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Membrankolbenpumpe insbesondere zur Förderung von Flüssigkeiten aus
großen Tiefen Die Erfindung betrifft eine Membrankolbenpumpe mit einer am Umfang
eingespannten Membran, auf deren einer Seite der Arbeitsraum mit Druck- und Saugventil
angeordnet ist und deren andere Seite lose auf einem Kolbenstempel aufliegt. Der
Erfindungsgegenstand ist vor allem zur Förderung von Erdöl geeignet, ohne daß die
Erfindung auf diesen Verwendungszweck beschränkt ist.
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Das Konstruktionsprinzip einer Pumpe ist entscheidend von dem chemischen
und physikalischen Verhalten, von der Förderhöhe und anderen Faktoren des Fördergutes
abhängig. Sehr viele Varianten in dieser Beziehung und damit Anforderungen an die
Konstruktion der Pumpe treten dann auf, wenn es sich um die Förderung von Erdöl
handelt. Erdöl kann chemisch und physikalisch gesehen sehr große Unterschiede aufweisen
und zwingt häufig, .die Konstruktion eiirrer Pumpe speziell auf die örtlichen Verhältnisse
des Ölfeldes abzustimmen.
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Die Membran einer derartigen Membrankolbenpumpe wird nur in einem
kleinen Bereich um den Stempelumfang herum auf Dehnung beansprucht. Bei den hohen
Drücken nimmt die übrige Membranfläche nicht an der Dehnung. teil, da diese durch
den Druck auf die Unterlage angepreßt wird und sich praktisch nicht bewegen kann.
Demzufolge ist dafür zu sorgen, daß diese hochbeanspruchte Zone
der
Membran nicht durch zu großen Hub überdehnt wird. Will man also eine große Lebensdauer
erreichen, ist dafür Sorge zu tragen, daß die Dehnung weit unter der zulässigen
elastischen Grenze des Materials bleibt, oder dadurch, daß die Dehnungszone verbreitert
wird..
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Bei- bekannten Ausführungen ist man daher davon abgegangen, die Membran
so anzuordnen, daß sie lose auf dem Kolbenstempel aufliegt. Bei einer bekannten
Ausführung ist zwischen der Membran und dem Kolbenstempel eine von Öffnungen durchbrochene
Zwischenwand des Zylinders ange= ordnet, die auf ihrer der Membran zugewandten Seite
konkav ausgebildet ist und zusammen mit der äußeren Zylinderkappe, deren der Membran
zugekehrte Seite ebenfalls konkav ausgeführt ist, einen Raum von im wesentlichen
elliptischem Querschnitt bildet. In den Endlagen des Hubes legt sich die Membran
an die Seitenwände an, so daß infolge des kontinuierlichen Verlaufes der die Endlagen
der Membran bestimmenden Flächen zu der Einspannstelle keine starke Beanspruchung
der Randzone auftritt. Um diesen kontinuierlichen tTbergang sicherzustellen,. muß
jedoch der die Membran enthaltende Raum einen gegenüber dem Kolbendurchmesser wesentlich
höheren Querschnitt aufweisen. Die Membran wird bei dieser Ausführung über eine
Flüssigkeitssäule zwischen dem Kolbenstempel und der Membran angetrieben, wobei
besondere Vorkehrungen erforderlich sind, um stets die erforderliche Füllung des
Raumes zwischen dem Kolbenstempel und der Membran sicherzustellen.
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Diese bekannte Ausführung erfordert einen grundsätzlich anderen und
größere Abmessunigen aufweisenden Aufbau der Pumpe und iut darüber hilnaus weiteren,
sich aus den, zusätzlichen. Anordnungen ergebenden. unterworfen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einer Membrankolbenpumpe,
deren Membran mit einer Seite lose auf einem Kolbenstempel aufliegt, die verstärkte
Beanspruchung der Membran in der Nähe ihres eingespannten Umfanges zu vermindern,
ohne zu diesem Zweck besondere, den Aufbau der Pumpe vergrößernde und das Gewicht
der Pumpe erhöhende Vorkehrungen zu treffen. Trotzdem soll ,sich die Pumpe für hohe
Förderdrücke und insbesondere zur Förderung von Erdöl eignen. Erfindungsgemäß bildet
der Kolbenstempel der Pumpe mit einer zusätzlich zu seiner mit der Membran zusammenarbeitenden
Stirnfläche vorgesehenen Ringfläche und einer zu dieser entsprechend angeordneten
Ringfläche im Führungszylinder des hinteren Kolbenstempel:abschnitts zugleich den
Arbeitsraum einer Hilfspumpe, die Flüssigkeit unter Druck zwischen die Stirnfläche
des Kolbenstempels und die Membran fördert.
