NO20190564A1

NO20190564A1 -

Info

Publication number: NO20190564A1
Application number: NO20190564A
Authority: NO
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2020-10-26
Also published as: NO345167B1

Description

PUMPE MED RINGMOTOR PUMP WITH RING MOTOR

Oppfinnelsen vedrører ei pumpe hvor en elektrisk motor som er koplet til en rotor forsynt med minst én pumpeskovl, er integrert i et pumpehus. The invention relates to a pump where an electric motor which is connected to a rotor provided with at least one pump vane is integrated into a pump housing.

I mange systemer er det behov for å pumpe fluider av varierende konsistens. Å tilveiebringe ei pumpe med tilstrekkelig kapasitet og moderate dimensjoner er krevende, særlig når pumpa skal anbringes nedihulls i en hydrokarbonbrønn eller i en annen fluidledning, der det tilgjengelige volumet hvor pumpa skal anbringes, er sterkt begrenset, og hvor det er viktig å unngå unødige innskrenkninger av brønnens eller ledningens strømningstverrsnitt. Særlig er det behov for å skaffe til veie pumper som gir minimale innskrenkninger i strømningstverrsnittet i ledninger for returtransport av boreslam mellom en undersjøisk brønn og en overflateinstallasjon ved boring uten bruk av et marint stigerør for framføring av borestreng, returledning for boreslam, m.m. Ved leteboring på store havdyp er det også en fordel om pumper som må koples inn i returledningen for boreslam, har moderate dimensjoner og at returledningens totalvekt begrenses mest mulig. In many systems, there is a need to pump fluids of varying consistency. Providing a pump with sufficient capacity and moderate dimensions is demanding, especially when the pump is to be placed downhole in a hydrocarbon well or in another fluid line, where the available volume where the pump is to be placed is severely limited, and where it is important to avoid unnecessary restrictions of the flow cross-section of the well or line. In particular, there is a need to provide pumps that provide minimal restrictions in the flow cross-section in lines for the return transport of drilling mud between a subsea well and a surface installation when drilling without the use of a marine riser for advancing drill string, return line for drilling mud, etc. When exploratory drilling at great sea depths, it is also an advantage if pumps that must be connected to the return line for drilling mud have moderate dimensions and that the total weight of the return line is limited as much as possible.

Pumper hvor en drivmotor er anordnet utenfor et pumpehus, har ofte et stort tverrsnitt og volum, og mange slike pumper oppviser de ulempene som er beskrevet ovenfor. Pumps where a drive motor is arranged outside a pump housing often have a large cross-section and volume, and many such pumps exhibit the disadvantages described above.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene. The purpose is achieved by the features indicated in the description below and in the subsequent patent claims.

Oppfinnelsen tilveiebringer ei pumpe forsynt med et skovlhjul anordnet i et pumpehus. Skovlhjulet omfatter minst en pumpeskovl som er fastgjort innvendig i ei hylse som er aksielt og radielt opplagret i pumpehuset. Hylsa tildanner rotoren i en ringformet elektrisk motor, for eksempel som en permanentmagnetmotor, hvor det på hylsas utvendige veggflate er anordnet flere permanentmagneter. En stator omkranser rotoren, idet ankerviklinger er anordnet på en innvendig veggflate i pumpehuset. The invention provides a pump provided with an impeller arranged in a pump housing. The vane wheel comprises at least one pump vane that is fixed inside a sleeve that is axially and radially supported in the pump housing. The sleeve forms the rotor in an annular electric motor, for example as a permanent magnet motor, where several permanent magnets are arranged on the outer wall surface of the sleeve. A stator surrounds the rotor, as the armature windings are arranged on an internal wall surface in the pump housing.

