EP3121450A1 - Pump for conveying a fluid with varying viscosity - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a pump for conveying a fluid with varying viscosity according to the preamble of the independent claim.
- the rotor is dimensioned such that a narrow, annular relief gap is formed between the rotor and the stator. This is the high pressure side connected to the space behind the impeller or in multi-stage pumps the space behind the last impeller so that a leakage flow of the funded fluid can flow through the discharge gap to the low pressure side of the rotor. From there, the fluid is then returned to the inlet of the pump. As a result of the pressure drop across the rotor, a force is generated in the axial direction which is directed opposite to the hydraulic axial forces generated by the impeller, and thus considerably reduces the forces to be absorbed by the axial bearing.
- the geometric dimensions of a very important importance in particular the diameter and the axial length of the rotor and the clearance between the rotor and stator, which determines the width of the discharge channel in the radial direction.
- the leakage flow through the discharge channel causes a volume loss of the pumped fluid, which of course is to be kept as low as possible, the leakage flow on the other hand also has to be so large that the desired technical effects are realized.
- As a further effect - and this applies in particular to highly viscous fluids - causes the fluid flow in the discharge channel friction, which can lead to a considerable and undesirable increase in temperature in the discharge channel.
- the fluid flowing through the relief channel can also contribute to the stabilization or stability of the pump rotor dynamics.
- the fluid flowing in the discharge channel generates the shaft centering forces, which have a positive effect on both the damping and the stiffness of the shaft bearing.
- multiphase pumps for example, fluids are conveyed which contain a mixture of several phases, for example one or more liquid phases and one or more gaseous phases.
- Such pumps have long been well known and are made in numerous embodiments. The range of application of these pumps is very wide, they are used for example in the oil and gas industry for conveying or transporting petroleum or petroleum-natural gas mixtures.
- the fluid properties can change over time, z. B. the phase composition or phase distribution of the multiphase fluid to be delivered.
- the relative volume fractions of the liquid and the gaseous phase - for example in the oil extraction - are subject to very large fluctuations, which is partly due to the natural source.
- the pump is designed as a subsea pump for operation on the seabed, it is of course desirable to have available a pump that can efficiently and economically deliver even fluids of highly variable viscosity without requiring replacement
- the pump hydraulics is necessary.
- a possible solution is to provide in the return line, with which the fluid flowing through the discharge channel from the low pressure side of the rotor of the discharge piston to the inlet of the pump is provided with an adjustable valve so as to be able to throttle the feedback more or less ,
- an adjustable valve so as to be able to throttle the feedback more or less .
- throttling in the return line can lead to a significant reduction of the axial thrust balance generated by the relief piston because the pressure drop across the relief piston is significantly smaller.
- a pump for conveying a fluid of varying viscosity, which has a housing with an inlet and an outlet for the fluid to be delivered, and at least one impeller for conveying the fluid from the inlet to the outlet, which is arranged on a rotatable shaft and a relief piston for axial thrust relief, the relief piston comprising a rotatably connected to the shaft rotor having a high pressure side and a low pressure side, a housing stationary stator, and a discharge channel extending between the rotor and the stator from the high pressure side to Low pressure side of the rotor extends and further wherein a return passage is provided, which connects the low pressure side of the rotor with the inlet, wherein at least one intermediate channel is provided which opens between the high pressure side and the low pressure side of the rotor in the discharge channel, u nd wherein a blocking member is provided for influencing the flow through the intermediate channel.
- the length of the discharge channel can be changed and thus also the effective length of the rotor of the discharge piston. Since, as already mentioned, the diameter and length of the rotor of the relief piston has a decisive influence both on the flow rate through the relief piston and on the temperature increase caused by friction in the discharge channel, can thus be made by the intermediate channel in a very simple manner to adapt to major changes in the viscosity of the fluid. Functionally, one has now virtually the opportunity to operate the pump with at least two different discharge piston of different lengths.
- the effective length that is, the flow-through part of the discharge channel is shortened, also significantly reduces the generated in the relief gap by friction increase in temperature. This is proportional to the relationship between friction and leakage rate.
- the pump and in particular the discharge piston in a simple manner also adaptable to strong changes in the viscosity of the fluid. It is particularly advantageous that the discharge piston generated by the axial thrust relief, if any, undergoes at least no significant reduction, so no greater burden must be absorbed by the thrust bearing of the shaft.
- the discharge channel comprises an annular space which surrounds the shaft and into which the intermediate channel opens. This ensures that, when the intermediate channel is open, the fluid can flow out of the discharge channel into the intermediate channel particularly well and evenly.
- the discharge channel outside the annulus has a constant width in the radial direction.
- the intermediate channel of the discharge channel is divided into a first sub-channel and a second sub-channel, which are arranged in the axial direction one behind the other.
- the width of the first sub-channel may be the same size as the width of the second channel or the first and the second sub-channel have different widths. Due to the different widths of the two sub-channels, the leakage rate through the discharge channel can be increased or reduced in a simple manner.
- the intermediate channel is connected to the inlet, so that also the effluent via the intermediate channel fluid is returned to the inlet of the pump.
- the intermediate channel opens into the return channel, because in this way the structural design is simpler.
- the locking member is designed as an adjustable flow control valve.
- the flow in the intermediate channel can also be set to values between zero and the maximum flow.
- a second blocking member is provided for influencing the flow through the return channel.
- the flow rate can also be actively influenced in the return channel.
- the blocking member is designed as a three-way valve, which is flow-connected to the inlet, to the return channel and to the intermediate channel.
- the return channel or the intermediate channel can be fluidly connected to the inlet of the pump in a particularly simple manner in terms of apparatus.
- a switching device is provided, with which the return channel is selectively connectable to the inlet of the pump or to a source of a second fluid, so that the second fluid can be fed through the return channel of the low pressure side of the rotor.
- the return channel is selectively connectable to the inlet of the pump or to a source of a second fluid, so that the second fluid can be fed through the return channel of the low pressure side of the rotor.
- the blocking member is arranged and configured such that the intermediate channel is connectable to a source of a second fluid, so that the second fluid can be introduced through the intermediate channel in the discharge channel.
- the second fluid may, for. B. may be a demulsifier, with which the viscosity of the fluid can be reduced in the relief gap. This is also a possibility to introduce a second fluid into the discharge channel in order to reduce the viscosity of the fluid.
- these organs may be configured, for example, as electrically or hydraulically or electrically-hydraulically actuated organs, which can then be controlled remotely, for example via a signal line or depending on the application.
- the pump according to the invention can also be configured as a multi-stage pump which has at least one second impeller arranged on the shaft for conveying the fluid.
- the inventive pump is also possible to design the inventive pump as a multi-phase pump.
- the pump according to the invention can also be designed as a centrifugal pump for oil and gas production, in particular as a subsea pump for undersea oil and gas production.
- Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an inventive pump, which is generally designated by the reference numeral 1 and is designed as a centrifugal pump or centrifugal pump.
- Fig. 1 some parts of the pump 1 are shown in the outbreak.
- Fig. 2 shows some parts of the pump 1 in an enlarged sectional view.
- the pump 1 has a housing 2 with an inlet 3, through which a fluid to be conveyed into the pump 1 can be introduced, as the arrow E in Fig. 1 symbolizes. Further, the housing 2 has an outlet 4, through which the fluid to be pumped leaves the pump 1, as the arrow O in Fig. 1 symbolizes.
- the pump has a rotatable shaft 5 whose longitudinal axis A defines an axial direction. In the following, therefore, the direction of the longitudinal axis A of the shaft 5 is always meant for references to the axial direction. By the radial direction is meant a direction perpendicular to the axial direction.
- the inventive pump 1 can be designed both as a single-stage pump with only one impeller 7, as well as a multi-stage pump with at least two wheels 7, which are arranged axially spaced one behind the other on the shaft 5 in a conventional manner.
- the inventive pump 1 is designed as a multi-stage centrifugal pump.
- the inventive pump 1 can be configured as a single-phase pump or as a multi-phase pump.
- Multiphase pumps are designed to deliver multiphase fluids, so they can deliver fluids containing a mixture of multiple phases, such as one or more several liquid phases, eg. In the form of an emulsion, and one or more gaseous phases.
- the inventive pump 1 is designed as a multi-phase pump.
- the pump according to the invention is preferably a pump 1 for conveying highly viscous fluids, such as oil or petroleum.
- highly viscous fluids such as oil or petroleum.
- high-viscosity fluids mean fluids whose dynamic viscosity is at least 65 cP (centipoise), which corresponds to 0.065 Pa ⁇ s (pascal-seconds) in SI units.
- the pump according to the invention is used in the extraction of oil and gas, for example as a feed pump with which the oil or oil-gas mixture is conveyed out of the borehole of an oilfield or as a transport pump, with which the oil or the oil-gas mixture is conveyed through a pipeline.
- the pump 1 according to the invention can be designed as a subsea pump, which is operated on the seabed, for example, during subsea oil and gas production. It is understood, however, that the invention is not limited to such embodiments and applications.
- the first embodiment of the inventive pump 1 (see Fig. 1 and Fig. 2 ) has a discharge piston 6 for axial thrust relief. With the relief piston 6, a force is generated in the axial direction, which is directed opposite to the axial hydraulic force generated by the wheels 7 during the delivery of the fluid.
- the relief piston 6 has a substantially cylindrical rotor 61 which is rotatably connected to the shaft 5 and a stationary relative to the housing 2 stator 62.
- the stator 62 may be configured for example as a cylindrical sleeve which is fixedly connected to the housing 2 or parts of the housing 2 itself may form the stator 62.
- the rotor 61 has a diameter D. It has a high pressure side 65 and a low pressure side 64. The end face on the high pressure side 65 of the rotor 61 is subjected to a high pressure. This is typically done by pressurizing the high pressure side 65 of the rotor 61 standing fluid behind the impeller 7 and behind the last impeller 7 acted upon.
- the high-pressure side 65 is then subjected essentially to the pressure which comprises the fluid at the outlet 4 of the pump 1.
- the low-pressure side 64 is subjected to a significantly lower pressure, typically with the pressure that the fluid has at the inlet 3 of the pump. This can for example be realized so that the low-pressure side 64 of the rotor 61 is flow-connected via a return channel 8 with the inlet 3 of the pump.
