannt). Dies hat die Wirkung, dass das Fluid zu dem Zwischenbereich mit einem Volumenstrom bereitgestellt wird, der größer ist als derjenige, bei dem dieses über diese Stelle hinaus gefördert bzw. gepumpt wird. Jegliches vorhandene Gas wird komprimiert und gelangt durch die Kammer; um jedoch das so genannte Rückschlagen von Flüssigkeit (liquid lock-up) und jegliche mögliche Beschädigung der Pumpe zu vermeiden, wenn kein Gas vorhanden ist, ist ein Lüftungsdurchlass an dem Zwischenbereich durch die Wand der Pumpenkammer hindurch zu der Fluid-Einlasskammer 112 vorgesehen. Eine einstellbare Druck-Steuereinrichtung in dem Lüftungsdurchlass steuert den minimalen Druck, bei dem ein Lüftungsvorgang auftreten wird, und steuert somit den maximalen Druck, der auf die Wände der Pumpenkammer einwirkt.
Falls der Durchmesser der Schraubenspindeln 125 relativ zu demjenigen der Motoren groß genug ist, können die beiden Motoren 120 auf derselben Seite des Pumpengehäuses 100 der Vorrichtung montiert sein. Falls die Schraubenspindeldurchmesser zu klein sind, können die Motoren 120 an entgegengesetzten Enden des Pumpengehäuses 100 angebracht sein. In jedem Fall kann der Motor durch Umleiten eines geförderten Produkts von der Pumpen-Austragkammer 113 zu dem Motorgehäuse 122 gekühlt werden. Dieses durchläuft dann die Durchlässe innerhalb des Motorgehäuses 122, zwischen dem in einem Gehäuse befindlichen Rotor und einer Innenseite des Stators und kehrt dann durch ein Rohr 121 zu der Einlasskammer 112 zurück. Das geförderte Produkt kann einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) durchlaufen, um durch Meerwasser gekühlt zu werden, bevor dieses in das Motorgehäuse 122 eintritt. Während Zeiträumen, wenn große Mengen an Gas gepumpt werden, wird die Ableitung der Motorwärme dadurch bewerkstelligt, dass das Meerwasser über das Motorgehäuse geleitet wird. Eine primäre Kühlung kann auch dadurch erzielt werden, dass Meerwasser über eine Außenoberfläche des Statorgehäuses innerhalb des Motorgehäuses geleitet wird. In keinem Fall kann das geförderte Produkt oder das Meerwasser in Berührung mit inneren Motorbauteilen gelangen.
Durch Verwendung von Lagern 116, die durch das Produkt geschmiert werden und die aus einem Material bestehen, das verträglich mit dem geförderten Produkt ist und hart genug ist, um einer Abnutzung aufgrund von eingeschlossenen Partikeln zu widerstehen, wird die Notwendigkeit einer Schmierung mit Öl oder Schmiermittel eliminiert. Das Lagermaterial muss in der Lage sein, über ausgedehnte Zeiträume für den Fall, dass große Volumina an gefördertem bzw. gepumptem Gas auftreten, beinahe unter Trockenbedingungen zu laufen. Weil der Rotor und der Stator in einem Gehäuse angeordnet sind, können diese dem geförderten Produkt vollständig ausgesetzt werden, sodass keine Dichtungen benötigt werden. Der Rotor des Motors kann auch unmittelbar auf die Schraubenspindelwelle 126 montiert werden, ohne dass eine Kupplung notwendig ist.
Die Eliminierung der Synchronisationszahnräder und ihres zugeordneten Schmierungssystems alleine repräsentiert eine erhebliche Vereinfachung und einen erheblichen Kosten- und Zuverlässigkeitsvorteil für solche Pumpen. Die Verwendung von Lagern, die durch das Produkt geschmiert werden, und die Eliminierung von Wellendichtungen durch Einschließen der Rotoren und Statoren sorgt ebenfalls für eine Reihe von möglichen Alternativen zur Motorkühlung. Die auf einer Welle montierten Motoren eliminieren die Notwendigkeit von Wellen-Kupplungen. Die Verwendung von bürstenlosen Gleichstrom-Permanentmagnetmotoren ermöglicht die Verwendung von Motoren einer kleineren Größe für ein vorgegebenes Pump- bzw. Fördervermögen und erleichtert das Einschließen der Rotoren und Statoren.

Claims

Schraubenspindelpumpe zum Pumpen von verunreinigten mehrphasigen Fluiden von unterseeischen Ölbohrlöchern, mit einem Pumpengehäuse (100), das einen Fluideinlass (112), eine Pumpkammer, einen Fluidauslass (113) und zumindest zwei ineinander greifende bzw. miteinander kämmende, parallele Schraubenspindelelemente (125) mit gegenläufigem Schraubengang aufweist, die drehbeweglich innerhalb der Pumpkammer angeordnet sind und für eine Fluidverbindung mit dem Fluideinlass und dem Fluidauslass in Verbindung stehen; einem elektrischen Antriebs-Synchronmotor (120), der an jedem Schraubenspindelelement angebracht ist, und einer elektronischen Steuereinrichtung, um Drehstellungen der Motoren (120) zu detektieren, um die Drehung der Schraubenspindelelemente (125) zu synchronisieren; gekennzeichnet durch Lager (116), um die Schraubenspindelelemente (125) in der Pumpkammer drehbeweglich zu lagern, wobei die Lager durch ein gepumptes bzw. gefördertes Produkt geschmiert werden.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 1, bei der die elektrischen Antriebs-Synchronmotoren (120) bürstenlose Permanentmagnet-Gleichstrommotoren sind.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, bei der jeder Antriebsmotor (120) dichtungslos ist und einen eingehülsten Rotor aufweist, der in ein gepumptes bzw. gefördertes Produkt eintaucht.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 3, bei der der Stator jedes Antriebsmotors ebenfalls eingehülst ist und dem gepumpten bzw. geförderten Produkt ausgesetzt ist.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 4, bei der eine Außenoberfläche des eingehülsten Stators so angeordnet bzw. ausgelegt ist, um gekühlt zu werden, wenn diese dem Meereswasser ausgesetzt ist.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung, um einen Teil des gepumpten bzw. geförderten Produkts von dem Fluidauslass (113) durch den Motor (120) umzuleiten und so zu dem Fluideinlass (112) umzuleiten, um anfallende Wärme des Motors abzuführen.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 6, bei der die Einrichtung zum Umleiten eines Teils des gepumpten bzw. geförderten Produkts einen Wärmetauscher umfasst, um Wärme von dem gepumpten bzw. geförderten Produkt zu dem umgebenden Wasser abzuführen bzw. zurückzuweisen.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine abnehmende Schraubensteigung der Schraubenspindelelemente (125) zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass vorliegt, wobei ein Lüftungsdurchlass von der Pumpkammer zu dem Fluideinlass (112) angrenzend an den Bereich abnehmender Schraubensteigung vorgesehen ist, um einen Flüssigkeitsstau zu vermeiden, und bei der eine Drucksteuereinrichtung in dem Lüftungsdurchlass zum Einstellen eines minimalen Druckes vorgesehen ist, bei dem ein Lüftungsvorgang auftreten kann.