For å forbedre pumpas driftssikkerhet når den anvendes i neddykket tilstand, for eksempel i en hydrokarbonbrønn, er ringmotoren fortrinnsvis oljefylt. For å hindre oljelekkasje inn i det innenforliggende pumpefluidløpet, kan det være anordnet dynamiske tetninger mellom endepartier av rotoren og endepartier av pumpehuset. Det er en fordel om en oljeakkumulator står i fluidkommunikasjon med det oljefylte volumet av ringmotoren slik at et foreskrevet oljetrykk opprettholdes uavhengig av motorens og oljas temperatur. In order to improve the operational reliability of the pump when it is used in a submerged state, for example in a hydrocarbon well, the ring motor is preferably oil-filled. In order to prevent oil leakage into the internal pump fluid flow, dynamic seals can be arranged between end parts of the rotor and end parts of the pump housing. It is an advantage if an oil accumulator is in fluid communication with the oil-filled volume of the ring engine so that a prescribed oil pressure is maintained regardless of the temperature of the engine and oil.

Pumpehuset er fortrinnsvis seksjonert, idet pumpehuset omfatter en første endeseksjon som tildanner et første endeparti av pumpehuset og omfatter et koplingsparti for tilslutning til en første fluidledning, typisk via en koplingsflens eller en gjengestuss, samt festeelementer for løsgjørbar sammenføyning av den første endeseksjonen med et første endeparti av en sylindrisk mellomseksjon. En andre endeseksjon tildanner et andre endeparti av pumpehuset og omfatte et koplingsparti for tilslutning til en andre fluidledning, typisk via en koplingsflens eller en gjengestuss, samt festeelementer for løsgjørbar sammenføyning av den andre endeseksjonen med et andre endeparti av den sylindriske mellomseksjonen. En elektrisk kabel som forbinder pumpemotoren med en energikilde, er ført inn i pumpehuset gjennom en port som fortrinnsvis er anordnet fluidtettende og typisk anordnet i den av endeseksjonene som vender mot en fremføringsbane for elektrisk energi. En av endeseksjonene er fortrinnsvis forsynt med en port for fluidkommunikasjon mellom det oljefylte volumet av ringmotoren og en oljeakkumulator. En ringmotor, fortrinnsvis i form av en frekvensstyrt permanentmagnetmotor, er anordnet i en mellomseksjon med en stator fastgjort i mellomseksjonen og en rotor opplagret i mellomseksjonen eller endeseksjonene. Rotoren er hylseformet med et gjennomgående senterløp og er forsynt med flere pumpeskovler anordnet i senterløpet. The pump housing is preferably sectioned, in that the pump housing comprises a first end section which forms a first end part of the pump housing and comprises a connection part for connection to a first fluid line, typically via a connection flange or a threaded connection, as well as fastening elements for releasably joining the first end section with a first end part of a cylindrical middle section. A second end section forms a second end part of the pump housing and includes a connection part for connection to a second fluid line, typically via a connection flange or a threaded connection, as well as fastening elements for releasably joining the second end section with a second end part of the cylindrical middle section. An electric cable which connects the pump motor with an energy source is led into the pump housing through a port which is preferably arranged fluid-tight and typically arranged in the one of the end sections which faces an electrical energy delivery path. One of the end sections is preferably provided with a port for fluid communication between the oil-filled volume of the ring motor and an oil accumulator. A ring motor, preferably in the form of a frequency-controlled permanent magnet motor, is arranged in an intermediate section with a stator fixed in the intermediate section and a rotor stored in the intermediate section or end sections. The rotor is sleeve-shaped with a continuous center barrel and is equipped with several pump vanes arranged in the center barrel.

