DE968359C

DE968359C - High-pressure piston pump driven by an electric motor, in particular for pumping fluids from deep boreholes

Info

Publication number: DE968359C
Application number: DEP11505A
Authority: DE
Inventors: Friedrich W Pleuger; Johann Schneider; Georg Schrep
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1954-03-11
Filing date: 1954-03-11
Publication date: 1958-02-06

Description

Elektromotorisch angetriebene Hochdruckkolbenpumpe, insbesondere zur Flüssigkeitsförderung aus Tiefbohrlöchern Zur Flüssigkeitsförderung aus Bohrlöchern-von großer Tiefe, z. B. für Erdölförderung, sind die bekannten elektromotorisch angetriebenen Bohrloch-Tauchkreiselpumpen mit einem unterhalb der Pumpe in einem rohrförmigen Gehäuse angeordneten Antriebsmotor wenig geeignet, da die Pumpen wegen der notwendigen großen Förderhöhe eine große Stufenzahl haben müssen und ihr Wirkungsgrad wegen des kleinen Lau.fraddurchmessers nur gering ist. Man hat auch an Stelle von Kreiselpumpen Membranpumpen verwendet, die jedoch nur eine geringereFörderleistung haben. Es ist bekannt, mehrere von der Förderflüssigkeit einseitig beaufschlagte Membranen in senkrechten Ebenen parallel zu der mit einem Elektromotor gekuppelten Antriebswelle anzuordnen und von dieser über Exzenter, Nocken usw. anzutreiben. Der gleiche Exzenter treibt hierbei über ein Antriebsgestänge jeweils zwei einander gegenüberliegende Membranen an, die mit diesem mechanisch verbunden sind und phasenverschoben arbeiten, wobei sie starken, ihre Lebensdauer beeinträchtigenden Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind. Zur Verwendung in Tiefbohrlöchern sind derartige Membranpumpen aber nicht geeignet, da ihre Saug- und Druckventile in besonderen, seitlich zumPumpengehäuse liegenden Kammern untergebracht sind. Die Pumpen weisen daher in radialer Richtung große Abmessungen auf, zumal auch die Saug- und Druckleitung in waagerechter Richtung in die Ventilkammern ein-. geführt werden muß.High-pressure piston pump driven by an electric motor, in particular for Fluid pumping from deep boreholes For pumping fluid from boreholes-from great depth, e.g. B. for oil production, the well-known are driven by an electric motor Borehole submersible centrifugal pumps with one below the pump in a tubular Housing arranged drive motor not very suitable, since the pumps because of the necessary large head must have a large number of stages and because of their efficiency of the small flow diameter is only small. One also has centrifugal pumps in place of them Diaphragm pumps are used, but they only have a lower delivery rate. It is known, several membranes acted on on one side by the delivery liquid in perpendicular planes parallel to the drive shaft coupled with an electric motor to be arranged and driven by this via eccentrics, cams, etc. The same eccentric in this case drives two opposite one another via a drive linkage Membranes that are mechanically connected to this and work out of phase, whereby they are exposed to strong alternating stresses which impair their service life are. However, such diaphragm pumps are not for use in deep boreholes suitable because their suction and pressure valves are in special, laterally to the pump housing lying chambers are housed. The pumps therefore point in the radial direction large dimensions on, especially since the suction and pressure lines are in into the valve chambers in a horizontal direction. must be performed.

