NO329713B1 - Eksenterskruepumpe med en indre og en ytre rotor - Google Patents

Description

EKSENTERSKRUEPUMPE MED EN INDRE OG EN YTRE ROTOR

Denne oppfinnelse vedrører en eksenterskruepumpe med en indre og ytre rotor beregnet for relativt høye turtall og store løftehøyder med små vibrasjoner.

Eksenterskruepumper, også kalt mono-pumper, PCP-pumper eller Moineau-pumper, er en type fortrengningspumper kommersielt tilgjengelige i en rekke utførelser for ulike anvendelser. Især er disse pumpene populære for pumping av høyviskøse medier. Typisk omfatter slike pumper en vanligvis metallisk skrueformet rotor som i det følgende er benevnt indre rotor, med Z antall parallelle gjenger som i det følgende er kalt gjengestarter, der Z er et hvilket som helst positivt hel-tall. Rotoren løper typisk inne i en sylinderformet stator med en kjerne av elastisk materiale der et aksielt gjennomgå-ende hulrom er utformet med (Z+l) innvendige gjengestarter. Stigningsforholdet mellom stator og rotor skal da være (Z+l)/Z der stigningen er definert som lengden mellom nærmes-te gjengetopper fra samme gjengestart.

Når den geometriske utformingen av rotors og stators gjenger er i henhold til matematiske prinsipper nedskrevet av matema-tikeren Rene Joseph Louis Moineau i eksempelvis US patent 1,892,217, vil rotoren og statoren til sammen danne et antall prinsipielt atskilte hulrom ved at det i ethvert snitt loddrett på rotorskruens senterakse finnes minst ett fullstendig eller tilnærmet fullstendig kontaktpunkt mellom den indre rotor og statoren. Rotorens sentralakse vil av statoren på-tvinges en eksentrisk posisjon i forhold til statorens sentralakse . For at rotoren skal kunne rotere om sin egen akse inne i en stator, vil også den eksentriske posisjonen for rotorens akse samtidig måtte rotere om statorens senterakse, men i motsatt retning og med konstant senteravstand. Derfor er det i pumper av denne art vanligvis arrangert en mellomaksling med to universalledd mellom pumpens rotor og motoren som driver pumpen.

Pumpeeffekten oppnås ved at nevnte rotasjonsbevegelser bring-er de prinsipielt atskilte hulrom mellom statorens indre og rotorens ytre overflater til å bevege seg fra pumpens inn-løpsside og mot pumpens utløpsside under transport av væske, gass, granulater etc. Betegnende nok har derfor disse pumpene internasjonalt ofte blitt betegnet "PCP" som i engelsk språk-drakt står for "Progressing Cavity Pump". Dette er etablert terminologi også i eksempelvis norsk oljeindustri.

Pumpens volumetriske virkningsgrad bestemmes hovedsakelig av i hvilken grad disse prinsipielt atskilte hulrom er utformet slik at de faktisk tetter mot hverandre ved aktuelt turtall, pumpemedium og differansetrykk, eller om en viss tilbake-strømning oppstår fordi statorens indre vegger gir etter elastisk, eller fordi statoren og rotoren er fabrikkert med en viss innbyrdes klaring. For å øke volumetrisk virkningsgrad er eksenterskruepumper med elastisk stator ofte konstru-ert med undermål i hulrommet slik at det oppstår en elastisk klempasning.

Lite kjent og knapt industrielt utbredt - men dog beskrevet allerede i nevnte US patent 1,892,217 - er utforminger av eksenterskruepumper der en part lik den som ovenfor er benevnt stator bringes til å rotere om sin egen akse i samme retning som den innvendige rotor. I dette tilfellet kan par-ten med (Z+l) innvendige gjengestarter riktigere betegnes ytre rotor. Ved et bestemt hastighetsforhold mellom den ytre rotor og den indre rotor kan den indre rotor så vel som den ytre rotor monteres i fastholdte rotasjonslagre, forutsatt at rotasjonslagrene for den indre rotor har riktig akselavstand eller eksentrisitet målt i forhold til sentralaksen for den ytre rotors lagre.

Begrensende for utbredelsen av slike tidlig beskrevne løs-ninger har trolig vært at den ytre rotor må utstyres med dynamiske tetninger og rotasjonslagre, noe som helt unngås når en stator benyttes. På den annen side kan mellomaksling og universalledd prinsipielt unngås når statoren erstattes med en ytre rotor.

I US patent 5,407,337 er beskrevet en Moineau-pumpe (her kalt "helical gear fluid machine") der en ytre rotor er fast lagret i et pumpehus, der en ekstern motor har en fast akse som løper gjennom pumpehusets yttervegg parallelt med ytre rotors akse i en fast, eksentrisk posisjon i forhold til denne, og der motorens akse gjennom en fleksibel kopling driver den indre rotor som utover nevnte kopling ikke har annen støtte enn veggene i den ytre rotors spiralformede hulrom, der mate-rialet er forutsatt å være en elastomer. I dette tilfellet drives rotasjonen til den ytre rotor utelukkende av bevegel-ser og krefter i det indre hulroms kontaktflater mot den indre rotor. En ulempe ved denne løsning er at dersom det er be-tydelig klaring eller elastisk nedbøyning av kontaktflaten, vil den indre eller den ytre rotor forskyves mer eller mindre bort fra sin ideelle, relative posisjon. Videre vil den drivende kontaktflaten mellom den indre og den ytre rotor ved økende belastning flyttes stadig nærmere motoren og tvinge den indre rotor mer og mer ut av parallellitet i forhold til den ytre rotors akse, slik at den indre rotor over den ytre rotors lengde vil få kontakt med den ytre rotor på diametralt motstående sider med derav følgende friksjonstap, slitasje på rotorer og motorkopling samt mulig tilløp til fastkiling. Det kan også forventes vibrasjoner, ujevn gange og redusert virkningsgrad.