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen. The invention is defined by the independent patent claim. The independent claims define advantageous embodiments of the invention.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt ei pumpe hvor en elektrisk motor som er koplet til en rotor forsynt med minst én pumpeskovl, er integrert i et pumpehus, kjennetegnet ved at den elektriske motoren er en ringmotor som omkranser i det minste et parti av et fluidstrømningsløp gjennom pumpa, hvor The invention relates more specifically to a pump where an electric motor which is connected to a rotor provided with at least one pump vane is integrated in a pump housing, characterized in that the electric motor is a ring motor which encircles at least part of a fluid flow path through the pump, where

en stator er anordnet innvendig i en mellomseksjon av pumpehuset og omkranser rotoren, a stator is arranged inside a middle section of the pump housing and surrounds the rotor,

rotoren, som er opplagret i pumpehuset, er hylseformet og tildanner et mellomparti av nevnte fluidstrømningsløp, og the rotor, which is stored in the pump housing, is sleeve-shaped and forms an intermediate part of said fluid flow path, and

den minst ene pumpeskovlen er fastgjort innvendig i rotoren. at least one pump vane is fixed inside the rotor.

Den elektriske motoren kan være en permanentmagnetmotor, hvor flere permanentmagneter er fastgjort på en utvendig veggflate på rotoren. The electric motor can be a permanent magnet motor, where several permanent magnets are attached to an external wall surface of the rotor.

Den elektriske motoren kan være en frekvensstyrt permanentmagnetmotor. The electric motor can be a frequency-controlled permanent magnet motor.

Dynamiske tetninger kan være anordnet ved endepartier av rotoren for på fluidtettende vis å avgrense hulrom i pumpehuset og motoren. Dynamic seals can be arranged at the end parts of the rotor to delimit cavities in the pump housing and motor in a fluid-tight manner.

Nevnte hulrom kan være oljefylte og stå i fluidkommunikasjon med en akkumulator. Said cavities may be filled with oil and be in fluid communication with an accumulator.

Akkumulatoren kan være integrert i pumpehuset. The accumulator can be integrated into the pump housing.

Den minst ene pumpeskovlen kan strekke seg diametralt gjennom rotoren. The at least one pump vane may extend diametrically through the rotor.

Flere pumpeskovler kan strekke seg frittragende ut fra rotorens innvendige rotorveggflate mot en senterakse i rotoren. Several pump vanes can extend outwardly from the inner rotor wall surface of the rotor towards a central axis in the rotor.

I det etterfølgende beskrives eksempler på foretrukne utførelsesformer som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: In the following, examples of preferred embodiments are described which are illustrated in the accompanying drawings, where:

Fig. 1 viser et aksialsnitt I-I ifølge figur 2 gjennom ei pumpe med en første pumpeskovlutførelse ifølge oppfinnelsen; Fig. 1 shows an axial section I-I according to Fig. 2 through a pump with a first pump bush design according to the invention;

Fig. 2 viser et radialsnitt II-II ifølge figur 1 gjennom pumpa; Fig. 2 shows a radial section II-II according to Fig. 1 through the pump;

Fig. 3 viser i mindre målestokk ei perspektivskisse av en utførelse av pumpa med en integrert motoroljeakkumulator; og Fig. 3 shows on a smaller scale a perspective sketch of an embodiment of the pump with an integrated engine oil accumulator; and

Fig. 4 viser i samme målestokk som figur 2 et radialsnitt gjennom pumpa med en alternativ pumpeskovlutførelse. Fig. 4 shows, on the same scale as Fig. 2, a radial section through the pump with an alternative pump bush design.

På tegningene angir henvisningstallet 1 ei pumpe hvor en elektrisk ringmotor 12 er integrert i et pumpehus 11. In the drawings, reference number 1 denotes a pump where an electric ring motor 12 is integrated into a pump housing 11.