Der Stand der Technik kennt auch als Tiefbrunnenpumpe ausgebildete doppelt wirkende ventillose Membranpumpen, die zwei in Achsrichtung verlaufende lange streifenförmige Membranen aufweisen. Jede Membran ist von einer Vielzahl schraubenförmig angeordneter Exzenter unter Vermittlung rahmenförmigerDruckkörper angetrieben. Die beiden Streifenmembranen sind außen durch je einen Deckel abgeschlossen, der mit dem Pumpengehäuse einen zylindrischen Körper von glatter Außenfläche bildet. Beide Deckel weisen an ihrem unteren Ende eine nicht mit einem Saugventil versehene Öffnung auf, und zwar wird jeweils die eine Saugöffnung durch die von dem untersten Exzenter gegen sie gedrückte Membran geschlossen und die gegenüberliegende Saugöffnung geöffnet. Die Flüssigkeitsförderung erfolgt hierbei dadurch, daß die Exzenter nacheinander den Arbeitsraum bis zur Mitte schließen und die Flüssigkeit vor sich her drücken, so daß von den schraubenförmig angeordneten Exzentern zwei Flüssigkeitswellen von unten nach oben gedrückt werden. Eine derartige doppelt wirkende Membranpumpe hat wegen Fehlens der Ventile nur eine geringe Förderleistung und ist im , ,vesentlichen auch nur zur Förderung von Flüssigkeiten hoher Viskosität geeignet.The prior art also knows those designed as deep well pumps double-acting valveless diaphragm pumps, the two running in the axial direction have long strip-shaped membranes. Each diaphragm is helical in shape of a plurality arranged eccentric driven by means of frame-shaped pressure bodies. the both strip membranes are closed on the outside by a cover each with the pump housing forms a cylindrical body with a smooth outer surface. Both At their lower end, covers have an opening that is not provided with a suction valve on, namely the one suction opening through the one of the lowest eccentric membrane pressed against it closed and the opposite suction opening opened. The liquid is pumped in that the eccentrics one after the other close the working space to the middle and press the liquid in front of you, so that from the helically arranged eccentrics two liquid waves of be pressed down to the top. Such a double-acting diaphragm pump has due to the lack of valves, only a low flow rate and is essential also only suitable for pumping liquids of high viscosity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere zur Flüssigkeitsförderung aus Tiefbohrlöchern geeignete elektromotorisch angetriebene Hochdruckkolbenpumpe zu schaffen, die bei geringem Durchmesser hohe Förderleistungen hat und besonders zur Erdölförderung geeignet ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Pumpenräume mehrerer einem gemeinsamen Antriebsexzenter od. dgl. zugeordneter und um diesen angeordneter Membranen, welche von j e einem gesonderten, sich auf einem gemeinsamen Exzenter abstützenden Kolben angetrieben werden, nach außen in an sich bekannter Weise durch mit dem Gehäuse des Pumpengetriebes einen geschlossenen Körper bildende Deckel abgeschlossen sind und die Deckel mit einem selbsttätigen Saugventil versehen sind. Eine derartige Ausgestaltung der Pumpe ergibt bei geringer axialer Länge eine hohe Förderleistung, da sich die Leistungen der von je einem Exzenterkolben angetriebenen Membranen addieren, so daß diese Pumpe für die Flüssigkeitsförderung aus tiefen Bohrlöchern, vor allem für Erdöl, hervorragend geeignet ist.The invention is based on the object, in particular for pumping liquids Electromotor-driven high-pressure piston pump suitable for deep boreholes to create, which has high conveying capacities with a small diameter and especially is suitable for oil production. This object is achieved according to the invention solved that the pump chambers of several od a common drive eccentric. associated and arranged around these membranes, which each of a separate, are driven on a common eccentric supporting piston, according to outside in a known manner by one with the housing of the pump gear closed body forming lid are completed and the lid with a automatic suction valve are provided. Such a configuration of the pump results with a short axial length a high delivery rate, since the performance of the add diaphragms driven by an eccentric piston each, so that this pump excellent for pumping fluids from deep boreholes, especially for crude oil suitable is.