I US patent 5,017,087 såvel som W099/22141 har oppfinner John Leisman Sneddon vist utførelser av Moineau-pumper der pumpens ytre rotor er omsluttet av og fast forbundet med rotoren i en elektromotor hvis statorviklinger er fast forbundet med pumpehuset. I disse utførelser er pumpens ytre og indre rotorer begge fast, radielt opplagret i begge ender i det samme pumpehus, slik at pumpens ytre og indre rotorer fungerer sammen som et mekanisk gir som driver den indre rotor i riktig has-tighet i forhold til den ytre rotor, som igjen er drevet av den nevnte elektromotor. Også i dette tilfellet kan det opp-stå tilløp til fastkiling mellom den indre og den ytre rotor, især dersom faste, harde partikler forsøker å kile seg mellom den indre og den ytre rotor der disse har sin drivende kon-taktflate. En ulempe med en indre rotor som er fast opplagret i begge ender er dessuten at dersom pumpemediet er av en art som må atskilles fra kontakt med lagrene, vil det i begge ender behøves uavhengige, dynamiske tetninger for den indre så vel som for den ytre rotor, siden disse ikke har felles rotasjonsakse .

I US patent 4,482,305 er det vist en pumpe, strømningsmåler eller liknende etter PCP-prinsippet med en indre og en ytre rotor. Her benyttes et tannhjulsgir utenom pumperotorene som sikrer stabilt riktig, relativ rotasjonshastighet mellom den indre og den ytre rotor, uavhengig av innvendige kontaktflater mellom disse. Dette sikrer jevnere gange, særlig ved store trykkforskjeller og/eller romslige klaringer, noe som kan være nødvendig for å oppnå gradvis trykkøkning ved pumping av kompressible medier. Også her forutsettes imidlertid dynamiske tetninger og radiallagre i begge ender av den indre rotor. Den dynamiske tetning for den ytre rotor kompliseres også av at diameteren på tetningsflaten må være stor nok for å tilla-te innvendig passasje for så vel pumpemediet som for lager-akslingen på forlengelsen av den indre rotors aktive, skrueformede del.

US-patent 4676725 viser en Moineau-pumpe som er forsynt med en ytre og en indre skrueformet rotor hvor den ytre overflate av en elastisk hylse som befinner seg mellom rotorene, er tilsvarende men rotasjonsmessig forskjøvet i forhold til den indre overflate av den elastiske hylse.

US-dokument 2003/0196802 beskriver en Moineau-pumpe som er koplet til en separator.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående be-skrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Foreliggende oppfinnelse søker å forene de best trekk ved de omtalte patentene US 4,482,305 og US 5,017,087 ved at et tannhjulsgir el.l. på én side av den indre og den ytre pumperotor sikrer jevn og eksakt riktig relativ rotasjonshastighet for begge rotorer uavhengig av kontaktflatene mellom den indre og den ytre rotor, samtidig som lager, lageraksling og tilhørende dynamisk tetning kun installeres i den ende av den indre rotor der krefter overføres fra nevnte tannhjulsgir eller lignende. Det forutsettes at den ytre rotor utføres med stor bøye- og torsjonsstivhet, mens den indre rotor fortrinnsvis har stor torsjonsstivhet, men liten bøyestivhet. Dette vil også være naturlige egenskaper for den indre rotor tatt i betraktning av dens øvrige funksjoner. Det kan vises at resultanten av de hydrauliske krefter som påvirker den indre rotor direkte i radiell retning har tilnærmet konstant vinkelposisjon og ved konstante driftsbetingelser dessuten konstant størrelse. Den indre rotor vil derfor tendere til alltid å lene seg mot samme side der den til enhver tid får støtte fra ytre rotors hulromsvegger i et antall anleggsflater svarende til Z x antall omdreininger på indre rotors skrue. Disse anleggsflater vil forskyve seg lineært mot pumpens utløpsside og fornyes for hver omdreining. Dette gir svært moderate vibrasjoner. Lengde og bøyestivhet for den indre rotors lagringsakse samt klaringer mellom den indre og den ytre rotor kan lett tilpasses slik at de vekslende bøye-spenninger som påføres under drift ved at den indre rotor le-ner seg mot den ytre rotors støtteflater, blir akseptable. De vesentligste spenninger i den indre rotor vil bli tilnærmet konstante torsjonsspenninger.

I motsetning til US patent 5,407,337 vil alle kontaktflater mot ytre rotor i en PCP-pumpe i henhold til oppfinnelsen be-finne seg på samme side, slik at ved store trykkdifferanser og/eller klaringer mellom rotorene vil den aktive skrueformede del av den indre rotors akse tendere mot en mindre paral-lell forskyvning i stedet for en vinkelforskyvning, slik at det ikke oppstår anleggskrefter på motstående sider av den indre rotor. En forlenget akse mot et lager vil få en bøy-ning, mens det kan vises at vridning som følge av torsjon vanligvis blir moderat. Når en uønsket, hard partikkel posisjonerer seg mellom den indre og den ytre rotors kontaktflater i en PCP-pumpe i henhold til oppfinnelsen, vil det drivende moment påført den indre så vel som den ytre rotor fra tannhjulsgiret tendere til å presse partikkelen unna eller å la partikkelen rulle mellom kontaktflatene. Dette til for-skjell fra situasjonen når eksempelvis indre rotor kun drives av kontaktflatene mot ytre rotor - som i US patent 5,017,087 og W099/22141 - der en slik partikkel vil minske den drivende

krafts

momentarm og endog kan snu dennes retning.

I en PCP-pumpe i henhold til oppfinnelsen og der tannhjulsgiret er plassert på innløpssiden, vil det kun være behov for én dynamisk tetning på utløpssiden, der trykket er størst.