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Durch die Ausbildung des Kolbens als Hilfspumpe wird Öl aus dem Getrieberaum
unter die Membran gepumpt,. so dä,ß die Membran im Augenblick der höchsten. Beanspruchung,
nämlich während des Druckhubes, auf einem Ölfilm liegt und wesentlich geschont und
entlastet wird. In einer besonderen Ausführungsform ist der vordere Kolbenstempelabschnitt
von einem aus elastischem Material, insbesondere aus Kunststoff bestehenden, im
Pumpengehäuse fest angeordneten Ring umschlossen, daanit die der Membran zugekehrte
Fläche in an sich bekannter Weise in der gleichen Ebene liegt wie die Stirnfläche
des Kolbenstempels in dessen Lage bei beendetem Saughub.
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Im Augenblick des Druckhubes preßt sich der elastische Abstützring
an den Kolben und verhindert so, daß das Öl zwischen Membran und Kolben wieder weggedrückt
wird. Daher isst die Beibehaltung des Ölfilms auch bei höchsten Beanspruchungen
gewährleistet.
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Weitere Verbesserungen und zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
sind an Hand der Zeichnungen erläutert, in denen einige Ausführungsformen der Erfindung
schematisch dargestellt sind. Es zeigt Fig. i die Formänderung der Membran in Abhängigkeit
vom Hube des Kolhen,s oder Stempels, Fig. a einen Längsschnitt in schematischer
Darstellung durch eine Ausiführungs,form der Erfindung mit zwei Membranen, Fig.
3 einen Längsschnitt durch eine elektrisch angetriebene Erdölförderpumpe zur Darstellung
des grundsätzlichen Aufbaues des Erfindungsgegenstandes.
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Der grundsätzliche Aufbau einer derartig-,n Pumpe sei zuerst an Hand
der Fig. 3 erläutert. An dem unteren Ende eines Förderrohres, i, das in@ das Bohrloch
hineinhängt und 2ooo m und darüber läng sein kann, ist die Pumpe befestigt. Die
Antriebsmaschine besteht aus einem Elektromotor 2, der in einem Gehäuserohr 3 angeordnet
ist und über ein Zwischenstück 4, eine Gehäusemuffe 5 und ein Zwischenstück 6 mit
dem unteren Ende des Förderrohres, i verbunden ist. Die Kabelleitung für die Zu-
und Abführung des elektrischen Stromes ist nicht besonders dargestellt. Nach unten
zu ist das Rohr 3 durch eine Deckelkonstruktion 7 abgeschlossen, die gleichzeitig
ein Lager für die Ankerwelle des Motors .2 aufnimmt. Nach oben zu tritt die Ankerwelleß
über ein in dem Zwischenstück 4 ziorgds,ehenes Lager 26 in einten Getrieberaum 9,
der sich im wesentlichen im Inneren .der Gehäusebuchse 5 befindet. Die Ankerwelle
8 treibt über ein Kegelradpaar io, i i eine Querwelle 12 an, die in Lagern 13, 14
der Gehäusemuffe 5 drehbar gelagert ist. Auf dieser Welle 12 ist ein Exzenter 15
vorgesehen. Seine Exzenterachse ist mit 16 bezeichnet, während die Achse der Welle
12 das Bezugszeichen 17 trägt.
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Auf der Exzenterwelle 15 ist ein Pumpenstempel 18 befestigt, der sich
von unten her lose gegen eine Membran i9 legt, die zwischen dem unteren Ende des
Förderrohres i und einem Kegeleinsatz.2o eingespannt ist. Eine Stahlbuchse:2i sorgt
für die Führung des Stempels 18. Der E-Motor läuft vollkommen in Öl, und im Getrieberaum
liegt der Ölspiegel etwa bei der Linie 27.
Mit 22 sind das Saugventil
und mit 23 das Druckventil bezeichnet. Ihre Ausbildung ist, da für die Beschreibung
der Erfindung nicht von Bedeutung, nicht näher dargestellt. Eine Feder 24. drückt
über einen Federteller 25 die Membran ig in die. gezeigte Rückzugstellung. Im wesentlichen
wird aber bei einer Erdöfpumpe die Membran durch den über dem Saugventil 22 lastenden
Druck des Erdöls in seine Rückzugstellumgg zurückbewegt. Von wesentlicher Bedeutung
ist hierbei, daß der Füllungsgrad der Pumpe und damit ihre Fördermenge entscheidend
von der Höhe der Erdölgsäule abhängt, die über dar Pumpe lastet. Je geringer dieser
statische Druck ist, um so geringer sind - da es sich um eine schnell laufende Pumpe
handelt - auch' die bei jedem Saughub zufließende Flüssigkeitsmenge und damit die
Fördermenge der Pumpe.