- the diameter D of the rotor 61 and the inner diameter of the cylindrical stator 62 are dimensioned such that between the lateral surface of the rotor 61 and the inner circumferential surface of the stator 62, an annular discharge channel 63 is formed which extends between the rotor 61 and the stator 62 of the High pressure side 65 extends in the axial direction to the low pressure side 64.
- the width B1 or B2 of the discharge channel 63 in the radial direction corresponds to the difference between the inner diameter of the stator 62 and the diameter D of the rotor.
- the leakage flow Q and its effects depend on very many parameters, on the one hand of the geometric dimensions of the relief piston 6, which are for a given inner diameter of the stator 63 mainly the diameter D of the rotor 61, which determines the width B1, B2 of the discharge channel 63, and the length L of the rotor 63 in the axial direction, which determines the axial length of the discharge channel 63.
- These parameters must be determined in the design of the pump 1 for their later use, which often extends over an operating life of many years, and can then be changed later only by replacing the hydraulic components of the pump 1.
- the leakage flow Q also depends on the pressure difference falling across the rotor 61 from the rotational speed, i. the rotational speed of the pump 1, and of course the properties of the fluid to be delivered, such as its density or its viscosity.
- the pump 1 is suitable in particular for the continuous delivery of a fluid having a greatly varying viscosity
- a blocking element 10 FIG. please refer Fig. 1
- the length of the relief gap 63 can be varied, resulting in a particularly good adaptability to variations in the viscosity of the fluid.
- the relief channel 63 comprises an annular space 66, which surrounds the shaft 5, and in which the intermediate channel 9 opens.
- the annular space 66 has in the radial direction a width greater than the width B1, B2 of the discharge channel 63.
- the discharge channel 63 seen over its axial length has a constant width B1 or B2 in the radial direction.
- these widths B1 or B2 vary.
- the intermediate channel is as in Fig. 1 shown connected to the inlet 3 of the pump.
- the blocking member 10 is configured at least as an on-off valve which completely blocks the flow connection through the intermediate channel 9 to the inlet 3 in a first position, and which completely opens the flow connection through the intermediate channel 9 in a second position.
- Fig. 2 shows the first embodiment of the pump 1 in a first operating state in which the locking member 10 is in the first position, that closes the flow connection through the intermediate channel 9, while Fig. 3 shows the first embodiment of the pump 1 in a second operating state in which the locking member 10 is in the second position, so the flow connection through the intermediate channel 9 opens completely.
- the blocking member 10 is configured as an adjustable flow valve 10, with which the leakage flow Q is adjustable through the intermediate channel 9 to values between zero and the maximum flow.
- Both the return channel 8 and the intermediate channel 9 are each configured, in particular with respect to their diameter, that they have at least no significant throttling effect on the leakage flow Q, ie the respective flow resistance of the return channel 8 and the intermediate channel 9 is dimensioned so that it is much smaller is as the As a result, it is possible to ensure that essentially the entire pressure difference across the rotor 61 drops and this therefore generates the greatest possible axial thrust relief.
- a typical value for the viscosity of the oil in this phase is for example 100-200 cP.
- the pump 1 is in the in Fig. 2 operated shown first operating state.
- the blocking member 10 With the blocking member 10, the flow connection is blocked by the intermediate channel 9 for the leakage flow Q.
- the discharge channel 63 which has the total length L in the axial direction, is now the flow connection of a first sub-channel 631 of the axial length L1, which extends from the high-pressure side to the beginning of the annular space 66 and has a radial width B1, and a second Partial channel 632 of the axial length L2, which extends in the flow direction from the axial end of the annular space 66 to the low pressure side 64 and has a radial width B2.
- the effective length of the discharge channel 63 is thus the sum of L1 + L2, where natural L1 + L2 is smaller than the total length L.
- the leakage flow Q thus flows completely from the high pressure side 65 through the discharge channel 63 to the low pressure side 64 and from there through the return channel 8 back to the inlet 3 of the pump.
- the width B1 of the first sub-channel 631 in the radial direction and the width B2 of the second sub-channel 632 in the radial direction are preferably each constant over the axial length L1 of the first or L2 of the second sub-channel.
- the widths B1 and B2 may be the same or different. If the widths B1 and B2 are designed differently, this results additionally the possibility of changing the width of the discharge channel, whereby one has another parameter for influencing the leakage flow Q available.
- Different widths B1 and B2 can be realized, for example, in that the rotor 61 has a different diameter D in the region in which it forms the first part-channel 631 than in the region in which it forms the second part-channel 632.
- the diameter D of the rotor 61 it is also possible to make the diameter D of the rotor 61 constant over its entire axial length L and to design the stator 62 in the region of the first sub-channel 631 with a different inner diameter than in the region of the second sub-channel 632.
- a combination of the two measures possible, so both the inner diameter of the stator 62 and the diameter D of the rotor over the respective axial length L to design differently.
- the natural pressure in the oil field decreases and, for example, water begins to be forced into the oil field, thereby increasing the pressure in the oil field or compensating for the pressure drop.
- the formation of an emulsion of the oil and the water increases with increasing time, and this emulsion must now be conveyed by the pump 1.
- Forming the emulsion can be associated with a drastic increase in internal friction or viscosity, which can vary in the order of magnitude. This peak in viscosity over time in the withdrawal of the oil field is known and it can occur, for example, only after a few years of levy.
- the blocking member 10 is now brought into the position in which it completely opens the flow connection through the intermediate channel 9 for the leakage flow Q. Since the intermediate channel 9 is now for the leakage flow Q considerably less resistance than the second sub-channel 632 of the discharge channel 63, the majority of the leakage flow Q flows from the high-pressure side 65 through the first sub-channel 631 of length L1 in the annular space 66 and from there the intermediate channel 9 to the inlet 3 of the pump 1. Thus, the effective length of the discharge channel 63 is now only the length L1 of the first sub-channel 631 and thus significantly smaller than in the first operating state.
- the first sub-channel 631 is designed with a larger radial width B1, as the second sub-channel 632, so does the effective width of the discharge channel 63, thereby additionally increasing the leakage flow Q increases.
- the pump 1 can be brought back by closing the locking member 10 in the first operating state, the in Fig. 2 is shown.
- Fig. 4 shows a first variant of the embodiment of the pump 1.
- a second locking member 12 for influencing the flow through the return channel 8 is provided.
- the blocking member 12 may also be configured as an open-close valve 12 or as an adjustable flow valve, with which the leakage flow Q is adjustable by the return channel 3.
- Fig. 5 shows a second variant of the embodiment of the pump 1.
- the intermediate channel 9 opens into the return channel 8 a.
- the locking member 10 is provided, wherein the locking member is designed as a three-way valve 10 which is fluidly connected to the inlet 3, with the return channel 8 and with the intermediate channel 9.
- the three-way valve 10 is switched to connect the return passage 8 to the inlet 3 so that the leakage flow Q can flow through the return passage 8 to the inlet 3.
- the intermediate channel 9 is blocked so that no leakage flow Q can flow through it.
- the second operating state Fig.
- the three-way valve 10 is switched so that it connects the intermediate channel 9 with the inlet 3, so that the leakage flow Q can flow from the annular space 66 through the intermediate channel 9 to the inlet 3. In this position, the return channel 8 is blocked, so that no leakage flow Q can flow through it.
- Fig. 6 illustrates a third variant of the embodiment of the pump 1.
- a switching device 13 is provided in the return channel 8, with which the return channel 8 is selectively connectable to the inlet 3 of the pump 1 or with a source 15 for a second fluid, so the second fluid can be supplied through the return channel 8 to the low-pressure side 64 of the rotor.
- Fig. 7 shows in one too Fig. 2 respectively.
- Fig. 3 analog representation of an operating state of the third variant Fig. 6 ,
- the switching member 13 is set to connect the return passage 8 to the second fluid source 15, and the flow communication to the inlet 3 of the pump 1 is shut off.
- the second fluid is, for example, a barrier fluid such as water or another suitable medium or a Cooling fluid with which in the second sub-channel 632 of the discharge channel 63, a back pressure can be generated.
- the flow of the second fluid is indicated by dotted, arrowed lines.
- the second fluid flows through the return channel 8 to the low pressure side 64 of the rotor and from there through the second sub-channel 632 of the discharge channel 63 of the leakage flow Q against.
- the two fluids combine and are discharged together through the intermediate channel.
- the second fluid can be used, for example, to generate a backpressure in the discharge channel 63 in order to reduce the flow rate of the leakage flow Q or to remove heat from the relief gap 63.
- Fig. 8 shows a fourth variant of the first embodiment of the pump 1.
- the blocking member 10 is arranged and configured so that the intermediate channel 9 is connectable to a source 16 for a second fluid, so that the second fluid through the intermediate channel in the discharge channel 63rd can be introduced.
- the locking member 10 is configured here as a three-way valve 10, which connects the intermediate channel 9 selectively with the inlet 3 of the pump 1 or with the source of the second fluid.
- Fig. 9 shows in one too Fig. 2 respectively.
- Fig. 3 analog representation of an operating state of the fourth variant Fig. 8 .
- the three-way valve 10 is set to connect the intermediate channel 9 to the second fluid source 16 and block the flow connection to the inlet 3 of the pump 1.
- the second fluid is for example a demulsifier, with which the viscosity of the leakage flow Q can be reduced, or water for diluting the leakage flow Q, or a cooling fluid, with which heat can be removed from the relief gap 63.
- the flow of the second fluid is indicated by dotted, arrowed lines.
- the second fluid flows through the intermediate channel 9 into the annular space 66, where it connects to the leakage flow Q and flows together with it through the second sub-channel 632 of the discharge channel 63 to the low-pressure side 64. From there, the leakage flow Q is discharged together with the second fluid through the return channel 8.
- Fig. 10 Indicates in one Fig. 2 analogous representation of a second embodiment of a pump according to the invention 1.
- the reference numerals have the same meaning as they have already been explained in connection with the ersaten embodiment.
- the explanations regarding the first embodiment and all of its variants apply in the same or analogous manner to the second embodiment.