Denne tetter mot den ytre rotor. Diameteren på tetningens anleggsflater kan i en foretrukket utførelsesform minimaliseres ved at den indre rotor avsluttes oppstrøms i forhold til tetningen slik at dennes areal ikke går til fradrag fra den ytre rotors effektive strømningsareal, ved at det nødvendige, effektive strømningsareal gradvis endres til sirkulær form fram mot tetningsposisjonen, og ved at tetningens diameter i minst mulig grad overstiger strømningstverrsnittets diameter. En mekanisk tetning hvor både en fjærbelastet del og ett an-leggssete er arrangert for tett, innvendig montasje i boringer vil her være en foretrukket utførelsesform.

En eksenterskruepumpe som omfatter minst én indre rotor med Z utvendige gjenger og minst én tilpasset ytre rotor med Z+l

innvendige gjenger, kjennetegnes således ved at den ytre rotor har minst to radiallagre, fortrinnsvis ett nær hver ende, mens den indre rotor kun har radiallager til en side for sin skrueformede del, og at det på samme side som den indre rotors lager er arrangert et konvensjonelt gir, eksempelvis et tannhjulsgir, som er innrettet til å fastholde et stabilt forhold mellom den indre og den ytre rotors turtall lik forholdet (Z+D/Z uavhengig av drivende kontakt mellom den indre og den ytre rotors skrueformede flater.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at det konvensjonelle gir og den indre rotors lager er arrangert på pumpens innløpsside.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at diameteren av den ytre rotors dynamiske tetning på utløpssiden er minimert ved at den indre rotor er avsluttet oppstrøms i forhold til tetningen, at et strømningstverrsnitt i den ytre rotor er sirkelrundt under en tetning og at den ytre rotors hulromstverrsnitt i dette området er redusert prinsipielt motsvarende tverrsnittsarealet av den indre rotors skrueformede del.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at det som tetning på den ytre rotors utløpsside benyttes en mekanisk tetning utført slik at så vel statiske som dynamiske parter er tilpasset installasjon innvendig i boringer.

Eksenterskruepumpen kan, særlig for installasjon i trange rør og der lavt reservoirtrykk på sugesiden gir risiko for kavitasjon, være utformet slik at det konvensjonelle giret og den indre rotors lager er arrangert på pumpens utløpsside, at den indre rotor begynner nedstrøms i forhold til ytre rotors lagre og dynamiske tetninger på innløpssiden, og at strømnings-tverrsnittet oppstrøms i forhold til indre og ytre rotorers skrueformede deler er sirkelrundt med maksimalt areal i forhold til tilgjengelig plass innenfor ytre rotors lagre og tetninger.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at det benyttes et tannhjulsgir der en utvendig fortanning på den indre rotor står i inngrep med en innvendig fortanning på et mellomhjul med rotasjonsakse parallelt med indre rotor og eksentrisk p"å motsatt side i forhold til ytre rotors akse, der mellomhjulet også har en utvendig fortanning, og der mellomhjulets utvendige fortanning står i inngrep med en innvendig fortanning på ytre rotor.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at motoren er arrangert eksentrisk i forhold til ytre rotor og driver indre rotor direkte via en konvensjonell kopling.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at motoren er arrangert konsentrisk og driver den indre rotor via en mellomaksling med to universalledd.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at den ytre rotor drives direkte av en motor ved at motorens rotor er fast forbundet med og konsentrisk omslutter pumpens ytre rotor og motorens stator er fiksert i samme hus som lagrene til pumpens ytre rotor, og der nevnte hus kan bestå av en part eller flere parter stivt forbundet med hverandre.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at motoren er installert konsentrisk med ytre rotors akse og at det på motorens drivaksling er montert et tannhjul som står i inngrep med et tannhjul på pumpens indre rotor.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at motorens rotor utgjør en direkte forlengelse av ytre pumperotor på motsatt side av det konvensjonelle giret, at motorens rotor kun eller delvis har samme lagre og dynamiske tetninger som ytre pumperotor, og at motorens rotor har et innvendig fortrinnsvis sirkulært hulrom i direkte forlengelse av den ytre pumperotors skrueformede hulrom.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at den faste forbindelse mellom den ytre pumperotor og motorens rotor inneholder hovedsakelig radielle åpninger som tillater deler av pumpemediet å strømme utvendig forbi motoren for å bidra til kjøling av denne.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at det er arrangert dynamiske tetninger på begge sider av nevnte åpninger for å avskjære pumpemediet fra direkte kontakt med motorviklinger eller lagre.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at motorens rotor er hul og tillater gjennomstrømming av pumpemedium.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at det benyttes et tannhjulsgir omfattende for ytre rotor et drivende tannhjul med utvendig fortanning omsluttende ytre rotors hulrom, for indre rotor et drivende tannhjul med utvendig fortanning omsluttende et gjennomstrømningstverrsnitt, og for pumpens motor et drivende tannhjul konsentrisk arrangert i forhold til ytre rotor, at det finnes minst to planetakslinger med rotasjonsakse arrangert i samme faste avstand fra motors og ytre rotors rotasjonsakser, at hver av de nevnte planetakslinger inneholder hvert sitt tannhjul for konstant inngrep med henholdsvis den ytre rotors og motors tannhjul, og at en eller to av de nevnte planetakslinger i tillegg inneholder et tannhjul for konstant inngrep med den indre rotors tannhjul.