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Wie deutlich aus Fig. i zu ersehen ist, ist der höchstzulässige Hub
des Kolbens von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer der Pumpe, da die Breite
der Dehnungszone praktisch unabhängig vom Durchmesser des Kolbens ist.
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In Fig. i sind drei verschiedene Membranen iga, 19b und ig, schematisch
dargestellt, die mit Hilfe von Stempeln bewegt werden, die bei 18a, 18b und 18,
angedeutet sind. Der Beginn der Einspannstelle dieser Membran; ist mit iä, ib und
i, bezeichnet. Die sich hierbei ergebenden Dehnungszonen sind in der Fig. i dargestellt
und mit da, db und d, bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß die Dehnungszonen
im wesentlichen gleich breit sind und daß sich also die Dehnung des Materials proportional
mit dem Hub vergrößert. Deshalb soll in der Praxis bei Verwendung von Kunststoffmembranen
von i bis 3 mm Stärke und einem Krümmungsradius der Stempelkante des Kolbens von
3 mm ein Hub von 2 mm möglichst nicht überschritten werden, wenn Förderhöhen über
5oo m erreicht werden sollen. Bei einer festgelegten erforderlichen Fördermengenleistung
muß der Stempeldurchmesser, wenn die Tourenzahl des Antriebes konstant und mit etwa
iooo bis i5oo bis etwa 3ooo Unidrehungen je Minute festgelegt ist, mit Rücksicht
auf den kleinen Hub entsprechend vergrößert werden. Das ändert den Wirkungsgrad
der Pumpe nicht, ergibt aber eine zusätzliche Lagerdruckerhöhung, die durch besondere
Konstruktionsmaßnahmen berücksichtigt werden muß.
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Infolge der hohen Drehzahlen der Pumpe erfolgt der Druckanstieg im
Membranraum sehr spontan. Die Trägheit des Auslaßventils sowie die Massenträgheit
der überstehenden Ölsäule im Steigrohr führen dazu, daß der Druck zunächst höher
ansteigt, als es dem Gegendruck des Auslaßventils und der auf diesem lastenden Ölsäule
entsprechen würde. Das bedeutet eine zusätzliche Belastung der Membran und der Lager.
Durch einen den Stempel umfassenden elastischen Kunststoffring werden diese Druckspitzen
aufgefangen und unschädlich gemacht. Dieser Ring muß mit gewissem Untermaß im Durchmesser
in den Membranteller eingelassen werden und soll diesen um einige zehntel Millimeter
überragen. Beim Druckhub fängt dieser Ring die Druckspitzen durch elastische Formänderung
auf und dichtet in diesem Augenblick gleichzeitig den Spalt zwischen Stempel und
Membranteller ab, so daß die Membran einerseits dadurch, daß kein Luftspalt zwischen
diesen beiden vorhanden ist, die Membran sich also nicht einklemmen kann, und andererseits
dadurch, daß die Kanten des elastischen Kunststoffs nachgiebig sind, weitgehend
gegen mechanische Beschädigungen gesichert ist. Außerdem formt sich der Ring so,
daß er sich der Biegungskurve der Membran anpaßt und an der gefährdeten Stelle auf
einer größeren Fläche den Druck auffängt, d. h. der Ring wirkt so, daß die Dehnungszone
verbreitert wird (vgl. hierzu auch weiter unten Fig. 2).
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Erdöle enthalten unter Umständen chemische Beimengungen, die die Struktur
des Kunststoffs, aus dem die Membran besteht, angreifen können und die Festigkeit
so herabsetzen, daß bei mechanischer Betätigung der Membran miftels Kolibenis die
Lebensdauer zu klein würde. Der Ausweg, die Kunstetoffmembran mit ebner erdölbiest:ändigen
Schutzschicht zu überziehen, die den chemischen Angriffen standhält, oder eine Schätzmembran
aus chemisch widerstandsfähigem Stoff aufzulegen, ist praktisch nicht gangbar, da
diejenigen Stoffe, die chemisch diesen Anforderungen genügen, mechanisch nicht fest
genug sind., um der Biege-und Dehnungsbeanspruchung standzuhalten. Erfindungsgemäß
sind zur Behebung dieser Schwierigkeiten zwei Membranen vorgesehen, die über ein
Flüssigkeitspolster miteinander gekoppelt sind.