- a second intermediate channel 9 ' is provided, which also opens between the high pressure side 65 and the low pressure side 64 in the discharge channel 63.
- a further blocking member 10' is provided, with which the leakage flow Q in the second intermediate channel 9 'can be influenced.
- discharge channel 63 has a second annular space 66 'on which the shaft surrounds and in which the second intermediate channel 9' opens.
- each sub-channel 631, 632, 633 may have a different width in the radial direction, or that the same width is selected in the radial direction for two of the sub-channels and for the remaining sub-channel 631 or 632 or 633 one of them different width.
- the same width B in the radial direction can also be counted for all three subchannels 631, 632, 633.
- the width B is preferably constant but may vary.
- the effective length of the discharge channel 63 is only L1.
- the intermediate channels 9, 9 'or the return channel 8 can be used for supplying a second fluid.
- the pump 1 it is also possible to assemble the rotor 61 and / or the stator 62 from a plurality of parts. It is therefore by no means necessary that the rotor 61 or the stator 62 is designed in one piece. Furthermore, it is possible to configure the rotor 61 or the stator 62 in such a way that the relief gap 63 also has no constant width B1, B2, B outside the annular spaces 66, 66 ', but tapers or widens, for example, in the axial direction. Furthermore, it is possible to coat or to structure the lateral surface of the rotor 61 or the inner circumferential surface of the stator 62.
- the locking member 10, 10 'and the second locking member 12 may be configured as open-close valves, with which the flow through the respective channel is either completely released or completely blocked. But it is also possible to design the blocking member 10, 10 'or the second locking member 12 as an adjustable flow valve, with which the flow in the respective channel to any values between zero and a maximum value can be adjusted.
- the blocking member 10, 10 'or the second locking member 12 or the switching member 13 may be configured so that they can be operated remotely, for example in undersea applications via a signal line through which a preferably electrical or hydraulic signal is passed, which the respective blocking member or Change-over in the respectively desired state switches or regulates.
- the remote-controlled operability can also be designed signal line free.
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Abstract
Es wird eine Pumpe zum Fördern eines Fluids mit variierender Viskosität vorgeschlagen, welche ein Gehäuse (2) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) für das zu fördernde Fluid aufweist, sowie mindestens ein Laufrad (7) zum Fördern des Fluids vom Einlass (3) zum Auslass (4), welches auf einer drehbaren Welle (5) angeordnet ist, sowie einen Entlastungskolben (6) zur Axialschubentlastung, wobei der Entlastungskolben (6) einen drehfest mit der Welle (5) verbundenen Rotor (61) mit einer Hochdruckseite (65) und mit einer Niederdruckseite (64) umfasst, einen bezüglich des Gehäuses (2) stationären Stator (62), und einen Entlastungskanal (63), der sich zwischen dem Rotor (61) und dem Stator (62) von der Hochdruckseite (65) bis zur Niederdruckseite (64) des Rotors (61) erstreckt und wobei ferner ein Rückführkanal (8) vorgesehen ist, welcher die Niederdruckseite (63) des Rotors (61) mit dem Einlass (3) verbindet, wobei mindestens ein Zwischenkanal (9, 9') vorgesehen ist, welcher zwischen der Hochdruckseite (65) und der Niederdruckseite (64) des Rotors (61) in den Entlastungskanal (63) einmündet, und wobei ein Sperrorgan (10, 10') zur Beeinflussung der Strömung durch den Zwischenkanal (9, 9') vorgesehen ist.There is proposed a pump for conveying a fluid of varying viscosity, comprising a housing (2) with an inlet (3) and an outlet (4) for the fluid to be conveyed, and at least one impeller (7) for conveying the fluid from Inlet (3) to the outlet (4), which is arranged on a rotatable shaft (5) and a discharge piston (6) for Axialschubentlastung, wherein the discharge piston (6) rotatably connected to the shaft (5) rotor (61) a high - pressure side (65) and a low - pressure side (64), a stator (62) stationary with respect to the housing (2), and a relief channel (63) extending between the rotor (61) and the stator (62) of the High pressure side (65) to the low pressure side (64) of the rotor (61) and further comprising a return channel (8) is provided, which connects the low pressure side (63) of the rotor (61) with the inlet (3), wherein at least one intermediate channel (9, 9 ') is provided, which z between the high pressure side (65) and the low pressure side (64) of the rotor (61) into the discharge channel (63) opens, and wherein a blocking member (10, 10 ') for influencing the flow through the intermediate channel (9, 9') is provided ,
Description
Die Erfindung betrifft ein Pumpe zum Fördern eines Fluids mit variierender Viskosität gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.The invention relates to a pump for conveying a fluid with varying viscosity according to the preamble of the independent claim.
In ein- oder mehrstufigen Zentrifugalpumpen werden häufig sehr grosse hydraulische Kräfte generiert, die in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse der Welle der Pumpe, wirken. Diese Kräfte müssen von dem Axiallager der Welle aufgenommen werden. Da diese Axiallager jedoch aus praktischen und technischen Gründen möglichst klein gehalten werden sollen, ist es eine wohlbekannte Massnahme, auf der Welle der Pumpe einen Entlastungskolben (balance drum) zum Axialschubausgleich vorzusehen. Dieser umfasst einen drehfest mit der Welle verbundenen, typischerweise im Wesentlichen zylindrischen, Rotor und einen koaxial dazu angeordneten Stator, der bezüglich des Pumpengehäuses stationär ist. Der Stator kann dabei beispielsweise als separate Hülse ausgestaltet sein oder auch durch das Gehäuse selbst gebildet werden. Der Rotor ist so bemessen, dass sich zwischen dem Rotor und dem Stator ein enger, ringförmiger Entlastungsspalt ausbildet. Dieser wird hochdruckseitig mit dem Raum hinter dem Laufrad bzw. bei mehrstufigen Pumpen dem Raum hinter dem letzten Laufrad verbunden, sodass eine Leckageströmung des geförderten Fluids durch den Entlastungsspalt auf die Niederdruckseite des Rotors strömen kann. Von dort wird das Fluid dann zum Einlass der Pumpe zurückgeführt. Durch den Druckabfall über den Rotor wird so eine Kraft in axialer Richtung generiert, welche entgegengesetzt zu den vom Laufrad generierten hydraulischen Axialkräften gerichtet ist, und somit die vom Axiallager aufzunehmenden Kräfte erheblich reduziert.In single-stage or multi-stage centrifugal pumps, very large hydraulic forces are often generated which act in the axial direction, that is to say in the direction of the longitudinal axis of the shaft of the pump. These forces must be absorbed by the thrust bearing of the shaft. However, these thrust bearings are to be kept as small as possible for practical and technical reasons, it is a well-known measure to provide on the shaft of the pump a balance piston (balance drum) for Axialschubausgleich. This includes a rotatably connected to the shaft, typically substantially cylindrical rotor and a coaxially arranged stator which is stationary with respect to the pump housing. The stator can be configured for example as a separate sleeve or formed by the housing itself. The rotor is dimensioned such that a narrow, annular relief gap is formed between the rotor and the stator. This is the high pressure side connected to the space behind the impeller or in multi-stage pumps the space behind the last impeller so that a leakage flow of the funded fluid can flow through the discharge gap to the low pressure side of the rotor. From there, the fluid is then returned to the inlet of the pump. As a result of the pressure drop across the rotor, a force is generated in the axial direction which is directed opposite to the hydraulic axial forces generated by the impeller, and thus considerably reduces the forces to be absorbed by the axial bearing.
Bei der Ausgestaltung der Entlastungskolben kommt den geometrischen Abmessungen eine sehr wichtige Bedeutung zu, insbesondere dem Durchmesser und der axialen Länge des Rotors und dem Spiel zwischen Rotor und Stator, welches die Breite des Entlastungskanals in radialer Richtung bestimmt.In the design of the relief piston, the geometric dimensions of a very important importance, in particular the diameter and the axial length of the rotor and the clearance between the rotor and stator, which determines the width of the discharge channel in the radial direction.
Die Leckageströmung durch den Entlastungskanal verursacht einen Volumenverlust des geförderten Fluids, der natürlich möglichst gering gehalten werden soll, wobei die Leckageströmung andererseits auch so gross sein muss, dass die gewünschten technischen Effekte realisiert werden. Als weiteren Effekt - und dies trifft in besonderem Masse auf hochviskose Fluide zu - verursacht die Fluidströmung im Entlastungskanal eine Reibung, die zu einer beträchtlichen und unerwünschten Temperaturerhöhung im Entlastungskanal führen kann.The leakage flow through the discharge channel causes a volume loss of the pumped fluid, which of course is to be kept as low as possible, the leakage flow on the other hand also has to be so large that the desired technical effects are realized. As a further effect - and this applies in particular to highly viscous fluids - causes the fluid flow in the discharge channel friction, which can lead to a considerable and undesirable increase in temperature in the discharge channel.
Zusätzlich zu der Funktion der Axialschubentlastung kann das durch den Entlastungskanal strömende Fluid auch zur Stabilisierung bzw. zur Stabilität der Pumpenrotordynamik beitragen. Durch die als Lomakin-Effekt bekannte Wirkung erzeugt das im Entlastungskanal strömende Fluid die Welle zentrierende Kräfte, welche sich positiv sowohl auf die Dämpfung als auch auf die Steifigkeit der Wellenlagerung auswirken.In addition to the function of the axial thrust relief, the fluid flowing through the relief channel can also contribute to the stabilization or stability of the pump rotor dynamics. By virtue of the effect known as the lomakin effect, the fluid flowing in the discharge channel generates the shaft centering forces, which have a positive effect on both the damping and the stiffness of the shaft bearing.
Weitere wichtige Parameter, die bei der Ausgestaltung des Entlastungskolbens zu berücksichtigen sind, sind die Rotationsgeschwindigkeit, mit der die Pumpe betrieben wird, die generierte Druckdifferenz, die Dichte des Fluids und die innere Reibung, also die Viskosität, des geförderten Fluids.Other important parameters to consider when designing the unloading piston are the rotational speed at which the pump is operated, the generated pressure differential, the density of the fluid and the internal friction, ie the viscosity, of the delivered fluid.