Eksenterskruepumpen kan være utformet slik at motoren omslutter den ytre rotor slik at den ytre rotor og motorens rotor er sammenbygget og roterer sammen i felles lagre, at ytre rotor på en side, fortrinnsvis innløpssiden, har en utvendig fortanning som står i konstant inngrep med ett eller to planethjul hver med to tannhjul på felles aksel hvorav det ene er i inngrep med ytre rotors tannhjul og det andre er i inngrep met et tannhjul fast og konsentrisk montert på indre rotor, og at tannhjulene til sammen danner utvekslingsforholdet (Z+l)/Z mellom henholdsvis pumpens indre og ytre rotor.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegning-er, hvor:

Fig. 1 viser eksteriøret av en pumpe i henhold til oppfinnelsen utført som en nedihulls pumpe for råolje; Fig. 2 viser et langsgående tverrsnitt langs linjen A-A av hele pumpen i henhold til utførelsen i fig. 1; Fig. 2A, fig. 2B og fig. 2C viser forstørret og med flere de-talj henvisninger ulike deler av samme tverrsnittet som i fig. 2; Fig. 3 viser indre rotor fra utførelseseksemplet på fig. 1, komplett med skrueformet del samt forlengelse med lager og tannhjul; Fig. 4 viser forenklet et gir installert på innløpssiden av pumpen i henhold til fig. 1, fig. 2 og fig. 3; Fig. 5 viser en alternativ utførelse av et gir for montering enten på innløps- eller utløpssiden av en pumpe i henhold til oppfinnelsen; og Fig. 6 viser en utførelse av pumpen ifølge oppfinnelsen hvor en motor omslutter pumpen og motorens rotor er sammenbygd med pumpens ytre rotor.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 i fig. 1 en nedi-hullspumpe hvor henvisningstallene 2-8 viser til pumpens 1 ulike seksjoner med ulike hovedfunksjoner: Seksjon 2 omfatter en overgangsflens for tett kopling mellom pumpen og et stigerør for råolje fra en produksjonsbrønn. Seksjon 3 balanserer trykket i tilført smøre- og kjølemedium mot utløpstrykket.

Seksjon 4 inneholder en trykkbalansert dynamisk, fortrinnsvis mekanisk, tetning for en ytre rotor, slik at råolje eller forurensninger i råoljen ikke trenger inn i pumpehuset og blander seg med smøre- og kjølemediet. Dessuten rommer seksjon 4 fortrinnsvis en trykkavlastningsanordning for smøre-og kjølemediet slik at smøretrykket blir lavere på innløps-enn utløpssiden og derfor i mindre grad lekker til pumpemediet på innløpssiden.

Seksjon 5 inneholder de aktive, skrueformede deler av pumpens indre- og ytre rotor. Her lukkes pumpemediet inne i flere avdelte hulrom mellom indre og ytre rotor. Disse hulrom beveger seg lineært og kontinuerlig fra innløpssiden og mot utløpssi-den under medbringelse av råolje når pumpen typisk aktiveres i en oljebrønn med utilstrekkelig brønntrykk.

Seksjon 6 inneholder et tannhjulsgir i henhold til en utfør-else av oppfinnelsen, samt et lager for en forlengelse av den indre rotor, rotasjonsstivt forbundet med dennes skrueformede del.

Seksjon 7 utgjør et overgangsstykke med drivende tannhjuls-kopling for montering av pumpens motor, Seksjon 8.

Pumpens væskeinntak skjer i dette tilfellet mellom pumpesek-sjonene 6 og 7, slik at råoljen på veg mot sugeinntaket strømmer utvendig forbi motoren 8 og bidrar til å kjøle denne .

Det skal bemerkes at selv om pumpen i dette utførelseseksemp-let er sammensatt av seksjoner skrudd sammen aksielt, vil også helt andre utførelser være mulige. Eksempelvis kan man tenke seg en utførelse der hele pumpehuset er splittet i to langsgående parter der hver part strekker seg i full lengde fra motor og til utløpsflensen, men der skillelinjen mellom partene hovedsakelig følger et plan gjennom indre og ytre rotors sentralakser.

Av snittet på fig. 2 ses i liten målestokk hvordan noen vik-tige bestanddeler i pumpen fra fig. 1 er arrangert i forhold til hverandre inne i de nevnte seksjoner. Flere av disse be-standdelene er vist tydeligere i andre figurer med større målestokk, se derfor også figurene 3 og 4 der henvisningstall som også er benyttet i samme mening i tidligere figurer er vist i parentes. Det skal bemerkes at ingen detaljer er vist av motoren 8, siden denne ikke i seg selv forutsettes å inne-holde nye patenterbare trekk. Det er imidlertid av betydning for denne slanke utførelsen, tiltenkt nedihulls installasjon, at motorens aksling 9 løper konsentrisk i forhold til pumpehuset og pumpens ytre rotor 19. Dette er muliggjort ved at det på den sentriske motoraksling 9 er montert et utvendig tannhjul 38, se fig. 4, som står i konstant inngrep med et innvendig tannhjul 32, se fig. 3 eller fig. 4, på forlengelsen 10 av den eksentrisk monterte indre rotors skrueformede del 18. Et lager 11 for den indre rotors forlengelse, i dette tilfellet et hydrodynamisk radiallager med evne til også å oppta aksialkrefter, er arrangert med nøye tilpasset eksentrisitet i forhold til den ytre rotor 19 sine radiallagre 16 og 24. For den ytre rotor er det også arrangert et aksialla-ger 17, mens den indre rotor 18 og dennes faste forlengelse 10 på sin side ikke har andre opplagringer enn lagret 11, idet ytre rotor 19 og i særdeleshet dennes utløpsseksjon 22 fungerer som tilstrekkelig understøttelse for ytre rotor på utløpssiden.

