ITUB20154647A1 - Macchina di pompaggio - Google Patents

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ITUB20154647A1
ITUB20154647A1 ITUB2015A004647A ITUB20154647A ITUB20154647A1 IT UB20154647 A1 ITUB20154647 A1 IT UB20154647A1 IT UB2015A004647 A ITUB2015A004647 A IT UB2015A004647A IT UB20154647 A ITUB20154647 A IT UB20154647A IT UB20154647 A1 ITUB20154647 A1 IT UB20154647A1
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IT
Italy
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pumping machine
screw
tubular elements
oil
machine
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Carmelo Marrale
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Dimaco S A S Di Marrale Carmelo & C
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Description

DESCRIZIONE
''Macchina di pompaggio"
La presente invenzione è relativa ad una macchina di pompaggio.
In particolare, la presente invenzione è relativa ad una macchina di pompaggio, del tipo comprendente un sistema elettromeccanico di sollevamento di un carico.
Com'è noto, una macchina di pompaggio è una macchina operatrice che sfrutta organi meccanici in movimento (rotatorio o rettilineo alternativo) per sollevare o comunque per spostare o raccogliere materiale fluido. Questo tipo di pompe è indicato per il prelievo da pozzi trivellati caratterizzati da notevole profondità. Negli organi meccanici di tali macchine vengono usualmente utilizzati dei cilindri che sfruttano la pressione di fluidi, ad esempio cilindri idraulici, fornita da una pompa per la trasmissione di forze. Questi cilindri idraulici o pneumatici hanno il vantaggio di essere di semplice ed economica costruzione e riescono ad accumulare e riutilizzare energia tramite appositi contenitori a pressione, ma unicamente quando la loro applicazione richiede bassa precisione sulla ripetibilità della velocità di movimentazione e scarsa precisione di posizionamento.
Invece, quando l'applicazione richiede elevato controllo di forza, velocità e posizionamento, i cilindri meccanici basati sull'utilizzo della pressione di fluidi necessitano di unità molto costose per la produzione, controllo e distribuzione del fluido in pressione.
Pertanto, normalmente in questi casi si preferisce utilizzare dei sistemi di trasmissione del moto a comando/controllo elettronico, che assicurano elevato controllo su velocità e posizionamento.
Tuttavia i sistemi elettrici presentano difficoltà ad accumulare e riutilizzare efficacemente l'energia.
Una soluzione a questo problema è stata proposta nella domanda di brevetto ITCZ20140007 depositata il 14 Aprile 2014 assegnata a DIMACO S.A.S. che descrive un sistema elettromeccanico di sollevamento di un carico comprendente un cilindro comprendente una vite collegata al carico che può traslare verticalmente in discesa e in salita; un motore elettrico connesso ad un'estremità del cilindro; e mezzi di trasferimento del moto rotazionale impartito dal motore elettrico in moto traslatorio della vite. Il cilindro comprende, inoltre, un serbatoio riempito di gas comprimibile e un pistone connesso ad un'estremità della vite. Sostanzialmente il movimento traslatorio della vite permette al pistone di trasferire energia al gas del serbatoio, quando la vite è diretta verso il serbatoio, e dal gas alla vite, quando questa è diretta in direzione opposta. Inoltre, come mostrato in figura 1, viene descritta una macchina di superficie per sollevamento artificiale di olio da pozzi nel sottosuolo tramite aste di pompamento comprendente il sistema di sollevamento e comprendente due elementi tubolari, estendentesi verticalmente e parallelamente tra loro, contenenti gas in pressione e interconnessi superiormente da una staffa e fissati, inferiormente, ad un telaio di supporto. Gli elementi tubolari comprendono lateralmente guide di scorrimento e antirotazione a cui la vite del sistema elettromeccanico di sollevamento è accoppiata mediante un asse, rigidamente collegato all'estremità della vite, alle cui estremità sono vincolati mezzi di scorrimento scorrevoli sulle guide e mezzi di rotolamento di supporto per una fune di collegamento della macchina ad aste di pompamento del pozzo.