Das zylindrische Pumpengehäuse wird in der bei Tauchkreiselpumpen bekannten Weise unmittelbar mit dem in einem rohrförmigen Gehäuse angeordneten elektrischen Antriebsmotor zusammengebaut, wodurch ein geschlossener Pumpensatz erhalten wird, der an der Förderleitung hängend in Bohrlöchern großer Tiefe abgesenkt werden kann. Die gleichmäßig in der Umfangsrichtung verteilt angeordneten Membranen werden durch den gemeinsamen Exzenter phasenverschoben angetrieben und liegen bei Verwendung von zwei Membranen einander diametral gegenüber. Sie arbeiten dadurch gegenläufig, während drei Membranen um jeweils izo ° gegeneinander versetzt sind und phasenverschoben arbeiten. Es können auch mehr als drei Membranen vorgesehen werden, die dann entsprechend phasenverschoben arbeiten. Durch die Verwendung mehrerer gegeneinander versetzter Membranen wird eine nahezu gleichmäßige Flüssigkeitsförderung erhalten, so daß trotz des geringer. Hubvolumens der einzelnen Membranen die gesamte Fördermenge ein Mehrfaches der Fördermengen der einzelnen Membranen ist. Die Hubzahl der Membranen kann hierbei hoch gewählt werden, so daß die Pumpe von einem schnellaufenden Motor angetrieben werden kann, wodurch sich ein geringerer Raumbedarf und ein niedriges Gewicht des Pumpensatzes ergibt, was besonders für den Einbau in Bohrlöcher großer Tiefe in der Größenordnung von mehreren Hundert Metern, wie sie bei der Erdölförderung vorkommen, von Bedeutung ist.The cylindrical pump housing is used in submersible centrifugal pumps known way directly with the arranged in a tubular housing electrical Drive motor assembled, whereby a closed pump set is obtained, which can be lowered into boreholes of great depth while hanging from the delivery line. The membranes, which are evenly distributed in the circumferential direction, are through the common eccentric driven out of phase and are in use of two membranes diametrically opposite each other. They work in opposite directions, while three membranes are offset from one another by izo ° and are out of phase work. It can also be provided more than three membranes, which then accordingly work out of phase. By using several offset ones Diaphragms a nearly uniform liquid pumping is obtained, so that despite the lower. Stroke volume of the individual diaphragms, the total delivery rate is a multiple the delivery rates of the individual membranes. The number of strokes of the membranes can be can be chosen high so that the pump is driven by a high-speed motor can be, resulting in a lower space requirement and a low weight of the Pump set results, which is particularly suitable for installation in boreholes of great depth in the order of magnitude of several hundred meters, as occurs in oil production, matters.

Die Membranen sind mit ihrem Antriebskolben nicht mechanisch verbunden, sondern dichten diesen nur gegen die Förderflüssigkeit ab. Dadurch werden die Kolben gegen Verschleiß durch die vielfach Sand oder andere Verunreinigungen enthaltende Förderflüssigkeit geschützt. Die Pumpe erhält infolgedessen eine große Lebensdauer, besonders wenn durch entsprechende Ausbildung des Kolbens gemäß einem früheren Vorschlag der Anmelderin dafür Sorge getragen wird, daß die Membranen keinen Wechselbeanspruchungen auf Biegung ausgesetzt, sondern im wesentlichen nur auf Zug beansprucht werden. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die an der Membran anliegende Stirnfläche des Kolbens nicht unter die Einspannfläche der Membran zurückbewegt werden kann.The membranes are not mechanically connected to their drive piston, but only seal it against the conveyed liquid. This causes the pistons against wear and tear due to the often sand or other contaminants Pumped liquid protected. As a result, the pump has a long service life, especially if by appropriate design of the piston according to an earlier proposal the applicant ensures that the membranes are not subjected to alternating stresses exposed to bending, but are essentially only subjected to tension. This can e.g. B. can be achieved in that the face adjacent to the membrane of the piston cannot be moved back under the clamping surface of the diaphragm.

Um denWirkungsgrad derPumpe zu verbessern, werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Saugventile in an sichbekannterWeise ingeringem Abstand vom Kolben in der Verlängerung der Achse desselben angeordnet. Sie können daherbeim Saughub des Kolbens unbehindert geöffnet und beim Druckhub infolge der Druckerhöhung der Förderflüssigkeit im Pumpenraum sofort geschlossen werden. Dadurch wird ein leichtes Öffnen der Ventile beim Saughub und ein schnelles Schließen beim Druckhub erreicht, wodurch die Ventilverluste gering gehalten werden und der Wirkungsgrad der Pumpe verbessert wird.In order to improve the efficiency of the pump, in a further embodiment According to the invention, the suction valves in a manner known per se at a small distance from the piston arranged in the extension of the axis of the same. You can therefore use the suction stroke of the piston open unhindered and during the pressure stroke as a result of the pressure increase of the The pumped liquid in the pump room must be closed immediately. This makes it easy The valves open on the suction stroke and close quickly on the pressure stroke, whereby the valve losses are kept low and the efficiency of the pump is improved.