For å minske risiko for fastkiling eller vesentlige vibrasjoner mellom den indre og den ytre rotor, forutsettes i henhold til oppfinnelsen at det er arrangert et tannhjulsgir eller lignende, se fig. 4 og fig. 5, på samme side som lageret 11, og at dette giret påtvinger det eksakte utvekslingsforholdet Z/(Z+1) mellom den ytre og den indre rotor. I utførelsen i fig. 2 og i fig. 4 omfatter dette tannhjulsgir et sylindrisk mellomhjul 13 som er eksentrisk, momentstivt lagret 14 i forhold til ytre rotors lagre 16 og 24, men på motsatt side i forhold til eksentrisiteten til den indre rotors lager 11. Mellomhjulet 13 har en innvendig fortanning 39 som står i inngrep med en utvendig fortanning 33 på den indre rotors forlengelse, og en utvendig fortanning 40 som står i inngrep med en innvendig fortanning 41 på ytre rotors innløpsside. Pumpemediet, eksempelvis råolje, suges i dette utførelsesek-semplet inn i den faste

åpning 12 på siden av pumpehuset og videre gjennom den faste kanal 15 og under en slitering til det innledende, sylindriske hulrom i ytre rotor under dennes lagre 16 og 17. Videre suges væsken inn i det første av de prinsipielt avdelte pum-pehulrom 20 og følger dettes lineære bevegelse påført av ytre og indre rotors omdreininger, fram til ytre rotors hovedsakelig sylindriske utløpshulrom 22, 23. Ytre rotors hulrom er

videre forlenget med den roterende part i en labyrinttetning 26 for trykkavlastning i det omsluttende og motstrøms løpende kjøle- og smøremedium. Herfra fortsetter råoljen forbi en konsentrisk og trykkbalansert mekanisk tetning 27 med statisk sete 27a og dynamisk part 27b som utgjør eneste dynamiske tetning for pumpemediet på utløpssiden. Videre er det rett-linjet strømning gjennom et statiske hulrom 30 og til stige-røret som forutsettes koplet til utløpsflensen 2.

Et smøre- og kjølemedium, fortrinnsvis også benyttet som flu-idum i hydrodynamiske lagre, tilføres i små, doserte mengder, puljevis eller kontinuerlig, gjennom en liten rørkopling i en inntaksåpning 31 og fyller hulrommet som omslutter en fleksibel trykkutjevningsmembran 28. Rommet på innsiden av trykkut-jevningsmembranen 28 har åpen forbindelse med et statisk ut-løpshulrom 30, men er ellers helt tett. Selv ved nokså omtrentlig dosering av smøre- og kjølemedium, eksempelvis styrt av signaler fra en trykksensor, vil trykkdifferansen over den mekaniske tetningen 27 til enhver tid holde seg nær null slik at lekkasjen blir svært liten og det mekaniske an-leggstrykket på tetningsflaten kan begrenses til fordel for lav friksjon.

Smøremiddelet som fyller et hulrom 29 utenfor tetningen 27 med et trykk svarende til utløpstrykket, må for å strømme videre motstrøms et hulrom 25 til et lager 24 etc. passere trange pasninger i labyrinttetningen 26 som kan være sammensatt av flere seksjoner av konvensjonell type eller eksempelvis utført med skrueformede spor mellom ringformede spor, slik at de skrueformede spor under rotasjon bevirker økt mot-trykk. Labyrinttetningens funksjon er ikke primært å holde tilbake forurensninger, men å bevirke et vesentlig lavere trykk i kjøle- og smøremiddelet på innløpssiden enn på ut-løpssiden. De dynamiske tetninger, eksempelvis i form av konvensjonelle sliteringer som eventuelt vil behøves for å skil-le pumpemedium fra smøre- og kjølevæske ved så vel en indre rotor 34a, 34b som ved en ytre rotor 34c, 34d på innløpssi-den, kan derfor få et moderat utvendig overtrykk styrt av på-ført strømningsmengde gjennom et inntak 31 og labyrinttetningen 26. Denne strømningsmengden kan enten være identisk med en akseptert lekkasjestrøm gjennom sliteringene, som lar noe smøre- og kjølemiddel iblandes råoljen og gjenvinnes sammen med denne, eller den kan være større ved at overskytende deler ledes i egne ikke viste returledninger tilbake til en fødepumpe for smøre- og kjølemedium. I eksemplet forekommer også en ytterligere slitering 34e, 34f som hindrer lekkasje av smøre- og kjølevæske langs motorakslingen 9. I hulrommet 21 mellom den ytre rotor og pumpehusets yttervegger kan det med fordel være arrangert en kjølende sirkulasjon av kjøle-og smøremiddel,

eksempelvis ved at ytre rotor utføres med ikke viste skrueformede utvendige spor, vinger eller lignende.

Av fig. 3 framgår det hvordan den indre rotors skrueformede del 18 i dette eksemplet avsluttes med et avtrappet tverrsnitt 37 på utløpssiden, dog slik at dette tverrsnitt behol-der den skrueformede ,utvendige geometrien som tillater støt-te fra motsvarende hulromsgeometri nær utløpssiden 22 av ytre rotor. Mot innløpssiden går den indre rotors skrueformede del 18 via et bend 36 over i en vridningsstiv, men mindre bøye-stiv, rett drivaksel 35 med senterakse som i det minste tilnærmet løper gjennom den skrueformede dels tyngdesenter. Drivakselen 35 er igjen stivt, men løsbart forbundet med en stivere sylindrisk part 10 som roterer i den indre rotors lager 11. Et bend 36 er i dette tilfellet kun avbøyd i ett plan for å kompensere den eksentriske posisjon for den skrueformede dels transversalsnitt. Den beskjedne bøyestivhet i drivakselen 35 tillater at den skrueformede del 18 ruller over eller på annen måte gir rom for harde partikler som leilighetsvis posisjonerer seg i den trangeste spalte mellom den indre og den ytre rotor, uten at dette medfører dramatis-ke belastningstopper for den indre rotors lager 11.