Pumpehuset 11 er tildannet av en sylindrisk, rørformet mellomseksjon 112 og en første og en andre endeseksjon 111, 111a. Endeseksjonene 111, 111a slutter tett mot respektive endepartier av mellomseksjonen 112 og er fastholdt ved hjelp av flere festemidler 113, her vist som skruer. Hver endeseksjon 111, 111a tildanner en fluidport 1114a for innløp, respektive utløp av et pumpefluid som kan strømme i et fluidstrømningsløp 1114 som strekker seg gjennom pumpa 1. Endeseksjonene 111, 111a er innrettet til å kunne koples til fluidledninger (ikke vist) som leder pumpefluidet til pumpa 1, henholdsvis fører pumpefluidet bort fra pumpa 1, for eksempel ved hjelp av koplingsflenser 1111 som vist på tegningene, eller andre former for fluidtettende koplingspartier. The pump housing 11 is formed by a cylindrical, tubular middle section 112 and a first and a second end section 111, 111a. The end sections 111, 111a end tightly against the respective end parts of the intermediate section 112 and are secured by means of several fasteners 113, here shown as screws. Each end section 111, 111a forms a fluid port 1114a for inlet, respective outlet of a pump fluid which can flow in a fluid flow path 1114 which extends through the pump 1. The end sections 111, 111a are arranged to be able to be connected to fluid lines (not shown) which conduct the pump fluid to pump 1, respectively, the pump fluid leads away from pump 1, for example by means of connecting flanges 1111 as shown in the drawings, or other forms of fluid-tight connecting parts.

Pumpehuset 11 rommer den elektriske ringmotoren 12, idet en stator 121 er fastgjort på en innvendig veggflate 1121 på mellomseksjonen 112. En rotor 123 som er omkranset av statoren 121, er radielt og aksielt opplagret i pumpehuset 11 ved hjelp av rotorlagre 125. På en utvendig rotorveggflate 1231 er det fastgjort flere permanentmagneter 124. På en Innvendig rotorveggflate 1232 er det fastgjort flere pumpeskovler 127 som i denne utførelsesformen strekker seg diametralt gjennom et senterløp 1233 i rotoren 123. The pump housing 11 accommodates the electric ring motor 12, a stator 121 being attached to an internal wall surface 1121 on the intermediate section 112. A rotor 123, which is encircled by the stator 121, is radially and axially supported in the pump housing 11 by means of rotor bearings 125. On an external rotor wall surface 1231, several permanent magnets 124 are attached. On an inner rotor wall surface 1232, several pump vanes 127 are attached, which in this embodiment extend diametrically through a center race 1233 in the rotor 123.

Statoren 121 er forbundet med en dertil egnet strømkilde (ikke vist) via en elektrisk ledning 122 som er ført ut fra ringmotoren 12 gjennom en fluidtettende kabelport 1112 i en av endeseksjonene, her vist i en første endeseksjon 111 som typisk er den av endeseksjonene 111, 111a som ligger nærmest strømkilden. The stator 121 is connected to a suitable power source (not shown) via an electrical line 122 which is led out from the ring motor 12 through a fluid-tight cable port 1112 in one of the end sections, here shown in a first end section 111 which is typically the one of the end sections 111, 111a which is closest to the power source.