Man ist beim Design der Pumpenhydraulik bestrebt, einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen all diesen Effekten zu realisieren, wobei die Fluideigenschaften in der Regel nicht beeinflussbar und auch nicht ausreichend bekannt sind und daher nur abgeschätzt werden können.It is the design of the pump hydraulics strives to achieve the best possible compromise between all these effects, the fluid properties are usually not influenced and not sufficiently known and therefore can only be estimated.
Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen die Eigenschaften des geförderten Fluids nicht konstant sind, sondern sich mehr oder weniger schnell ändern können.There are numerous applications in which the properties of the pumped fluid are not constant, but can change more or less quickly.
Mit Multiphasenpumpen werden beispielsweise Fluide gefördert, die ein Gemisch aus mehreren Phasen enthalten, beispielsweise eine oder mehrere flüssige Phasen und eine oder mehrere gasförmige Phasen. Solche Pumpen sind seit langem wohl bekannt und werden in zahlreichen Ausführungsformen hergestellt. Der Anwendungsbereich dieser Pumpen ist sehr breit, sie werden zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie zum Fördern oder Transportieren von Erdöl oder Erdöl-Erdgas-Gemischen verwendet. Dabei können sich die Fluideigenschaften über die Zeit gesehen ändern, z. B. die Phasenzusammensetzung bzw. Phasenverteilung des zu fördernden Mehrphasenfluids. Die relativen Volumenanteile der flüssigen und der gasförmigen Phase - beispielsweise bei der Ölförderung - unterliegen sehr grossen Schwankungen, was unter anderem an der natürliche Quelle liegt.With multiphase pumps, for example, fluids are conveyed which contain a mixture of several phases, for example one or more liquid phases and one or more gaseous phases. Such pumps have long been well known and are made in numerous embodiments. The range of application of these pumps is very wide, they are used for example in the oil and gas industry for conveying or transporting petroleum or petroleum-natural gas mixtures. The fluid properties can change over time, z. B. the phase composition or phase distribution of the multiphase fluid to be delivered. The relative volume fractions of the liquid and the gaseous phase - for example in the oil extraction - are subject to very large fluctuations, which is partly due to the natural source.
Gerade bei der Erdöl- und der Erdgasförderung können aber auch sehr starke Änderungen in der Viskosität des Fluids auftreten, was im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert werden soll. Bei der Ausnutzung bzw. der Abschöpfung von Ölfeldern nimmt mit der Zeit - also mit zunehmender Abschöpfung - der natürlich vorhandene Druck in einem Ölfeld ab. Es ist eine bekannte Technologie, bei abnehmenden natürlichen Druck im Ölfeld mittels sogenannter Injektionspumpen Wasser in das Ölfeld zu drücken, um so den Druck am Bohrloch zu erhöhen. Dies hat aber zur Folge, dass die Pumpe, mit welcher das Öl aus dem Bohrloch gefördert wird, über den Zeitraum der Abschöpfung mit einem Fluid variierender Viskosität bzw. innerer Reibung konfrontiert wird: Zum Beginn der Abschöpfung ist es meistens das natürliche Öl oder Öl-Gas-Gemisch, das gefördert wird. Mit zunehmendem Wassereintrag in das Ölfeld ändert sich das Fluid irgendwann zu einer Wasser-Öl-Emulsion, die eine wesentlich höhere innere Reibung aufweist, die um Grössenordnungen höher sein kann als die des anfänglich geförderten Erdöls. Mit weiterer Abschöpfung wird dann der Wasseranteil in dem geförderten Fluid so gross, dass es wieder zu einem starken Abfall der Viskosität kommt.Especially in oil and gas production but also very strong changes in the viscosity of the fluid can occur, which will be explained below by way of example. During the utilization or the skimming off of oil fields the naturally existing pressure in an oil field decreases with time - thus with increasing skimming. It is a known technology to press water into the oil field with decreasing natural pressure in the oil field by means of so-called injection pumps in order to increase the pressure at the borehole. However, this has the consequence that the pump, with which the oil is transported from the borehole, is confronted with a fluid of varying viscosity or internal friction over the period of the skimming: at the beginning of the skimming it is usually the natural oil or oil. Gas mixture being extracted. With increasing water input into the oil field, the fluid eventually changes to a water-oil emulsion, which has a much higher internal friction, which can be orders of magnitude higher than that of the initially extracted oil. With further skimming the proportion of water in the pumped fluid is so large that it comes again to a sharp drop in viscosity.
Dieses deutlich ausgeprägte Maximum, das bei der Abschöpfung eines Ölfeldes im zeitlichen Verlauf der Viskosität - meist erst nach einigen Jahren - auftritt, macht es manchmal notwendig, die Pumpen, mit denen das Öl aus dem Bohrloch gefördert oder durch Pipelines transportiert wird, oder zumindest ihre Hydraulik zu ersetzen. Dies ist natürlich für den Betreiber der Ölförderung auch aus wirtschaftlichen Gründen nicht wünschenswert, er hat das Bedürfnis, dass die zur Förderung des Erdöls/Erdgases eingesetzten Pumpen möglichst über den gesamten Zeitraum der Abschöpfung des Ölfeldes ohne Austausch der Pumpe oder Austausch der Pumpenhydraulik effizient betreibbar sind.This pronounced maximum, which occurs during the skimming of an oil field in the time course of the viscosity - usually only after a few years - sometimes makes it necessary to pump the oil from the well or transported by pipelines, or at least to replace their hydraulics. This is of course not desirable for the operator of the oil production for economic reasons, he has the need that the pumps used to promote the oil / natural gas efficient over the entire period of skimming the oil field without replacement of the pump or exchange the pump hydraulics are operated efficiently ,
Dies trifft in besonderem Masse für solche Anwendungen zu, bei denen die Pumpen sehr schwer oder nur mit erheblichem Aufwand zugänglich sind. Als Beispiel seien hier Untersee-Anwendungen genannt. Heutzutage werden im zunehmende Masse auch Ölfelder abgeschöpft, die sich unter dem Meeresboden befinden und die mit den klassischen Bohrplattformen nicht mehr oder nicht in wirtschaftlicher Weise erreichbar sind. Daher ist man dazu übergegangen, Teile der Förderausrüstung, wie beispielsweise Pumpen, auf dem Meeresboden in der Nähe des Austritts des Bohrlochs zu platzieren. Von dort wird das geförderte Öl dann zu Verarbeitungs- oder Speichereinrichtungen transportiert, die an Land, auf einer Bohrplattform oder auf einem Schiff als FPSO (Floating Production Storage and Offloading Unit) vorgesehen sind. Gerade in solchen Fällen, in denen die Pumpe als Unterseepumpe für den Betrieb auf dem Meeresboden ausgelegt ist, ist es natürlich wünschenswert, eine Pumpe zur Verfügung zu haben, die auch Fluide mit stark veränderlicher Viskosität effizient und wirtschaftlich fördern kann, ohne dass dazu ein Austausch beispielsweise der Pumpenhydraulik notwendig ist.This is particularly true for such applications in which the pumps are very difficult or accessible only with considerable effort. As an example, subsea applications are mentioned here. Nowadays, more and more oil fields are being siphoned off, which are located under the seafloor and which are no longer or economically attainable with conventional drilling platforms. Therefore, one has begun to place parts of the production equipment, such as pumps, on the seabed near the exit of the wellbore. From there, the extracted oil is then transported to processing or storage facilities on land, on a drilling platform or on a ship as FPSO (Floating Production Storage and Offloading Unit). Especially in those cases where the pump is designed as a subsea pump for operation on the seabed, it is of course desirable to have available a pump that can efficiently and economically deliver even fluids of highly variable viscosity without requiring replacement For example, the pump hydraulics is necessary.
Eine mögliche Lösung ist es, in der Rückführleitung, mit welcher das durch den Entlastungskanal strömende Fluid von der Niederdruckseite des Rotors des Entlastungskolbens zum Einlass der Pumpe zurückgeführt wird, mit einem einstellbaren Ventil zu versehen, um so die Rückführung mehr oder weniger stark drosseln zu können. Damit kann man zumindest prinzipiell auch den Fluss durch den Entlastungsspalt zwischen dem Rotor und dem Stator beeinflussen. Eine Drosselung in der Rückführleitung kann allerdings zu einer erheblichen Reduzierung des vom Entlastungskolben generierten Axialschubausgleichs führen, weil der Druckabfall über den Entlastungskolben deutlich kleiner wird. Dies bedeutet aber, dass die vom Axiallager der Welle aufzunehmenden hydraulischen Schubkräfte grösser werden, wofür dieses ausgelegt sein muss, weil ansonsten die Gefahr besteht, dass das Axiallager überlastet wird oder einem deutlich höheren Verschleiss unterliegt.A possible solution is to provide in the return line, with which the fluid flowing through the discharge channel from the low pressure side of the rotor of the discharge piston to the inlet of the pump is provided with an adjustable valve so as to be able to throttle the feedback more or less , Thus, at least in principle, it is also possible to influence the flow through the relief gap between the rotor and the stator. However, throttling in the return line can lead to a significant reduction of the axial thrust balance generated by the relief piston because the pressure drop across the relief piston is significantly smaller. However, this means that the axial thrust of the shaft to be absorbed hydraulic thrust forces greater be, for which this must be designed, otherwise there is a risk that the thrust bearing is overloaded or subject to significantly higher wear.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe bereitzustellen, die zum effizienten und wirtschaftlichen Fördern von Fluiden mit stark variierender Viskosität geeignet ist, ohne dass dafür ein Austausch der Pumpenhydraulik, also des Laufrads oder der Laufräder und/oder des Entlastungskolbens vorgenommen werden muss.It is therefore an object of the invention to provide a pump which is suitable for the efficient and economic delivery of fluids with greatly varying viscosity, without requiring an exchange of the pump hydraulics, so the impeller or impellers and / or the relief piston must be made.
Der diese Aufgabe lösenden Gegenstand der Erfindung ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gekennzeichnet.The object of the invention solving this object is characterized by the features of the independent claim.