Seppur conveniente sotto diversi aspetti, sopratutto relativamente all 'efficenza energetica, questa macchina presenta il problema di una limitata efficacia, dovuta al fatto che sia il carico del gas che quello del motore interessano contemporaneamente sia la chiocciola del motore che la vite. Questo sovraccarico della chiocciola ne causa il surriscaldamento e, quindi, l'usura precoce. Inoltre, essendo anche la vite sottoposta a tutto il carico, è necessario limitarne la lunghezza, e qundi la corsa utile. Per queste ragioni, la macchina della precedente domanda di brevetto della Richiedente non può sollevare carichi di una certa entità né ha una vita utile sufficientemente lunga.
Scopo della presente invenzione è fornire una macchina di pompaggio, del tipo comprendente un sistema elettromeccanico di sollevamento di un carico, capace di sollevare un carico elevato, almeno il doppio, a parità di diametro della vite, rispetto alla precedente domanda di brevetto della stessa Richiedente, con una vita utile più lunga, di almeno il triplo ed oltre, rispetto alla precedente domanda di brevetto della stessa Richiedente, quindi avente caratteristiche tali da superare i limiti che ancora influenzano le macchine precedentemente descritte con riferimento alla tecnica nota.
Secondo la presente invenzione, viene realizzata una macchina di pompaggio, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una vista schematica di una macchina di pompaggio e una vista ingrandita di un suo particolare, secondo l'arte nota;
- la figura 2 mostra una prima vista schematica della parte superiore di una prima forma realizzativa della macchina di pompaggio e una vista ingrandita di un suo particolare, secondo l'invenzione;
- la figura 3 mostra una seconda vista schematica della parte superiore della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio, secondo 1'invenzione;
- la figura 4 mostra una vista schematica dall'alto della parte superiore della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio, secondo l'invenzione;
- la figura 5 mostra una vista schematica in sezione dell'estremità inferiore della vite secondo la prima forma realizzativa della macchina di pompaggio, secondo 1'invenzione;
- la figura 6 mostra una vista schematica in sezione della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio, secondo 1'invenzione;
- la figura 7 mostra una vista schematica del motore della macchina di pompaggio, secondo l'invenzione;
la figura 8 mostra una vista schematica di un sistema di copertura della vite compresa nella parte superiore della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio, secondo 1'invenzione;
- le figure 9A-9B mostrano viste schematiche frontale e laterale della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio in una configurazione di partenza a riposo, secondo l'invenzione;
le figure 10A-10B mostrano viste schematiche frontale e laterale della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio in una configurazione finale di lavoro, secondo 1'invenzione;
la figura 11 mostra una vista schematica in sezione della prima forma realizzativa della macchina di pompaggio con schematizzazione delle forze in gioco, secondo 1'invenzione;
- la figura 12 mostra una vista schematica in sezione di una seconda forma realizzativa della macchina di pompaggio secondo l'invenzione.
Con riferimento a tali figure e, in particolare, alle figure 2 e 3, una macchina di pompaggio è mostrata, secondo l'invenzione. Più dettagliatamente, una prima forma realizzativa della macchina di pompaggio 650 comprende due elementi tubolari 651 estendentesi verticalmente e parallelamente tra loro e che fungono da contenitori, o accumulatori, di gas in pressione, ad esempio azoto o una miscela di aria e azoto, inserito mediante opportune valvole non mostrate in figura. Gli elementi tubolari 651 sono, superiormente, interconnessi tra loro da un elemento di connessione 652, ad esempio una staffa, e, inferiormente, fissati ad una struttura di supporto, mostrata in figura 4, ad esempio un piedistallo. La macchina 650 comprende anche mezzi di rotolamento 655, ad esempio carrucole o pulegge atte a supportare una fune di sollevamento di un carico, agganciati a mezzi di scorrimento, o pattini, 657 scorrevoli in guide 653 interne agli elementi tubolari 651 ed estendetesi per una lunghezza prefissata lungo questi,
Inoltre, la macchina 650 comprende, tra i due elementi tubolari 651, un sistema elettromeccanico di sollevamento 600 comprendente un primo cilindro 601, al quale gli elementi tubolari 651 sono interconnessi tramite un elemento di connessione 663 e tubi flessibili che permettono il passaggio del gas tra gli elementi tubolari stessi e il cilindro 601. In tal modo, il cilindro 601 risulta riempito di gas comprimibile, proveniente dagli elementi tubolari 651, e comprende un pistone 60lb configurato per comprimere il gas. Il sistema elettromeccanico di sollevamento 600 comprende anche una vite 602 la cui estremità 602a si trova inserita all'interno di un secondo cilindro di spinta 658 connesso in modo scorrevole, ad una sua estremità inferiore, alle pareti interne del primo cilindro 601.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, il carico del gas viene trasmesso alle pulegge della macchina esclusivamente tramite il cilindro di spinta 658.