Rotoren 123 slutter fluidtettende mot pumpehuset 11, typisk ved at rotorens 123 endepartier og motstående partier av endeseksjonene 111, 111a er forsynt med dynamiske rotortetninger 126, særlig i form av keramiske tetninger. Hulrom 128 i ringmotoren 12 kan dermed være fylt med motorfluid, typisk ei dertil egnet olje som hindrer inntrengning av pumpefluidet og hindrer korrosjon og kortslutning. Hulrommene 128 er trykkutlignet, idet de via én eller flere porter 1113 i en av pumpehusets 11 endeseksjoner 111, 111a, her vist i den første endeseksjonen 111a, står i fluidkommunikasjon med en motorfluidtrykkregulator 13 (se figur 3). Trykket i motorfluidtrykkregulatoren 13 er fortrinnsvis innrettet til å tilpasses pumpefluidtrykket i og omkring pumpa 1. Det er en fordel om motorfluidtrykkregulatoren 13 kan opprettholde et motorfluidtrykk i ringmotorens 12 hulrom 128 på et nivå som ligger noe over trykket i pumpefluidet, dvs. fluidet som pumpes. Motorfluidtrykkregulatoren 13 er tilknyttet et motorfluidreservoar (ikke vist) som blant annet sørger for etterfylling av motorfluid i hulrommene 128 ved lekkasje over rotortetningene 126 fra hulrommene 128 til fluidstrømningsløpet 1114. Motorfluidtrykkregulatoren 13 kan omfatte trykktransmittere (ikke vist) anordnet ved endeseksjonenes 111, 111a fluidporter 1114a for registrering av pumpefluidtrykket oppstrøms og nedstrøms pumpa 1. Motorfluidtrykkregulatoren 13 er fortrinnsvis tilknyttet et kontrollsystem (ikke vist) som også kan overvåke andre tilstander i pumpa 1, slik som rotasjonshastighet for rotoren 123, vibrasjon i pumpa 1, sammensetningen av motorfluidet i ringmotorens 12 hulrom 128, særlig forekomsten av vann i motorfluidet. Kontrollsystemet kan være tilknyttet flere pumper 1 og er typisk anordnet på en installasjon fjernt fra pumpa 1, for eksempel på en overflateinstallasjon i form av en flytende borerigg (ikke vist) tilknyttet en hydrokarbonbrønn. The rotor 123 is fluid-tight against the pump housing 11, typically in that the end parts of the rotor 123 and opposite parts of the end sections 111, 111a are provided with dynamic rotor seals 126, particularly in the form of ceramic seals. Cavity 128 in the ring motor 12 can thus be filled with motor fluid, typically a suitable oil that prevents penetration of the pump fluid and prevents corrosion and short-circuiting. The cavities 128 are pressure balanced, as they are in fluid communication with a motor fluid pressure regulator 13 via one or more ports 1113 in one of the end sections 111, 111a of the pump housing 11, here shown in the first end section 111a (see figure 3). The pressure in the motor fluid pressure regulator 13 is preferably adapted to the pump fluid pressure in and around the pump 1. It is an advantage if the motor fluid pressure regulator 13 can maintain a motor fluid pressure in the cavity 128 of the ring motor 12 at a level that is somewhat above the pressure in the pump fluid, i.e. the fluid being pumped. The motor fluid pressure regulator 13 is connected to a motor fluid reservoir (not shown) which, among other things, provides for the refilling of motor fluid in the cavities 128 in case of leakage over the rotor seals 126 from the cavities 128 to the fluid flow path 1114. The motor fluid pressure regulator 13 can include pressure transmitters (not shown) arranged at the fluid ports 1114a of the end sections 111, 111a for recording the pump fluid pressure upstream and downstream of pump 1. The motor fluid pressure regulator 13 is preferably connected to a control system (not shown) which can also monitor other conditions in pump 1, such as rotation speed of the rotor 123, vibration in pump 1, the composition of the motor fluid in the ring motor 12 cavity 128, particularly the presence of water in the motor fluid. The control system can be connected to several pumps 1 and is typically arranged on an installation remote from the pump 1, for example on a surface installation in the form of a floating drilling rig (not shown) connected to a hydrocarbon well.

Ringmotorens 12 strømforsyning (ikke vist) er på i og for seg kjent vis innrettet til å kunne regulere ringmotorens 12 arbeidshastighet, for eksempel ved frekvensregulering, og rotorens 123 rotasjonsretning. The ring motor 12's power supply (not shown) is arranged in a known manner to be able to regulate the working speed of the ring motor 12, for example by frequency regulation, and the direction of rotation of the rotor 123.

Ved å integrere ringmotoren 12 i pumpehuset 11 og la ringmotorens 12 rotor 123 tildanne et gjennomstrømningsløp hvor pumpeskovlene 127 er anordnet, tilveiebringes det ei pumpe 1 som egner seg meget godt til å senkes ned i et rom med lite tverrsnitt og hvor det er viktig å unngå strømningshindrende tverrsnittsreduksjoner, for eksempel i et brønnrør hvor produksjonsfluider, borevæske eller lignende skal kunne strømme med stor strømningsrate. Ei pumpe 1 av denne art egner seg også godt til å integreres i en fluidledning, særlig i en boreslamreturledning ved boring uten bruk av marint stigerør for borestreng og fluidledninger. By integrating the ring motor 12 in the pump housing 11 and allowing the ring motor 12's rotor 123 to form a flow path where the pump vanes 127 are arranged, a pump 1 is provided which is very suitable for being lowered into a room with a small cross-section and where it is important to avoid flow-impeding cross-section reductions, for example in a well pipe where production fluids, drilling fluid or the like must be able to flow at a high flow rate. A pump 1 of this type is also well suited to be integrated into a fluid line, particularly in a drilling mud return line when drilling without the use of a marine riser for drill string and fluid lines.