Erfindungsgemäss wird also eine Pumpe zum Fördern eines Fluids mit variierender Viskosität vorgeschlagen, welche ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für das zu fördernde Fluid aufweist, sowie mindestens ein Laufrad zum Fördern des Fluids vom Einlass zum Auslass, welches auf einer drehbaren Welle angeordnet ist, sowie einen Entlastungskolben zur Axialschubentlastung, wobei der Entlastungskolben einen drehfest mit der Welle verbundenen Rotor mit einer Hochdruckseite und mit einer Niederdruckseite umfasst, einen bezüglich des Gehäuses stationären Stator, und einen Entlastungskanal, der sich zwischen dem Rotor und dem Stator von der Hochdruckseite bis zur Niederdruckseite des Rotors erstreckt und wobei ferner ein Rückführkanal vorgesehen ist, welcher die Niederdruckseite des Rotors mit dem Einlass verbindet, wobei mindestens ein Zwischenkanal vorgesehen ist, welcher zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Rotors in den Entlastungskanal einmündet, und wobei ein Sperrorgan zur Beeinflussung der Strömung durch den Zwischenkanal vorgesehen ist.Thus, according to the invention, a pump is proposed for conveying a fluid of varying viscosity, which has a housing with an inlet and an outlet for the fluid to be delivered, and at least one impeller for conveying the fluid from the inlet to the outlet, which is arranged on a rotatable shaft and a relief piston for axial thrust relief, the relief piston comprising a rotatably connected to the shaft rotor having a high pressure side and a low pressure side, a housing stationary stator, and a discharge channel extending between the rotor and the stator from the high pressure side to Low pressure side of the rotor extends and further wherein a return passage is provided, which connects the low pressure side of the rotor with the inlet, wherein at least one intermediate channel is provided which opens between the high pressure side and the low pressure side of the rotor in the discharge channel, u nd wherein a blocking member is provided for influencing the flow through the intermediate channel.
Durch den Zwischenkanal und das Sperrorgan kann die Länge des Entlastungskanals geändert werden und damit auch die wirksame Länge des Rotors des Entlastungskolbens. Da, wie bereits erwähnt, der Durchmesser und die Länge des Rotors des Entlastungskolbens einen entscheidenden Einfluss sowohl auf die Flussrate durch den Entlastungskolben als auch auf die im Entlastungskanal durch Reibung verursachte Temperaturerhöhung hat, kann somit durch den Zwischenkanal in sehr einfacher Weise eine Anpassung an starker Änderungen in der Viskosität des Fluids vorgenommen werden. Funktionell hat man nun nämlich quasi die Möglichkeit, die Pumpe mit mindestens zwei unterschiedlichen Entlastungskolben verschiedener Länge zu betreiben. Bei vergleichsweise geringerer Viskosität des Fluids - also beispielsweise zum Beginn der Abschöpfung eines Ölfelds, wenn im Wesentlichen nur Öl bzw. ein Öl-Gas-Gemisch gefördert wird - kann man mit dem Sperrorgan den Zwischenkanal absperren, sodass die Leckageströmung über die gesamte Länge des Entlastungskolbens bis zur Niederdruckseite des Rotors geführt und von dort durch den Rückführkanal abgeführt wird. Kommt es zu einem starken Ansteigen der Viskosität - also beispielsweise zu dem beschriebenen Peak in der inneren Reibung des Fluids, der auf der Ausbildung der Öl-Wasser-Emulsion beruht - so wird das Sperrorgan und damit der Zwischenkanal vollständig geöffnet, sodass nun im Wesentlichen der gesamte Leckagestrom aus dem Entlastungskanal in den Zwischenkanal abgeführt wird. Da somit der wirksame Länge, das heisst der durchströmte Teil des Entlastungskanals verkürzt wird, reduziert sich auch deutlich die im Entlastungsspalt durch Reibung generierte Temperaturerhöhung. Diese ist proportitional zum Verhältnis aus Reibung und Leckagerate. Auf diese Weise ist die Pumpe und insbesondere der Entlastungskolben in einfacher Weise auch an starke Änderungen in der Viskosität des Fluids anpassbar. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die vom Entlastungskolben generierte Axialschubentlastung, wenn überhaupt, zumindest keine wesentliche Reduzierung erfährt, sodass keine grössere Belastung von dem Axiallager der Welle aufgenommen werden muss.Through the intermediate channel and the locking member, the length of the discharge channel can be changed and thus also the effective length of the rotor of the discharge piston. Since, as already mentioned, the diameter and length of the rotor of the relief piston has a decisive influence both on the flow rate through the relief piston and on the temperature increase caused by friction in the discharge channel, can thus be made by the intermediate channel in a very simple manner to adapt to major changes in the viscosity of the fluid. Functionally, one has now virtually the opportunity to operate the pump with at least two different discharge piston of different lengths. With comparatively lower viscosity of the fluid - that is, for example, at the beginning of the skimming of an oil field, when essentially only oil or an oil-gas mixture is promoted - you can shut off the intermediate channel with the blocking member, so that the leakage flow over the entire length of the discharge piston is guided to the low pressure side of the rotor and discharged from there through the return channel. If there is a strong increase in viscosity - for example, to the described peak in the internal friction of the fluid, which is based on the formation of the oil-water emulsion - so the obturator and thus the intermediate channel is fully opened, so now essentially the entire leakage current is discharged from the discharge channel into the intermediate channel. Since thus the effective length, that is, the flow-through part of the discharge channel is shortened, also significantly reduces the generated in the relief gap by friction increase in temperature. This is proportional to the relationship between friction and leakage rate. In this way, the pump and in particular the discharge piston in a simple manner also adaptable to strong changes in the viscosity of the fluid. It is particularly advantageous that the discharge piston generated by the axial thrust relief, if any, undergoes at least no significant reduction, so no greater burden must be absorbed by the thrust bearing of the shaft.
Vorzugsweise umfasst der Entlastungskanal einen Ringraum, welcher die Welle umgibt und in welchen der Zwischenkanal einmündet. Hierdurch ist es gewährleistet, dass bei geöffnetem Zwischenkanal das Fluid besonders gut und gleichmässig aus dem Entlastungskanal in den Zwischenkanal abfliessen kann.Preferably, the discharge channel comprises an annular space which surrounds the shaft and into which the intermediate channel opens. This ensures that, when the intermediate channel is open, the fluid can flow out of the discharge channel into the intermediate channel particularly well and evenly.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weist der Entlastungskanal ausserhalb des Ringraums eine konstante Breite in radialer Richtung auf. Durch den Zwischenkanal wird der Entlastungskanal aufgeteilt in einen ersten Teilkanal und in einen zweiten Teilkanal, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Vorzugsweise weist der Entlastungskanal ausserhalb des Ringraums in dem ersten Teilkanal oder in dem zweiten Teilkanal - besonders bevorzugt in beiden Teilkanälen - eine konstante Breite in radialer Richtung auf. Dabei kann die Breite des ersten Teilkanals gleich gross sein wie die Breite des zweiten Kanals oder der erste und der zweite Teilkanal haben unterschiedliche Breiten. Durch die unterschiedlichen Breiten der beiden Teilkanäle lässt sich die Leckagerate durch den Entlastungskanal in einfacher Weise vergrössern oder verkleinern.According to a preferred embodiment, the discharge channel outside the annulus has a constant width in the radial direction. Through the intermediate channel of the discharge channel is divided into a first sub-channel and a second sub-channel, which are arranged in the axial direction one behind the other. Preferably, the relief channel outside the annulus in the first sub-channel or in the second sub-channel - particularly preferably in both sub-channels - a constant width in the radial direction. The width of the first sub-channel may be the same size as the width of the second channel or the first and the second sub-channel have different widths. Due to the different widths of the two sub-channels, the leakage rate through the discharge channel can be increased or reduced in a simple manner.
Vorzugsweise ist der Zwischenkanal mit dem Einlass verbunden, damit auch das über den Zwischenkanal ausströmende Fluid zum Einlass der Pumpe zurückgeführt wird.Preferably, the intermediate channel is connected to the inlet, so that also the effluent via the intermediate channel fluid is returned to the inlet of the pump.
In einer bevorzugten Ausführungsform mündet der Zwischenkanal in den Rückführkanal ein, weil hierdurch die konstruktive Gestaltung einfacher ist.In a preferred embodiment, the intermediate channel opens into the return channel, because in this way the structural design is simpler.
Eine vorteilhafte Massnahme besteht darin, dass das Sperrorgan als einstellbares Durchflussventil ausgestaltet ist. Somit kann der Fluss in dem Zwischenkanal auch auf Werte zwischen Null und dem maximalen Fluss eingestellt werden.An advantageous measure is that the locking member is designed as an adjustable flow control valve. Thus, the flow in the intermediate channel can also be set to values between zero and the maximum flow.
Auch kann es je nach Anwendung vorteilhaft sein, wenn ein zweites Sperrorgan zur Beeinflussung der Strömung durch den Rückführkanal vorgesehen ist. Somit kann auch im Rückführkanal die Flussrate aktiv beeinflusst werden.Depending on the application, it may also be advantageous if a second blocking member is provided for influencing the flow through the return channel. Thus, the flow rate can also be actively influenced in the return channel.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrorgan als Dreiwegeventil ausgestaltet, welches mit dem Einlass, mit dem Rückführkanal und mit dem Zwischenkanal strömungsverbunden ist. Durch diese Massnahme kann in apparativ besonders einfacher Weise wahlweise der Rückführkanal oder der Zwischenkanal mit dem Einlass der Pumpe strömungsverbunden werden.According to a preferred embodiment, the blocking member is designed as a three-way valve, which is flow-connected to the inlet, to the return channel and to the intermediate channel. As a result of this measure, the return channel or the intermediate channel can be fluidly connected to the inlet of the pump in a particularly simple manner in terms of apparatus.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist ein Umschaltorgan vorgesehen, mit welchem der Rückführkanal wahlweise mit dem Einlass der Pumpe oder mit einer Quelle für ein zweites Fluid verbindbar ist, sodass das zweite Fluid durch den Rückführkanal der Niederdruckseite des Rotors zuführbar ist. Somit ist es beispielsweise möglich durch den Rückführkanal ein zweites Fluid zuzuführen, das beispielsweise als Sperrflüssigkeit dienen kann.In a likewise preferred embodiment, a switching device is provided, with which the return channel is selectively connectable to the inlet of the pump or to a source of a second fluid, so that the second fluid can be fed through the return channel of the low pressure side of the rotor. Thus, it is possible, for example, to supply a second fluid through the return channel, which can serve as a barrier fluid, for example.