Nella porzione inferiore del cilindro di spinta 658, inserita all'interno del primo cilindro 601, si trova compresa una camera 605 di raccolta di un olio di lubrificazione e raffreddamento che viene utilizzato per lubrificare e raffreddare una chiocciola 603b, la vite 602 e l'interno del cilindro di spinta 658, in particolare nella prima forma realizzativa della macchina in cui il cilindro di spinta 658 comprende un supporto o pattino inferiore 660, mostrato in figura 2, configurato per limitare le vibrazioni e la flessione dell'estremità libera della vite. Inoltre, il cilindro di spinta 658 comprende un tubo di aspirazione 665 dell'olio contenuto nella camera 605, come mostrato in figura 2, o, alternativamente esterno ad essa, come mostrato in figura 3.
La vite 602 ha una prima estremità 602b fissata all'elemento di connessione 652, mediante un primo elemento di bloccaggio, ad esempio comprendente un mozzo di bloccaggio 661 e una prima ghiera 659b, come mostrato in figura 4.
Inoltre, come mostrato in figura 5, in un'immagine capovolta del cilindro 601, secondo un aspetto dell'invenzione, la vite ha una seconda estremità 602a libera che, come mostrato in figura 2, è connessa, mediante un secondo elemento di bloccaggio, ad esempio una seconda ghiera 659a, al supporto o pattino 660, ad esempio in acciaio, scorrevole all'interno del cilindro di spinta 658 e sovrastante la camera 605 comprendente l'olio di lubrificazione e raffreddamento.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, il supporto scorrevole 660 permette alla vite 602 di essere guidata e potere adottare lunghe corse.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, nella camera 605 è possibile accumulare olio che, aspirato dalla pompa 664 mostrata in figura 6, permette di lubrificare e raffreddare la chiocciola 603b e lubrificare il supporto, o pattino, 660 che funge da guida inferiore della vite.
Secondo un aspetto dell'invenzione, la vite 602 è una vite a ricircolo di sfere, o a rulli, o a rulli satelliti, o a chiocciola idrostatica.
La macchina 600 comprende anche il motore 603, meglio mostrato in figura 7, che ha uno statore supportato da un carrello 603a, che funge anche da testata porta pulegge 655, e fissato ai mezzi di scorrimento, o pattini, 657 scorrevoli nelle guide 653 poste sulle pareti interne degli elementi tubolari 651. Inoltre, il motore 603 comprende una chiocciola 6Q3b, che è a ricircolo di sfere e/o rulli o idrostatica e che si trova flangiata al rotore del motore 603 rotante attorno alla vite 602, o, alternativamente, facente parte del motore stesso.
Vantaggiosamente secondo 1'invenzione, sul motore 603 è predisposto un encoder, non mostrato in figura, che segnala la posizione del motore 603 ad un sistema di controllo, non mostrato in figura. Inoltre, il motore 603 comprende sensori di sicurezza extra-corsa e sensori di feedback sulla posizione, velocità e accelerazione del cilindro di spinta 658, non mostrati in figura. Il sistema di controllo è configurato per monitorare continuamente le prestazioni della macchina di pompaggio e reagisce ai carichi variabili delle aste di sollevamento e alle varie condizioni ambientali.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, nella testata 603a, è posta una pompa ad olio 664 configurata per lubrificare e raffreddare la chiocciola e la vite, nonché per lubrificare l'interno del cilindro di spinta 658 e il pattino 660, quando presente.