Overgangen mellom drivakselen 35 og den indre rotors forlengelse 10 med lageret 11 og tannhjulet 33 utgjøres av monte-ringsmessige årsaker av en løsbar forbindelse, eksempelvis i form av splines 35a og en sentral bolt som fra en fordypning innenfor fortanningen 32 skrus inn i drivakselen 35. Den bøyestive sylinderflaten 34a har et slitebelegg med en presi-sjonspasning som er tilpasset en slitering 34b som forutsettes montert i seksjon 6 av pumpehuset. Sammen danner slite-flaten 34a og sliteringen 34b tilstrekkelig tetning mellom det smøreoljefylte rom som omslutter tannhjulet 33 og det pumpemedium, eksempelvis råolje med et visst innhold av sand-partikler, som ved drift omgir seksjonene 35, 36, 18 og 37. Av hensyn til presisjon i sliteringen og tanninngrep kan det viste hydrostatiske lager 11 eventuelt byttes med et spesielt momentstivt og posisjonsnøyaktig rullelager eller av parvis monterte lagre.

I en girutførelse som er vist med delvis gjennomskårede parter i fig. 4, er det som et lager 14 for mellomhjulet 13 benyttet et toradet vinkelkontakt rullelager fordi dette gir en momentstiv lagring med tilstrekkelig presisjon og kapasitet for momentoverføringen i tannhjulene. Et mellomstykke 42 danner stiv forbindelse mellom et tannhjul 41 og de øvrige parter 19 med flere, som ikke er vist i fig. 4, som sammen ut-gjør pumpens ytre rotor. Med en indre rotor lik den skrueformede del 18, som har Z=l gjengestarter, behøves et oversetningsforhold Z/(Z+1) = 1/2 mellom tannhjulet 41 på den ytre rotor og tannhjulet 33 på den indre rotor, og at den indre og den ytre rotor har samme rotasjonsretning. Det finnes intet slingringsmonn i dette oversetningsforholdet.

I viste utførelseseksempel er dette oppnådd ved at tannhjulet 33 har zi = 33 tenner, tannhjulet 39 har z2 = 57 tenner, tannhjulet 40 har z3 = 76 tenner og tannhjulet 41 har z4 = 88 tenner. Oversetningsforholdet oppfyller da kravet ved at:

For at det skal være mulig å montere motorakslingen 9 og tannhjulet 38 konsentrisk i forhold til den ytre rotor 41, 42, 19 etc, uten bruk av mellomaksling med kardangledd slik vanlig er i klassiske PCP-pumper, må differansen mellom tanntallet z5 for tannhjulet 32 på den indre rotors forlengelse og tanntallet z6 for tannhjulet 38 på motorakslingen være:

der E er eksentrisitet eller avstand mellom den indre rotors og den ytre rotors, eller motors, sentralakser, mx er dette tannparets tannhjulsmodul, og en viss grad av tilnærming til-

lates ved eks. evolventfortanning. Dette kravet utgjør vanligvis ingen kritisk begrensning, siden motoren kan ha tur-tallsregulering (VFD), siden omsetningsforholdet mellom motor og pumperotorer kan varieres ved å variere tanntallene z5 og z6 parallelt, og siden omsetningsforholdet kan gjøres større eller mindre enn 1 ved å bytte om hvilke som helst av tannhjulene 38 og 32 som gis henholdsvis innvendig og utvendig fortanning.

Mer begrensende for valgbare modul- og tanntallkombinasjoner er imidlertid følgende krav:

der Em er akselavstanden mellom ytre rotor, sammenfallende med tannhjulet 41, og mellomhjulet 13, og m2 er modul for dette tannparet, som kan avvike fra modulen i tannparet 32, 38. Det er her forutsatt at senteraksene for mellomhjulet 13 ligger i samme plan som ytre og indre rotors akser, men at mellomhjulet 13 ligger på motsatt side i forhold til indre rotor.

Videre kreves at:

der m3 kan være ytterligere en modul for dette tannparet. Valgbarheten for m1# m2, m3 og Em vil i de fleste tilfeller gjøre det mulig å tilpasse et egnet gir etter prinsippene i viste utførelseseksempel. I de benyttede figureksempler er kravene oppnådd med like tannhjulsmoduler og motsatt like eksentrisiteter:

I fig. 5 er det vist et prinsipielt annerledes utført tannhjulsgir som kreves beskyttet i henhold til spesifikke under-krav i søknaden. Her er en ytre rotor 19a, som er vist forenklet og delvis gjennomskåret, stivt forbundet med det utvendige tannhjul 43, mens den indre rotor 18a er stivt forbundet med det utvendige tannhjul 33a. Ytre og indre rotors lagre er ikke vist. Tre tannhjulsaksiinger 44, 45a, 45b er arrangert parallelt med og i lik avstand fra rotasjonsaksen til ytre rotor 19a og dennes tannhjul 43. På tannhjulsaks-lingen 44 er det montert 2 konsentriske, utvendige fortan-ninger 46 og 48, hvorav 48 går i inngrep med ytre rotors fortanning 43, mens 46 går i inngrep med et drivende tannhjul 38a montert på motorakslingen 9a, motor ikke vist som har sammenfallende rotasjonsakse med den ytre rotor. Tannhjulsakslingene 45a, 45b skiller seg prinsipielt fra 44 kun ved at de har ytterligere en utvendig fortanning 47a, 47b. Tannhjulene 4 8a, 4 8b, 4 8 har innbyrdes likt tanntall og deler inngrep med tannhjulet 43, tannhjulene 46a, 46b, 46 har også innbyrdes likt tanntall og deler inngrep med tannhjulet 38a, mens tannhjulene 47a, 47b er like og deler inngrep med indre rotors tannhjul 33a. Ved at kun to tannhjul 47a, 47b er i inngrep med indre rotors tannhjul 33a, mens tre tannhjul 48, 48a, 48b er i inngrep med den ytre rotors tannhjul 43, tillates den indre rotor å ha sin dreieakse parallelt med, men i eksentrisk avstand (E) fra ytre rotors dreieakse. Det kan være fordelaktig som i viste eksempel at aksene til indre rotor og til tannhjulene 47a, 47b ligger tilnærmet i samme plan. Videre kan det være fordelaktig av hensyn til belast-ningsforhold og konstruktive hensyn at tannhjulsakslingene 44, 45a og 45b har tilnærmet lik avstand fra hver-