Es ist natürlich auch möglich, dass das Sperrorgan derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der Zwischenkanal mit einer Quelle für ein zweites Fluid verbindbar ist, sodass das zweite Fluid durch den Zwischenkanal in den Entlastungskanal einbringbar ist. Das zweite Fluid kann z. B. ein Demulgator sein, mit welchem die Viskosität des Fluids im Entlastungsspalt herabgesetzt werden kann. Auch dies ist eine Möglichkeit, in den Entlastungskanal ein zweites Fluid einzubringen, um hier die Viskosität des Fluids zu reduzieren.It is of course also possible that the blocking member is arranged and configured such that the intermediate channel is connectable to a source of a second fluid, so that the second fluid can be introduced through the intermediate channel in the discharge channel. The second fluid may, for. B. may be a demulsifier, with which the viscosity of the fluid can be reduced in the relief gap. This is also a possibility to introduce a second fluid into the discharge channel in order to reduce the viscosity of the fluid.
Je nach Anwendung kann es auch vorteilhaft sein, wenn mehrere Zwischenkanäle vorgesehen sind, von denen jeder zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite in den Entlastungskanal einmündet. Durch diese Massnahme lassen sich noch mehr unterschiedliche Längen des Entlastungskanals realisieren.Depending on the application, it may also be advantageous if a plurality of intermediate channels are provided, each of which opens into the discharge channel between the high-pressure side and the low-pressure side. By this measure, even more different lengths of the discharge channel can be realized.
Insbesondere bei Anwendungen an schwer zugänglichen Orten - beispielsweise auf dem Meeresboden ist es eine vorteilhafte Massnahme, wenn das Sperrorgan oder das zweite Sperrorgan oder das Umschaltorgan ferngesteuert bedienbar sind. Hierzu können diese Organe beispielsweise als elektrisch oder hydraulisch oder elektrisch-hydraulisch betätigbare Organe ausgestaltet sein, die dann beispielsweise über eine Signalleitung oder je nach Anwendung auch drahtlos ferngesteuert werden können.In particular, in applications in hard to reach places - for example, on the seabed, it is an advantageous measure if the locking member or the second locking member or the switching means are remotely operated. For this purpose, these organs may be configured, for example, as electrically or hydraulically or electrically-hydraulically actuated organs, which can then be controlled remotely, for example via a signal line or depending on the application.
Die erfindungsgemässe Pumpe kann insbesondere auch als mehrstufige Pumpe ausgestaltet sein, die mindestens ein zweites, auf der Welle angeordnetes Laufrad zum Fördern des Fluids aufweist.In particular, the pump according to the invention can also be configured as a multi-stage pump which has at least one second impeller arranged on the shaft for conveying the fluid.
Auch ist es möglich die erfindungsgemässe Pumpe als Multiphasenpumpe auszugestalten.It is also possible to design the inventive pump as a multi-phase pump.
Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemässe Pumpe auch als Zentrifugalpumpe für die Öl- und Gasförderung, insbesondere als Unterseepumpe für die unterseeischen Öl- und Gasförderung ausgestaltet sein.Particularly preferably, the pump according to the invention can also be designed as a centrifugal pump for oil and gas production, in particular as a subsea pump for undersea oil and gas production.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous measures and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen, teilweise im Schnitt:
- Fig. 1:
- ein schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Pumpe mit Ausbruch,
- Fig. 2:
- eine vergrösserte Schnittdarstellung des Entlastungskolbens des ersten Ausführungsbeispiels in einem ersten Betriebszustand,
- Fig. 3:
- eine vergrösserte Schnittdarstellung des Entlastungskolbens des ersten Ausführungsbeispiels in einem zweiten Betriebszustand,
- Fig. 4:
- wie
Fig. 1 , jedoch für eine erste Variante, - Fig. 5:
- wie
Fig. 1 , jedoch für eine zweite Variante, - Fig. 6:
- wie
Fig. 1 , jedoch für eine dritte Variante, - Fig. 7:
- eine vergrösserte Schnittdarstellung des Entlastungskolbens in einem Betriebszustand der dritten Variante aus
Fig. 6 , - Fig. 8:
- wie
Fig. 1 , jedoch für eine vierte Variante, - Fig. 9:
- eine vergrösserte Schnittdarstellung des Entlastungskolbens in einem Betriebszustand der vierten Variante aus
Fig. 8 , und - Fig. 10:
- wie
Fig. 2 jedoch für ein zweites Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Pumpe.
- Fig. 1:
- 1 is a schematic representation of a first embodiment of a pump according to the invention with an outbreak,
- Fig. 2:
- an enlarged sectional view of the discharge piston of the first embodiment in a first operating state,
- 3:
- an enlarged sectional view of the discharge piston of the first embodiment in a second operating state,
- 4:
- as
Fig. 1 but for a first variant, - Fig. 5:
- as
Fig. 1 but for a second variant, - Fig. 6:
- as
Fig. 1 but for a third variant, - Fig. 7:
- an enlarged sectional view of the relief piston in an operating state of the third variant
Fig. 6 . - Fig. 8:
- as
Fig. 1 but for a fourth variant, - Fig. 9:
- an enlarged sectional view of the relief piston in an operating state of the fourth variant
Fig. 8 , and - Fig. 10:
- as
Fig. 2 however, for a second embodiment of a pump according to the invention.
Die Pumpe 1 hat ein Gehäuse 2 mit einem Einlass 3, durch welchen ein zu förderndes Fluid in die Pumpe 1 einbringbar ist, wie dies der Pfeil E in
Auf der Welle 5 ist mindestens ein Laufrad 7 zum Fördern des Fluids vorgesehen, von welchem in
Ferner kann die erfindungsgemässe Pumpe 1 als Einphasenpumpe oder als Multiphasenpumpe ausgestaltet sein. Multiphasenpumpen sind für die Förderung von Multiphasenfluiden ausgestaltet, können also Fluide fördern, die ein Gemisch aus mehreren Phasen enthalten, beispielsweise eine oder mehrere flüssige Phasen, z. B. in Form einer Emulsion, und eine oder mehrere gasförmige Phasen. Vorzugsweise ist die erfindungsgemässe Pumpe 1 als Multiphasenpumpe ausgestaltet.Furthermore, the inventive pump 1 can be configured as a single-phase pump or as a multi-phase pump. Multiphase pumps are designed to deliver multiphase fluids, so they can deliver fluids containing a mixture of multiple phases, such as one or more several liquid phases, eg. In the form of an emulsion, and one or more gaseous phases. Preferably, the inventive pump 1 is designed as a multi-phase pump.
Die erfindungsgemässe Pumpe ist bevorzugt eine Pumpe 1 zum Fördern von hochviskosen Fluiden, wie beispielsweise Öl oder Erdöl. Mit hochviskosen Fluiden sind im Rahmen dieser Anmeldung Fluide gemeint, deren dynamische Viskosität mindestens 65 cP (centipoise) beträgt, was in SI-Einheiten 0.065 Pa s (Pascal-Sekunde) entspricht.The pump according to the invention is preferably a pump 1 for conveying highly viscous fluids, such as oil or petroleum. For the purposes of this application, high-viscosity fluids mean fluids whose dynamic viscosity is at least 65 cP (centipoise), which corresponds to 0.065 Pa · s (pascal-seconds) in SI units.
Im Folgenden wird mit beispielhaftem Charakter auf den für die Praxis wichtigen Anwendungsfall Bezug genommen, dass die erfindungsgemässe Pumpe in der Öl- und Gasförderung eingesetzt wird, beispielsweise als Förderpumpe, mit dem das Öl oder Öl-Gas-Gemisch aus dem Bohrloch eines Ölfelds gefördert wird oder als Transportpumpe, mit welchem das Öl bzw. das Öl-Gas-Gemisch durch eine Pipeline gefördert wird. Insbesondere kann die erfindungsgemässe Pumpe 1 als Untersee- (Subsea-) Pumpe ausgestaltet sein, die beispielsweise bei der unterseeischen Öl- und Gasförderung auf dem Meeresgrund betrieben wird. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf solche Ausgestaltungen und Anwendungen beschränkt ist.In the following, reference is made by way of example to the case of application which is important for practical application in that the pump according to the invention is used in the extraction of oil and gas, for example as a feed pump with which the oil or oil-gas mixture is conveyed out of the borehole of an oilfield or as a transport pump, with which the oil or the oil-gas mixture is conveyed through a pipeline. In particular, the pump 1 according to the invention can be designed as a subsea pump, which is operated on the seabed, for example, during subsea oil and gas production. It is understood, however, that the invention is not limited to such embodiments and applications.
Das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpe 1 (siehe
Der Entlastungskolben 6 weist einen im wesentlichen zylindrischen Rotor 61 auf, der drehfest mit der Welle 5 verbunden ist sowie einen bezüglich des Gehäuses 2 stationären Stator 62. Der Stator 62 kann beispielsweise als eine zylindrische Hülse ausgestaltet sein, die fest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist oder Teile des Gehäuses 2 selbst können den Stator 62 bilden . Der Rotor 61 hat einen Durchmesser D. Er weist eine Hochdruckseite 65 auf und eine Niederdruckseite 64. Die Stirnfläche auf der Hochdruckseite 65 des Rotors 61 wird mit einem Hochdruck beaufschlagt. Dies geschieht typischerweise, indem man die Hochdruckseite 65 des Rotors 61 mit dem unter Druck stehenden Fluid hinter dem Laufrad 7 bzw. hinter dem letzten Laufrad 7 beaufschlagt. Die Hochdruckseite 65 ist dann im Wesentlichen mit dem Druck beaufschlagt, welches das Fluid am Auslass 4 der Pumpe 1 aufweist. Die Niederdruckseite 64 ist mit einem deutlich geringeren Druck beaufschlagt, typischerweise mit dem Druck, den das Fluid am Einlass 3 der Pumpe aufweist. Dies kann beispielsweise so realisiert werden, dass die Niederdruckseite 64 des Rotors 61 über einen Rückführkanal 8 mit dem Einlass 3 der Pumpe strömungsverbunden ist.The
Der Durchmesser D des Rotors 61 und der Innendurchmesser des zylindrischen Stators 62 sind so bemessen, dass zwischen der Mantelfläche des Rotors 61 und der inneren Mantelfläche des Stators 62 ein ringförmiger Entlastungskanal 63 ausgebildet ist, welcher sich zwischen dem Rotor 61 und dem Stator 62 von der Hochdruckseite 65 in axialer Richtung bis zur Niederdruckseite 64 erstreckt. Die Breite B1 bzw. B2 des Entlastungskanals 63 in radialer Richtung entspricht dabei der Differenz aus dem Innendurchmesser des Stators 62 und dem Durchmesser D des Rotors.The diameter D of the
Die Leckageströmung Q durch den Entlastungskanal 63 verursacht unter anderem die folgenden drei Wirkungen:
- Zum ersten bedeutet die Leckageströmung Q einen Volumenverlust des von der Pumpe geförderten Fluids. Es ist daher wünschenswert, dass diese Leckageverluste nicht zu gross werden.