Det henvises så til figur 4, hvor pumpa 1 er forsynt med flere pumpeskovler 127a som rager innover fra den innvendige rotorveggflaten 1232 mot en senterakse AR i rotoren 123, idet skovlendepartier 1271 på motstående pumpeskovler 127a ligger i en avstand fra hverandre. Reference is then made to Figure 4, where the pump 1 is provided with several pump vanes 127a which project inwards from the inner rotor wall surface 1232 towards a central axis AR in the rotor 123, the vane end portions 1271 on opposite pump vanes 127a being at a distance from each other.

Det bør bemerkes at alle de ovennevnte utførelsesformene illustrerer oppfinnelsen, men begrenser den ikke, og fagpersoner på området vil kunne utforme mange alternative utførelsesformer uten å avvike fra omfanget av de vedlagte kravene. I kravene skal referansenumre i parentes ikke sees som begrensende. It should be noted that all of the above embodiments illustrate the invention, but do not limit it, and those skilled in the art will be able to devise many alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims. In the requirements, reference numbers in parentheses should not be seen as limiting.

Bruken av verbet "å omfatte" og dets ulike former ekskluderer ikke tilstedeværelsen av elementer eller trinn som ikke er nevnt i kravene. De ubestemte artiklene "en", "ei" eller "et" foran et element ekskluderer ikke tilstedeværelsen av flere slike elementer. The use of the verb "to comprise" and its various forms does not exclude the presence of elements or steps not mentioned in the claims. The indefinite articles "an", "ei" or "et" before an element do not exclude the presence of several such elements.

Det faktumet at enkelte trekk er anført i innbyrdes forskjellige avhengige krav, indikerer ikke at en kombinasjon av disse trekkene ikke med fordel kan brukes. The fact that certain features are listed in different mutually dependent claims does not indicate that a combination of these features cannot be advantageously used.

Claims

Patent claims

1. Pump (1) where an electric motor (12) which is connected to a rotor (123) provided with at least one pump vane (127) is integrated in a pump housing (11), characterized in that

the electric motor (12) is a ring motor that encircles at least a part of a fluid flow path (1114) through the pump (1), where

a stator (121) is arranged inside an intermediate section (112) of the pump housing (11) and surrounds the rotor (123),

the rotor (123), which is stored in the pump housing (11), is sleeve-shaped and forms an intermediate part of said fluid flow path (1114), and

the at least one pump vane (127) is fixed inside the rotor (123).

2. Pump (1) according to claim 1, where the electric motor (12) is a permanent magnet motor, where several permanent magnets (124) are fixed on an external wall surface (1231) of the rotor (123).

3. Pump (1) according to claim 2, where the electric motor (12) is a frequency-controlled permanent magnet motor.

4. Pump (1) according to claim 1, where dynamic seals (126) are arranged at the end parts of the rotor (123) and define in a fluid-tight manner cavities (128) in the pump housing (11) and the electric motor (12).

5. Pump (1) according to claim 3, where said cavities (128) are filled with oil and are in fluid communication with an accumulator (13).

6. Pump (1) according to claim 4, where the accumulator (13) is integrated in the pump housing (11).

7. Pump (1) according to claim 1, where the at least one pump vane (127) extends diametrically through the rotor (123).

8. Pump (1) according to claim 1, where several pump vanes (127a) extend outwardly from the inner rotor wall surface (1232) of the rotor (123) towards a central axis (AR) in the rotor (123).