andre, men dette er ikke et nødvendig krav. Akslingen 44 med tannhjulene 46 og 48 kan endog sløyfes helt eller byttes med flere like akslinger montert i samme avstand fra ytre rotors dreieakse. Likeledes kan en av akslingene 45a, 45b sløyfes dersom dette tillater tilstrekkelig kraftoverføring. Det kan derimot ikke være flere enn to akslinger lik 45a, 45b med

tannhjul 47a, 47b i inngrep med den indre rotors tannhjul 33a, og når to akslinger 47a, 47b benyttes må planet gjennom deres dreieakser stå loddrett på planet gjennom den indre rotors 33a, 18a og den ytre rotors 43, 19a dreieakser. Videre må følgende oversetningsforhold være innfridd:

der Z er antall gjengestarter for indre rotor Z=l i fig. 5, z0 er tanntallet på den ytre rotors tannhjul 43, zP1 er tanntallet på planethjulene 48, 48a, 48b, zP2 er tanntallet på planethjulene 47a,47b og Zi er tanntallet på indre rotors tannhjul 33a.

I fig. 6 er vist gjennomskåret og forenklet en ytterligere utførelse 100 av sammenstilt pumpe og motor i henhold til oppfinnelsen, jfr. særlig krav 9. Dette er en utførelse som vil være mer kompakt i aksiell retning og som vil forenkle utførelsen av det konvensjonelle giret, men som også vil kre-ve mer plass på tvers av pumpemediets strømningsretning. Denne utførelsen tenkes montert slik at den erstatter et tilnærmet rett rørstykke mellom to konsentriske rørflenser, idet rørflensene med mellomliggende pakninger boltes, idet bolte-hull ikke er vist, mot henholdsvis en flate 101, som kan være pumpens innløps- eller utløpsside avhengig av rotasjonsretning, og flaten 107 på pumpens motstående side. Pumpen med motor og gir er tett innelukket i girhuset 102, vist gjennomskåret i to plan, og pumpehuset 101 som er innbyrdes tett forbundet med hverandre og med nevnte rørflenser. Motorens rotor 106 omslutter og er fast sammenbygget med pumpens ytre rotor 119, slik at motorens rotor og pumpens ytre rotor i dette tilfellet deler lagrene 116 og 124. Motorens stator 105 er stivt forbundet med pumpehuset 104. Pumpens indre rotor 118 med den dreiestive, men mindre bøyestive drivakselen 135 er stivt forbundet med en hul forlengelse 110 via eker 110a som fortrinnsvis er skrueformede, men vist forenklet. Den hule forlengelsen 110 av indre rotor, som også omfatter en utvendig fortanning 133, er fortrinnsvis aksielt fiksert, men roterer fritt i et lager 111 som utgjør den indre rotors eneste lager. På motsatt side er den indre rotors skrueformede del 118 fortrinnsvis avsluttet med en nedtrappet ende 137 nær avslutningen av den ytre rotors 119 skrueformede hulrom. Nær monteringsflensen 107 forekommer kun 1 dynamisk tetning 127, eksempelvis i form av en slitering. Dersom det ikke er nødvendig å isolere motor, lagre og tannhjulsforbindeIser fra pumpemediet, kan man dersom pumpen roterer slik at flensen 107 kommer på utløpssiden, sløyfe dynamiske tetninger på motsatt side slik at tetningen 127 blir pumpens eneste dynamiske tetning. I fig. 6 er det dog antatt at pumpemediet er av en slik art at dette ikke kan tillates. Det kan da i prinsippet bli nødvendig med ytterligere 3 dynamiske tetninger 134a, 134b, 134c, der 134a-b tetter mot indre rotor, mens 134c tetter mot ytre rotor. På figuren er det antydet en spesiell ut-førelsesvariant der 134c er en fjærbelastet mekanisk tetning der fjærene også gir anleggstrykk mellom tetningsflåtene 134b, ved at mellomstykket 103 er utformet som en sleide som glir fritt i aksiell retning i girhuset 102.

Det konvensjonelle giret som i henhold til søknadens hoved-krav skal fastholde riktig, relativ rotasjonshastighet mellom indre og ytre pumperotor uavhengig av drivende kontakt direkte mellom disses skrueformede overflater, utgjøres i dette tilfellet av en vesentlig forenklet versjon av giret vist i fig. 5. Partene som svarer til akslingene 9a og 44 samt tannhjulene 38a, 46, 46a, 46b og 48 vil være overflødige og akslingene 45a og 45b kan forkortes. I fig. 6 svarer de gjen-stående tannhjul 143, 148, 133 og 147 til henholdsvis 43,

48a, 33a og 47a i fig. 5. Motorens rotor 106 vil drive den ytre pumperotor 119 og tannhjulet 143 direkte, og sette tann-

hjulene 148 og 147 med ikke vist felles aksling i innbyrdes synkron bevegelse. Tannhjulet 147 går videre i inngrep med tannhjulet 133 som da vil drive den indre rotor 118 i forut-setningsvis helt nøyaktig omsetningsforhold (Z+D/Z i forhold til ytre rotor, dvs:

der Zi43, z148, z147, z133 er tanntallene for henholdsvis 143, 148, 147 og 133.