- First, the leakage flow Q means a volume loss of the fluid delivered by the pump. It is therefore desirable that these leakage losses do not become too large.
Zum zweiten - und dies trifft insbesondere bei hochviskosen Fluiden zu - erzeugt das Fluid beim Durchströmen des Entlastungskanals 63 durch Anhaften bzw. durch Reiben insbesondere am Stator 62 und am Rotor 61, in erheblichem Masse Wärme, die zu deutlichen Temperaturanstiegen im Entlastungsspalt 63 bzw. den ihn umgebenden Komponenten führen kann. Diese Temperaturerhöhungen können so stark sein, bei sehr hoch viskosen Fluiden z. B. 100°C und mehr, dass die Anlage nicht mehr sicher betrieben werden kann bzw. dass sie zu Schädigungen an Komponenten der Pumpe 1 führen können.Secondly - and this is especially true for highly viscous fluids - the fluid generated when flowing through the
Zum dritten bewirkt -neben der Axialschubentlastung- die durch den Entlastungskanal 63 stömende Leckageströmung Q aufgrund des Lomakin-Effektes Kräfte, welche die Welle 5 zentrieren, stablisieren und Schwingungen dämpfen. Dieser Effekt wirkt sich also positiv auf die Dämpfung und die Steifigkeit der Wellenlagerung aus.Thirdly, besides the axial thrust relief, the leakage flow Q flowing through the
Die Leckageströmung Q und ihre Wirkungen hängen von sehr vielen Parametern ab, zum einen von den geometrischen Abmessungen des Entlastungskolbens 6, welches bei vorgegebenem Innendurchmesser des Stators 63 hauptsächlich der Durchmesser D des Rotors 61 sind, der die Breite B1, B2 des Entlastungskanals 63 bestimmt, sowie die Länge L des Rotors 63 in axialer Richtung, der die axiale Länge des Entlastungskanals 63 bestimmt. Diese Parameter müssen bei der Auslegung der Pumpe 1 für ihren späteren Einsatz, der sich häufig über eine Betriebsdauer von vielen Jahren erstreckt, festgelegt werden und können dann später nur noch durch einen Austausch der hydraulischen Komponenten der Pumpe 1 verändert werden.The leakage flow Q and its effects depend on very many parameters, on the one hand of the geometric dimensions of the
Die Leckageströmung Q hängt auch ab von der Druckdifferenz, die über den Rotor 61 abfällt, von der Drehzahl, d.h. der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe 1, und natürlich von den Eigenschaften des zu fördernden Fluids, wie seine Dichte oder seine Viskosität.The leakage flow Q also depends on the pressure difference falling across the
Man strebt daher bei der Auslegung einer Pumpe 1 danach, alle diese Effekte zu berücksichtigen und die Pumpe so auszugestalten, dass sie über viele Jahre für den jeweiligen Anwendungsfall betreibbar ist, nach Möglichkeit ohne Austausch der hydraulischen Komponenten.It is therefore desirable in the design of a pump 1, to consider all these effects and to design the pump so that it can be operated for many years for the particular application, if possible without replacing the hydraulic components.
Damit die Pumpe 1 insbesondere für die kontinuierliche Förderung eines Fluids mit stark variierender Viskosität geeignet ist, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, mindestens einen Zwischenkanal 9 vorzusehen, welcher zwischen der Hochdruckseite 65 und der Niederdruckseite 64 des Rotors 61 in den Entlastungskanal einmündet, sowie ein Sperrorgan 10 (siehe
Durch diese Massnahme lässt sich die Länge des Entlastungsspalts 63 variieren, wodurch sich eine besonders gute Anpassbarkeit an Variationen in der Viskosität des Fluids ergibt.By this measure, the length of the
Bei dem hier beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Pumpe 1 umfasst der Entlastungskanal 63 einen Ringraum 66, welcher die Welle 5 umgibt, und in welchen der Zwischenkanal 9 einmündet. Der Ringraum 66 weist in radialer Richtung eine Breite auf die grösser ist als die Breite B1, B2 des Entlastungskanals 63. Ausserhalb des Ringraums 66 weist der Entlastungskanal 63 über seine axiale Länge gesehen eine konstante Breite B1 bzw. B2 in radialer Richtung auf. Es sind natürlich auch Ausgestaltungen möglich, bei denen diese Breiten B1 oder B2 variieren.In the first embodiment of the pump 1 described here, the
Der Zwischenkanal ist wie in
Vorzugsweise ist das Sperrorgan 10 als ein einstellbares Durchflussventil 10 ausgestaltet, mit welchem die Leckagestömung Q durch den Zwischenkanal 9 auch auf Werte zwischen Null und dem maximalen Durchfluss einstellbar ist.Preferably, the blocking
Sowohl der Rückführkanal 8 als auch der Zwischenkanal 9 sind jeweils so ausgestaltet, insbesondere bezüglich ihres Durchmessers, dass sie zumindest keine wesentliche Drosselwirkung auf die Leckageströmung Q haben, d. h. der jeweilige Strömungswiderstand des Rückführkanals 8 und des Zwischenkanals 9 ist so bemessen, dass er wesentlich kleiner ist als der Strömungswiderstand des Entlastungskanals 63. Dadurch lässt es sich gewährleisten, dass im wesentlichen die gesamte Druckdifferenz über den Rotor 61 abfällt und dieser somit eine grösstmögliche Axialschubentlastung generiert.Both the
Im Folgenden wird die Funktion der Pumpe 1 und insbesondere die Anpassung an die variierende Viskosität des Fluids am Beispiel des Abschöpfens eines Ölfelds mit der Pumpe 1 beschrieben.In the following, the function of the pump 1 and in particular the adaptation to the varying viscosity of the fluid will be described using the example of skimming an oil field with the pump 1.
Zum Beginn der Abschöpfung eines Ölfelds steht dieses noch unter seinem ursprünglichen, natürlichen Druck und das Öl bzw. das Öl-Gas-Gemisch kann oft ohne zusätzliche Massnahmen mit der Pumpe 1 gefördert werden. Ein typischer Wert für die Viskosität des Öls in dieser Phase beträgt beispielsweise 100 - 200 cP.At the beginning of the withdrawal of an oil field this is still under its original natural pressure and the oil or the oil-gas mixture can often be promoted without additional measures with the pump 1. A typical value for the viscosity of the oil in this phase is for example 100-200 cP.
In dieser Phase wird die Pumpe 1 in dem in
Die Breite B1 des ersten Teilkanals 631 in radialer Richtung und die Breite B2 des zweiten Teilkanals 632 in radialer Richtung sind vorzugsweise jeweils konstant über die axiale Länge L1 des ersten bzw. L2 des zweiten Teilkanals. Dabei können die Breiten B1 und B2 gleich oder unterschiedlich sein. Gestaltet man die Breiten B1 und B2 unterschiedlich, so ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit die Breite des Entlastungskanals zu ändern, wodurch man einen weiteren Parameter zur Beeinflussung der Leckageströmung Q zur Verfügung hat.The width B1 of the
Unterschiedliche Breiten B1 und B2 lassen sich beispielsweise dadurch realisieren, dass der Rotor 61 in dem Bereich, in welchem er den ersten Teilkanal 631 bildet, einen anderen Durchmesser D aufweist als in dem Bereich, in welchem er den zweiten Teilkanal 632 bildet. Natürlich ist es auch möglich, den Durchmesser D des Rotors 61 über seine gesamte axiale Länge L konstant auszugestalten und den Stator 62 im Bereich des ersten Teilkanals 631 mit einem anderen Innendurchmesser auszugestalten als im Bereich des zweiten Teilkanals 632. Ferner ist eine Kombination der beiden Massnahmen möglich, also sowohl den Innendurchmesser des Stators 62 als auch den Durchmesser D des Rotors über die jeweilige axiale Länge L unterschiedlich auszugestalten.Different widths B1 and B2 can be realized, for example, in that the
Wie eingangs beschrieben, nimmt mit fortschreitender Abschöpfung des Ölfelds der natürliche Druck im Ölfeld ab und man beginnt beispielsweise Wasser in das Ölfeld zu drücken, um dadurch den Druck im Ölfeld wieder zu erhöhen, bzw. den Druckabfall zu kompensieren. Durch diese Wassereinspritzung kommt es mit zunehmender Zeit immer stärker zur Ausbildung einer Emulsion aus dem Öl und dem Wasser und diese Emulsion muss nun von der Pumpe 1 gefördert werden. Das Ausbilden der Emulsion kann mit einem drastischen Anstieg der inneren Reibung bzw. der Viskosität verbunden sein, der sich im Bereich von Grössenordnungen bewegen kann. Dieser Peak in der Viskosität im zeitlichen Verlauf bei der Abschöpfung des Ölfelds ist bekannt und er kann beispielsweise erst nach einigen Jahren der Abschöpfung auftreten.As described above, as the skimming of the oil field progresses, the natural pressure in the oil field decreases and, for example, water begins to be forced into the oil field, thereby increasing the pressure in the oil field or compensating for the pressure drop. As a result of this injection of water, the formation of an emulsion of the oil and the water increases with increasing time, and this emulsion must now be conveyed by the pump 1. Forming the emulsion can be associated with a drastic increase in internal friction or viscosity, which can vary in the order of magnitude. This peak in viscosity over time in the withdrawal of the oil field is known and it can occur, for example, only after a few years of levy.