Tutti gli organi in movimento della macchina sono lubrificati e refrigerati, tramite uno scambiatore di calore, non mostrato in figura, in modo da garantirne l'efficienza e la funzionalità.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, la portanza del contro-bilanciamento del peso delle aste di pompamento che vengono sollevate dalla macchina tramite le funi sulle carrucole, effettuato dal gas, (più è profondo un pozzo più lunghe sono le aste e più pesano), può essere regolata semplicemente agendo sulla pressione del gas negli accumulatori.
La macchina 650 comprende, inoltre, come mostrato in figura 8, un sistema di copertura della vite 602. Più precisamente, il sistema di copertura della vite 602 comprende piastre 662 scorrevoli su guide interne, non mostrate in figura e poste lateralmente alla vite 602 e lamiere 663 fisse di copertura anteriore e posteriore della vite 602.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, il sistema di copertura della vite 602 protegge anche il motore 603, la catenaria 665 con i tubi flessibili, la pompa di lubrificazione 664 e tutti i sensori presenti.
In uso, nella configurazione iniziale, la macchina 650 presenta le carrucole 655 nella parte bassa della macchina 650, come mostrato in figura 9. In questa configurazione, il gas è contenuto negli elementi tubolari 651 in comunicazione con il primo cilindro 601 e da qui spinge sul pistone 601b e sul tubo di forza 658 ad esso solidale, alleggerendo il carico da sollevare tramite il motore elettrico 603. Di conseguenza, le carrucole 655 vengono spinte a salire alleggerendo il carico, agganciato con funi alle carrucole 655, non mostrato in figura. In seguito, il motore elettrico 603 mette in rotazione la chiocciola 603b che fa salire il carico. Il motore 603 effettua, quindi, una rampa di salita seguita da una rampa di rallentamento fino a raggiungere la parte alta della macchina 650. In tale posizione, mostrata in figura 10, il motore 603 effettua un'inversione di marcia e fa sì che la vite 602 comprima il gas, aiutato dal carico. Pertanto, il gas fa da bilanciamento del lavoro del motore, consentendo il risparmio energetico.
Come mostrato schematicamente in figura 11, vantaggiosamente, secondo 1'invenzione, durante il moto di salita lungo l'asse Y della vite 602, che è anche l'asse di funzionamento della macchina 600, l'azione del motore elettrico 603 viene trasmessa alle pulegge 655 della macchina 650 interconnesse con la testata 603a esclusivamente tramite la coppia trasmessa alla chiocciola 603b, che, essendo a ricircolo di sfere e/o rulli, o idrostatica, che a sua volta ruota attorno alla vite 602 trasformando il moto rotatorio in un moto rettilineo lungo l'asse Y. In particolare, l'immagine di sinistra della figura 11 mostra la distribuzione della forza esercitata dal motore e 1'immagine di destra mostra la distribuzione della forza esercitata dal gas. In tal modo, risulta evidente che 1'azione delle forze, del motore e del gas, non transita tutta sulla chiocciola, ma segue due percorsi distinti.
Vantaggiosamente, secondo 1'invenzione, durante il moto di discesa lungo l'asse Y, l'azione del motore elettrico 603 viene trasmessa al gas. Infatti, il pistone 60lb viene azionato dal cilindro di spinta 658, che si trova in posizione inferiore rispetto alla testata 603a, esclusivamente tramite la coppia trasmessa alla chiocciola 603b, che a sua volta ruota attorno alla vite 602 trasformando il moto rotatorio in un moto rettilineo lungo l'asse Y.
Secondo un aspetto dell'invenzione, come mostrato in figura 12 la macchina 750 comprende, al posto del gas, olio all'interno del cilindro 701, che è posto in comunicazione con una porzione inferiore degli elementi tubolari 751 contenenti olio e all'interno dei quali si trovano pistoni separatori flottanti 761 configurati per separare l'olio dal gas, contenuto, invece, in porzioni superiori degli elementi tubolari 761.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, gli elementi tubolari 751 sono privi di pistoni separatori flottanti e, in tal caso, la separazione tra gas e olio viene realizzata sfruttando i due diversi stati fisici di liquido/gas.