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Durch das Zwischenschalten einer Flüssigkeitssäule zwischen beide
Membranen wird die meist mechanisch empfindliche Schutzmembran von der Flüssigkeit
getragen und in jedem Punkt voll entlastet, da das Fördergut auf der anderen Seite
der Membran einen Gegendruck gleicher Größe und gleicher Druckverteilung erzeugt.
Eine derartige Membrankolbenpumpe ist in Fig. 2 dargestellt. Ein gehärteter pilzförmiger
Stempel 31, dessen hinterer Kolbenstempelabschnitt mit 63 bezeichnet ist, läuft
in einer ebenfalls gehärteten und mit Schmierrillen versehenen, als Führungszylinder
.dienenden Buchse 28 und bewegt die Arbeitsmembran 2g, ohne mechanisch mit dieser
verbunden zu sein. Über der Arbeitsmembran befindet sich ein, flüssigkeütsgefü-llter
Raum, der nach oben hin. durch die Schutzmembran 3o hermetisch abgeschlossen ist.
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Wenn die Pumpe selbstansaugend sein soll, die überstehende Flüssigkeitssäule
also klein ist, so kann dieses durch Verwendung eines Tellers 32 und einer Hilfsfeder
33, die im Koppelraum zwischen den beiden Membranen untergebracht ist, geschehen.
Ein elastischer Kunststoffringg4 umgibt den Stempel31 und gleicht spontane Druckstöße
beim Arbeiten aus, wie weiter oben im einzelnen beschrieben wurde. Uüter der ist
im Abstand von einigen Millimetern eine Sieb-oder Rostplatte 35 vorgesehen, die
die Aufgabe hat, im Falle eines Bruches der Arbeitsmembran 29 die Schutzmembran
zu entlasten. Ist die Arbeitsmembran
zerstört, und diese würde,
da.sie höher beansprucht wird, zuerst ausfallen, so fließt die Flüssigkeit in den
Getriebekasten ab, und im gleichen Moment setzt die Förderung der Pumpe aus. Das
Fördergut würde ohne Verwendung einer Schutzmembran in das Getriebe und damit auch
in den Motor eindringen und diesen eventuell zerstören. Das Schutzsieb oder Rost
entlastet im Falle eines Bruches der Arbeitsmembran die Schutzmembran 35. Im übrigen
stimmt die Konstruktion der Pumpe mit der in Fig.6 dargestellten überein.
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Wenn sehr große Drücke (Förderhöhe) auftreten, wird die Flüssigkeit
mit einem Druck unter die Membran gebracht. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig.2 der
Kolbenstempel 31 mit einem hinteren Kolibens-tempel@abschm"itt 63 mit,gegrenüber
dem Kopf des Kolbienstempels verminidertem Querschnitt versehen. Hierdurch wird
eine Ringfläche 61 gebildet. Eine entsprechende Ringfläche 62 ist in der als Führungszylinder
dienenden Buchse 28 vorgesehen. Zwischen den Ringflächen 61 und 62 liegt der Arbeitsraum
64 einer Hilfspumpe, die Flüssigkeit unter Druck zwischen die -Stirnfläche 6o des
Kolbenstempels 31 und die Membran fördert.
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Der Arbeitsraum 64 der Hilfspumpe steht über ein Saugventil 36, das
als. Rückschlagv entil arbeitet, mit dem eine Flüssigkeit enthaltenden Getrieberaum
66 für den Kolbenstempel 31 in Verbindung. Durch dieses Rückschlagventil wird beim
Druckhub des Kolbenstempels Flüssigkeit in den Arbeitsraum 64 der Hilfspumpe gesaugt.
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Andererseits steht der Arbeitsraum 64 über den durch das radiale Kolbenspiel
entstehenden Ringspalt 65 mit einem an die Einspannstelle der Membran 29 angrenzenden
und den vorderen Kolbenstempelabschnitü 31 sowie die Auflagefläche 6o zwischen Kolbenstempel
31 und Membran 29 umgebenden Ringraum 66 in Verbinung.
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Hierdurch wird bei der Abwärtsbewegung des Stempels die Flüssigkeit
unter Druck zwischen Membran und Stempel gepreßt, so daß beim folgenden Druckhub
der Pumpe eine tragende und reibungsvermindernde Flüssigkeitsschicht erzeugt wird.
Die überschüssige Flüssigkeit wird dann während des Druckhubes durch die Schmierrillen
des Stempels hindurch in den Getrieberaum zurückgepreßt.
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Die Rückbewegung des Förderorgans kann entweder durch den hydrostatischen
Überdruck der über der Pumpe stehenden Flüssigkeitssäule bewirkt werden, oder es
ist zu diesem Zwecke, wie auch in den Figuren dargestellt, ein federndes Organ zu
benutzen.