Claims (16)

1. Eksenterskruepumpe (1) omfattende minst én indre rotor (18) med Z utvendige gjenger og minst én tilpasset ytre rotor (19) med Z+l innvendige gjenger, karakterisert ved at den ytre rotor har minst to radiallagre (16, 24), fortrinnsvis ett nær hver ende - mens den indre rotor kun har radiallager (11) til en side for sin skrueformede del, og at det på samme side som den indre rotors lager (11) er arrangert et konvensjonelt gir, eksempelvis et tannhjulsgir, som er innrettet til å fastholde et stabilt forhold mellom den indre (18) og den ytre (19) rotors turtall lik forholdet (Z+l)/Z uavhengig av drivende kontakt mellom den indre og den ytre rotors skrueformede flater.

2. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 1, karakterisert ved at det konvensjonelle gir og den indre rotors lager (11) er arrangert på eksenterskrue-pumpens (1) innløpsside.

3. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 2, karakterisert ved at diameteren av den ytre rotors dynamiske tetning (27) på utløpssiden er minimert ved at den indre rotor (18) er avsluttet oppstrøms i forhold til en tetning, at et strømningstverrsnitt (23) i den ytre rotor er sirkelrundt under en tetning og at den ytre rotors hulromstverrsnitt i dette området er redusert prinsipielt motsvarende tverrsnittsarealet av den indre rotors skrueformede del.

4. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 3, karakterisert ved at det som tetning på den ytre rotors utløpsside benyttes en mekanisk tetning utført slik at så vel statiske som dynamiske parter er tilpasset installasjon innvendig i boringer.

5. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 1, særlig for installasjon i trange rør og der lavt reservoirtrykk på sugesiden gir risiko for kavitasjon, karakterisert ved at det konvensjonelle giret og den indre rotors lager er arrangert på pumpens utløpsside, at den indre rotor begynner nedstrøms i forhold til ytre rotors lagre og dynamiske tetninger på innløpssiden, og at strømningstverrsnittet oppstrøms i forhold til indre og ytre rotorers skrueformede deler er sirkelrundt med maksimalt areal i forhold til tilgjengelig plass innenfor ytre rotors lagre og tetninger.

6. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 1, karakterisert ved at det benyttes et tannhjulsgir der en utvendig fortanning på den indre rotor (33) står i inngrep med en innvendig fortanning (39) på et mellomhjul (13) med rotasjonsakse parallelt med indre rotor (10,18) og eksentrisk på motsatt side i forhold til ytre rotors (42, 19) akse, der mellomhjulet også har en utvendig fortanning, og der mellomhjulets utvendige fortanning (40) står i inngrep med en innvendig fortanning (41) på ytre rotor.

7. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 6, karakterisert ved at motoren er arrangert eksentrisk i forhold til ytre rotor og driver indre rotor direkte via en konvensjonell kopling.

8. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 6, karakterisert ved at motoren er arrangert konsentrisk og driver indre rotor via en mellomaksling med to universalledd.

9. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 6, karakterisert ved at ytre rotor drives direkte av en motor ved at motorens rotor er fast forbundet med og konsentrisk omslutter pumpens ytre rotor og motorens stator er fiksert i samme hus som lagrene til pumpens ytre rotor, og der nevnte hus kan bestå av en part eller flere parter stivt forbundet med hverandre.

10. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 6 særlig for installasjon i trange rør, karakterisert ved at motoren (8) er installert konsentrisk med ytre rotors akse og at det på motorens drivaksling (9, 9a) er montert et tannhjul (38) som står i inngrep med et tannhjul (32) på pumpens indre rotor (10,18).

11. Eksenterskruepumpe i henhold til et eller flere av kravene 1-6, karakterisert ved at motorens rotor utgjør en direkte forlengelse av ytre pumperotor på motsatt side av det konvensjonelle giret, at motorens rotor kun eller delvis har samme lagre og dynamiske tetninger som ytre pumperotor, og at motorens rotor har et innvendig fortrinnsvis sirkulært hulrom i direkte forlengelse av ytre pumperotors skrueformede hulrom.

12. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 10, karakterisert ved at den faste forbindelse mellom den ytre pumperotor og motorens rotor inneholder hovedsakelig radielle åpninger som tillater deler av pumpemediet å strømme utvendig forbi motoren for å bidra til kjøling av denne.

13. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 11, karakterisert ved at det er arrangert dynamiske tetninger på begge sider av nevnte åpninger for å avskjære pumpemediet fra direkte kontakt med motorviklinger eller lagre.

14. Eksenterskruepumpe i henhold til et av kravene 7 eller 9, karakterisert ved at motorens rotor er hul og tillater gjennomstrømning av pumpemedium.

15. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 1, karakterisert ved at det benyttes et tannhjulsgir omfattende for ytre rotor et drivende tannhjul med utvendig fortanning omsluttende ytre rotors hulrom, for indre rotor et drivende tannhjul med utvendig fortanning omsluttende et gjennomstrømningstverrsnitt, og for pumpens motor et drivende tannhjul konsentrisk arrangert i forhold til ytre rotor, at det finnes minst to planetakslinger med rotasjonsakse arrangert i samme faste avstand fra motors og ytre rotors rotasjonsakser, at hver av de nevnte planetakslinger inneholder hvert sitt tannhjul for konstant inngrep med henholdsvis den ytre rotors og motors tannhjul, og at en eller to av de nevnte planetakslinger i tillegg inneholder et tannhjul for konstant inngrep med den indre rotors tannhjul.

16. Eksenterskruepumpe i henhold til krav 1, karakterisert ved at motoren omslutter den ytre rotor slik at den ytre rotor og motorens rotor er sammenbygget og roterer sammen i felles lagre, at ytre rotor på en side, fortrinnsvis innløpssiden, har en utvendig fortanning som står i konstant inngrep med ett eller to planethjul hver med to tannhjul på felles aksel hvorav det ene er i inngrep med ytre rotors tannhjul og det andre er i inngrep med et tannhjul fast og konsentrisk montert på indre rotor, og at tannhjulene til sammen danner utvekslingsforholdet (Z+D/Z mellom hhv pumpens indre og ytre rotor.