Wegen der hohen auftretenden Förderdrücke ist es besonders wichtig, daß die Verbindung vom Pumpensaugraum zum Druckventil druckdicht ausgebildet wird, was. in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden kann, daß diese Verbindung durch eine Buchse hergestellt wird, die in das Pumpengehäuse sowie den den Pumpenraum der Membran begrenzenden Deckel eingeschraubt ist. Da die Seitenflächen dieses Deckels gegen die auftretenden hohen Drücke schlecht abzudichten sind, wird durch die in das Pumpengehäuse eingesetzte Buchse auch bei höchsten Drücken eine sichere und einwandfreie Abdichtung erreicht.Because of the high delivery pressures that occur, it is particularly important that the connection from the pump suction chamber to the pressure valve is pressure-tight, What. can be achieved in a further embodiment of the invention that this Connection is made through a socket which is inserted into the pump housing as well as the the cover delimiting the pump chamber of the membrane is screwed in. As the side faces this lid is difficult to seal against the high pressures that occur through the in that Pump housing used bushing even at the highest Pressing achieves a secure and perfect seal.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, aus der auch weitere Einzelheiten zu entnehmen sind.An embodiment of the invention is shown in the drawing, from which further details can be found.

Abb. i zeigt einen Längsschnitt und Abb.2 einen Querschnitt der Pumpe in der Ebene A-B.Fig. I shows a longitudinal section and Fig. 2 a cross section of the pump in level A-B.

Das Gehäuse i der zum Einbau in Bohrlöcher bestimmten Tauchpumpe ist mit dem rohrförmigen Gehäuses 2 des untenliegenden, nicht dargestellten elektrischen Antriebsmotors, z. B. eines Kurzschlußläufermotors, unmittelbar verbunden. Der Motor treibt eine in dem- Wälzlager 7 gelagerte Pumpenwelle 8 an, die in der Mitte als Exzenter 9 ausgebildet ist und an ihrem oberen Ende eine Buchse io trägt, die in einem Wälzlager i i gelagert ist. Auf dem Exzenter 9 ist ein Ring 13 gelagert, auf dem drei um i2o° gegeneinander versetzte Kolben 14 gleiten, die in Buchsen 15 radial geführt sind. Die an dem Exzenterring 13 anliegende Seite der Kolben 14 ist mit einer kreisförmigen Ausnehmung versehen, deren Durchmesser gleich oder größer ist als der größte vom Exzenterring 13 beschriebene Kreis. An jedem Kolben 14 liegt eine kreisförmige Membran 16 aus elastischem Werkstoff, wie Gummi oder Kunststoff, z. B. Polycarbamid, lose an, die an ihrem Rand zwischen dem Pumpengehäuse i und dem Deckel 17 fest eingespannt ist. Die Kolben 14 ragen in ihrer inneren Endlage über die Einspannebene der Membran 16 hinaus, so daß diese beim Hub des Kolbens keinen wechselnden Biegungsbeanspruchungen ausgesetzt ist, sondern nur auf Zug belastet wird. Die Membran 16 wird durch eine Feder 18. die in dem Gehäusedeckel 17 verankert ist und an einem auf der Membran anliegenden Teller ig drückt, in dauernder Berührung mit dem Kolben 14 gehalten. Der von der Membran 16 begrenzte Pumpenraum 20 steht über einen durch das Saugventil 21 verschlossenen Kanal 22 in Verbindung mit der Pumpensaugöffnung 23, die an der Außenseite des Deckels 17 eingearbeitet ist und nach außen durch ein Sieb 24 begrenzt ist.The housing i of the submersible pump intended for installation in boreholes is connected to the tubular housing 2 of the electric drive motor (not shown) located below, e.g. B. a squirrel cage motor, directly connected. The motor drives a pump shaft 8 mounted in the roller bearing 7, which is designed as an eccentric 9 in the center and at its upper end carries a socket io which is mounted in a roller bearing ii. A ring 13 is mounted on the eccentric 9, on which three pistons 14 which are offset from one another by i2o ° and are guided radially in sockets 15 slide. The side of the piston 14 resting on the eccentric ring 13 is provided with a circular recess, the diameter of which is equal to or greater than the largest circle described by the eccentric ring 13. On each piston 14 is a circular membrane 16 made of elastic material such as rubber or plastic, for. B. polycarbamide, which is firmly clamped at its edge between the pump housing i and the cover 17. The pistons 14 protrude in their inner end position beyond the clamping plane of the diaphragm 16 so that it is not exposed to any changing bending stresses during the stroke of the piston, but is only subjected to tensile stress. The membrane 16 is held in permanent contact with the piston 14 by a spring 18, which is anchored in the housing cover 17 and presses against a plate resting on the membrane. The pump chamber 20 delimited by the membrane 16 is connected via a channel 22 closed by the suction valve 21 to the pump suction opening 23, which is incorporated on the outside of the cover 17 and is delimited to the outside by a sieve 24.