Wenn nun die Viskosität des Fluids stark ansteigt, so verringert dies zum einen die Leckageströmung Q führt aber zum anderen zu einem drastischen Anstieg der im Entlastungsspalt 63 generierten Wärme und damit zu einem deutlichen Temperaturanstieg. Um insbesondere diesen Temperaturanstieg zu vermeiden, wird die Pumpe nun in den zweiten Betriebszustand geschaltet, der in
Das Sperrorgan 10 wird nun in die Stellung gebracht, in welcher es die Strömungsverbindung durch den Zwischenkanal 9 für die Leckageströmung Q komplett öffnet. Da der Zwischenkanal 9 nun für die Leckageströmung Q den erheblich geringeren Widerstand darstellt als der zweite Teilkanal 632 des Entlastungskanals 63, strömt der überwiegende Anteil der Leckageströmung Q von der Hochdruckseite 65 durch den ersten Teilkanal 631 der Länge L1 in den Ringraum 66 und von dort durch den Zwischenkanal 9 zum Einlass 3 der Pumpe 1. Somit ist die effektive Länge des Entlastungskanals 63 nun nur noch die Länge L1 des ersten Teilkanals 631 und somit deutlich kleiner als im ersten Betriebszustand. Hiermit lässt es sich erreichen, dass die Leckagerate erhöht und die im Entlastungskanal 63 generierte Wärme erheblich kleiner wird und somit auch die resultierende Temperaturerhöhung. Falls zusätzlich der erste Teilkanal 631 mit einer grösseren radialen Breite B1 ausgestaltet ist, als der zweite Teilkanal 632, so vergrössert sich auch die effektive Breite des Entlastungskanals 63, wodurch sich die Leckageströmung Q zusätzlich verstärken lässt.The blocking
Beim weiteren Abschöpfen des Ölfelds wird der Wasseranteil im geförderten Fluid immer grösser, wodurch die Viskosität nach Durchlaufen des durch die Emulsionsbildung bedingten Maximums wieder drastisch abfällt. Nun kann die Pumpe 1 durch Schliessen des Sperrorgans 10 wieder in den ersten Betriebszustand gebracht werden, der in
Die geeignete Wahl der Verhältnisse der Längen L1 zu L2 bzw. L1 zu L oder L2 zu L sowie der Breiten B1 bzw. B2 in radialer Richtung hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Typischerweise werden vor dem Abschöpfen eines neuen Ölfelds Kalkulationen bezüglich des Langzeitverhaltens der Abschöpfung erstellt. Beispielsweise anhand solcher Kalkulationen kann dann mithilfe von Modellrechnungen oder Simulationen ein geeigneter Wert für L, L1, L2 sowie die Breiten B1, B2 des Entlastungskanals 63 bzw. den Durchmesser D des Rotors 61 bestimmt werden.The appropriate choice of the ratios of the lengths L1 to L2 or L1 to L or L2 to L and the widths B1 and B2 in the radial direction depends on the particular application. Typically, prior to skimming a new oil field, calculations are made regarding the long-term behavior of the skimming. By means of such calculations, for example, a suitable value for L, L1, L2 as well as the widths B1, B2 of the
Es versteht sich, dass abweichend von der Darstellung in
Es versteht sich, dass die hier beschriebenen vier Varianten bzw. die erläuterten Massnahmen in beliebiger Weise miteinander kombinierbar sind.It is understood that the four variants described here or the measures explained can be combined with one another in any desired manner.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpe 1 ist noch ein zweiter Zwischenkanal 9' vorgesehen, der ebenfalls zwischen der Hochdruckseite 65 und der Niederdruckseite 64 in den Entlastungskanal 63 einmündet. Für diesen zweiten Zwischenkanal 9' ist ein weiteres Sperrorgan 10' vorgesehen, mit welchem die Leckageströmung Q in dem zweiten Zwischenkanal 9' beeinflussbar ist. Insbesondere kann der zweite Zwischenkanal 9' mittels des weiteren Sperrorgans 10' gesperrt werden, sodass keine Leckageströmung Q durch ihn hindurch strömen kann und der zweite Zwischenkanal 9' kann mittels des weiteren Sperrorgans 10' mit dem Einlass 3 der Pumpe 1 strömungsverbunden werden, sodass die Leckageströmung Q durch den zweiten Zwischenkanal 9' zum Einlass der Pumpe 1 abfliessen kann.In the second embodiment of the inventive pump 1 is still a second intermediate channel 9 'is provided, which also opens between the
Ferner weist der Entlastungskanal 63 einen zweiten Ringraum 66' auf welcher die Welle umgibt und in welchen der zweite Zwischenkanal 9' einmündet.Furthermore, the
Bei dieser Ausgestaltung mit den beiden Zwischenkanälen 9, 9' entspricht der Entlastungskanal 63 strömungstechnisch der Hintereinanderschaltung von drei Teilkanälen, nämlich eines ersten Teilkanals 631 der axialen Länge L1, der sich von der Hochdruckseite 65 bis zum Beginn des Ringraums 66 erstreckt, eines zweiten Teilkanals 632 der axialen Länge L2, der sich vom Ende des Ringraums 66 bis zum Beginn des zweiten Ringraums 66' erstreckt und eines dritten Teilkanals 633 der axialen Länge L3, der sich vom Ende des zweiten Ringraums 66' bis zur Niederdruckseite 64 des Rotor 61 erstreckt. Die jeweilige Breite B der Teilkanäle 631, 632, 633 ist in
Mit dieser Ausgestaltung können im Betriebszustand insgesamt drei Entlastungskanäle unterschiedlicher Länge realisiert werden. Lässt man die Leckageströmung Q durch den Rückführkanal 8 abströmen, so ist die effektive Länge des Entlastungskanals 63 in axialer Richtung L1 + L2 + L3, wobei diese efffektive Länge natürlich kleiner ist als die Gesamtlänge L.With this embodiment, a total of three discharge channels of different lengths can be realized in the operating state. If the leakage flow Q is allowed to flow out through the
Lässt man die Leckageströmung Q durch den zweiten Zwischenkanal 9' abströmen, so wie dies in
Lässt man die Leckageströmung Q durch den ersten Zwischenkanal 9 abströmen, dann ist die effektive Länge des Entlastungskanals 63 nur noch L1.Letting the leakage flow Q flow through the first
Auf diese Weise lassen sich also mehrere Entlastungskanäle 63 realisieren, die alle unterschiedliche Längen in axialer Richtung haben und zudem unterschiedliche Breiten B in radialer Richtung aufweisen können.In this way, therefore,
Natürlich können auch hier die Zwischenkanäle 9, 9' oder der Rückführkanal 8 zum Zuführen eines zweiten Fluids genutzt werden.Of course, here too the
Es versteht sich, dass in sinngemäss gleicher Weise auch noch mehr als zwei Zwischenkanäle 9, 9' vorgesehen sein können, die jeweils in den Entlastungskanal 63 einmünden.It is understood that in an analogous manner also more than two
Bei der erfindungsgemässen Pumpe 1 ist es auch möglich, den Rotor 61 und/oder den Stator 62 aus mehreren Teilen zusammenzusetzen. Es ist also keinesfalls notwendig, dass der Rotor 61 oder der Stator 62 einstückig ausgestaltet ist. Ferner ist es möglich, den Rotor 61 oder den Stator 62 so auszugestalten, dass der Entlastungsspalt 63 auch ausserhalb der Ringräume 66, 66' keine konstante Breite B1, B2, B aufweist, sondern sich beispielsweise in axialer Richtung gesehen verjüngt oder aufweitet. Ferner ist es möglich, die Mantelfläche des Rotors 61 oder die innere Mantelfläche des Stators 62 zu beschichten oder zu strukturieren. Weiterhin ist es möglich, auf der Hochdruckseite 65 im Bereich des Eingangs in den Entlastungskanal 63 und/oder im Entlastungskanal 63, beispielsweise an den Eingängen in die jeweiligen Teilkanäle 631, 632, 633, ein oder mehrere Swirl Brakes vorzusehen, mit denen Strömungen des Fluids in Umfangsrichtung um die Welle 5 herum in die axiale Richtung umgelenkt werden.In the case of the pump 1 according to the invention, it is also possible to assemble the
Das Sperrorgan 10, 10' und das zweite Sperrorgan 12 können als Auf-Zu-Ventile ausgestaltet sein, mit denen der Fluss durch den jeweiligen Kanal entweder ganz freigegeben oder vollständig gesperrt wird. Es ist aber auch möglich, das Sperrorgan 10, 10' oder das zweite Sperrorgan 12 als einstellbares Durchflussventil auszugestalten, mit welchem der Fluss in dem jeweiligen Kanal auf beliebige Werte zwischen Null und einem maximalen Wert einstellbar sind.The locking
Das Sperrorgan 10, 10' oder das zweite Sperrorgan 12 oder das Umschaltorgan 13 können so ausgestaltet sein, dass sie ferngesteuert bedienbar sind, beispielsweise bei unterseeischen Anwendungen über eine Signalleitung, über welche ein vorzugsweise elektrisches oder hydraulisches Signal geleitet wird, welches das jeweilige Sperrorgan oder Umschaltorgan in den jeweils gewünschten Zustand schaltet bzw. regelt. Die ferngesteuerte Bedienbarkeit kann auch signalleitungsfrei ausgestaltet sein.The blocking
Natürlich sind auch solche Ausgestaltungen der Sperrorgane 10, 10', 12 oder des Umschaltorgans 13 möglich, bei denen das jeweilige Organ 10, 10', 12 bzw. 13 manuell, also von Hand betätigt wird. Bei unterseeischen Anwendungen kann diese manuelle Einstellung auch mit Hilfe von Tauchrobotern vorgenommen werden.Of course, such embodiments of the locking
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