Pertanto, la macchina di pompaggio secondo 1'invenzione consente di sollevare carichi più elevati rispetto alla macchina della precedente domanda di brevetto della Richiedente.
Un altro vantaggio della macchina di pompaggio secondo l'invenzione consiste nell'aumento della sua durata di vita.
Un altro vantaggio della macchina di pompaggio secondo l'invenzione consiste nel fatto che mediante la lubrificazione ad olio che funge anche da raffreddamento si può monitorare la condizione di lavoro, usando degli opportuni sensori sul fluido.
Inoltre, con la macchina di pompaggio secondo l'invenzione si ha una movimentazione precisa.
Un altro vantaggio della macchina di pompaggio secondo l'invenzione è la maggiore velocità di funzionamento.
Infine, la macchina di pompaggio secondo 1'invenzione ha un basso livello di rumore.
Risulta infine chiaro che alla macchina di pompaggio qui descritta ed illustrata possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina di pompaggio (650, 750) comprendente: - almeno due elementi tubolari (651, 751) contenenti gas in pressione estendentesi verticalmente e parallelamente e interconnessi tra loro per mezzo di un elemento di connessione (652, 752); e - un sistema elettromeccanico di sollevamento (600, 700) comprendente un primo cilindro (601, 701), interconnesso agli elementi tubolari (651, 751) e comprendente una sostanza comprimibile da un pistone (601b, 701b); e una vite (602, 702) con asse verticale Y coincidente con l'asse della macchina di pompaggio (650, 750); caratterizzata dal fatto che la vite (602, 702) si trova inserita all'interno di un secondo cilindro di spinta (658, 758), connesso in modo scorrevole all'interno del primo cilindro (601, 701), e ha una prima estremità (602b, 702b) fissata a detto elemento di connessione (652, 752) e una seconda estremità (602a, 702a) scorrevole all'interno di detto cilindro di spinta (658, 758) e sovrastante una camera (605, 705) comprendente olio di lubrificazione e raffreddamento sovrastante detto pistone (601b, 701b).
  2. 2. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta vite (602, 702) è una vite a ricircolo di sfere, o a ricircolo di rulli, o a rulli satelliti, o a chiocciola idrostatica.
  3. 3. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta prima estremità (602b) è fissata a detto elemento di connessione (652) mediante primi mezzi di bloccaggio (661, 659b).
  4. 4. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un tubo di aspirazione (665, 765) dell'olio contenuto nella camera (605, 705).
  5. 5. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un motore elettrico (603, 703) in grado di traslare in discesa e in salita lungo la vite (602, 702) e comprendente uno statore supportato da una testata (603a, 703a) porta pulegge (655, 755), e fissato a mezzi di scorrimento (657, 757) scorrevoli in guide (653, 753) poste sulle pareti interne agli elementi tubolari (651, 751), e una chiocciola (603b, 703b) a ricircolo di sfere e/o rulli o idrostatica.
  6. 6. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detta chiocciola (603b, 703b) è flangiata al rotore del motore (603, 703) rotante attorno alla vite (602, 702) oppure è integrata al motore (603, 703).
  7. 7. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un sistema di copertura della vite (602) atto a proteggere la vite (602) e il motore (603).
  8. 8. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta seconda estremità (602a, 702a) è libera.
  9. 9. Macchina di pompaggio (650, 750) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detta seconda estremità (602a) è connessa, mediante secondi mezzi di bloccaggio (659a), ad un supporto (660) sovrastante detta camera (605) e scorrevole all'interno di detto cilindro di spinta (658).
  10. 10. Macchina di pompaggio (650) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta sostanza comprimibile da un pistone (601b, 701b) è gas o olio.
  11. 11. Macchina di pompaggio (650) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti elementi tubolari (651, 751) comprendono il gas in pressione in loro porzioni superiori e olio in loro porzioni inferiori.
  12. 12. Macchina di pompaggio (650) secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che detti elementi tubolari (751) comprendono pistoni separatori flottanti (761) configurati per separare l'olio dal gas.
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