Das den Pumpenraum 20 mit der Druckleitung 27 verbindende Druckventil 28 sitzt auf einer Buchse 29, die in den Gehäusedeckel 17 sowie das Pumpengehäuse i eingeschraubt ist, wodurch eine druckdichte Verbindung des Pumpenraumes 20 mit dem Druckventil 28 erhalten wird, und zwar unabhängig von der Dichtung des Gehäusedeckels 17. The pressure valve 28 connecting the pump chamber 20 to the pressure line 27 sits on a socket 29 which is screwed into the housing cover 17 and the pump housing i, whereby a pressure-tight connection between the pump chamber 20 and the pressure valve 28 is obtained, regardless of the seal of the Housing cover 17.

Die Druckkanäle 27 der drei Pumpenräume 2o sind in dem Deckel 31 des Pumpengehäuses i vorgesehen und vereinigen sich zu dem Druckstutzen 32, an den die Steigleitung 33 angeschlossen ist.The pressure channels 27 of the three pump chambers 2o are in the cover 31 of the Pump housing i provided and unite to form the pressure port 32 to which the Riser 33 is connected.

Die Stromzuführung zu dem Motor erfolgt durch vier einzelne Kabel 38, die in entsprechenden Bohrungen 39 des Pumpengehäuses i untergebracht sind.Power is supplied to the motor through four individual cables 38, which are housed in corresponding bores 39 of the pump housing i.

Das Motorgehäuse 2 ist ebenso wie das Pumpengehäuse i druckfest gekapselt. Es wird daher auch bei großen Eintauchtiefen eine hoheBetriebssicherheit der Pumpe erreicht.The motor housing 2, like the pump housing i, is encapsulated in a pressure-tight manner. There is therefore a high operational reliability of the pump even at great immersion depths achieved.

Claims

PATE N CLAIMS: i. High-pressure piston pump driven by an electric motor with a drive motor arranged below the pump in a tubular housing, especially for pumping fluid from deep boreholes, in which several, one common drive eccentric or the like. Associated and arranged around these membranes; the planes of which are parallel to the axis, each supported by one on the eccentric and pistons guided in the radial direction are driven, characterized in that that the pump chambers (2o) of the membranes (i6), each of which is a separate one are driven on a common eccentric (g) supporting piston (i4), to the outside in a manner known per se through with the housing (i) of the pump gear a closed body forming lid (i7) are closed and the lid (i7) are provided with an automatic suction valve (2i).

2. Pump according to claim i, characterized in that the suction valves (2i) in a known manner in smaller distance from the piston (i4) lie in the extension of the axis of the same.

3. Pump 'according to claim i and 2, characterized in that the pump chamber (2o) is connected to the pressure channel (27) through a pressure valve (28), the seat of which is from a socket screwed tightly into the pump housing (i) and the cover (i7) (29) is formed.

4. Pump according to claim i, characterized in that the to the side of the piston (i4) adjacent to the eccentric (i3) has a circular recess whose diameter is equal to or larger than the largest described by the eccentric (i3) Circle.

5. Pump according to claim i, characterized in that the pump housing is provided with per se known axial channels (39) through which the power supply cable (38) is guided without interruption to the drive motor arranged below the pump. Considered publications: German Patent Nos. 884 279, 637 586, 6o8 030; British Patent Nos. 588 612, 409 704.