NO853670L

NO853670L - REFRIGERATIVE PUMP COOLING DEVICE.

Info

Publication number: NO853670L
Application number: NO853670A
Authority: NO
Inventors: Jostein Erstad
Original assignee: Framo Dev Ltd
Priority date: 1984-09-20
Filing date: 1985-09-19
Publication date: 1986-03-21
Also published as: GB8423793D0; EP0178087A1; AU4758585A; JPS61118595A

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører avkjøling av motorer i elektrisk drevne, nedbrytbare pumpehoder. The present invention relates to the cooling of motors in electrically driven, degradable pump heads.

Pumpesystemer for anvendelse eksempelvis på offshore-installasjoner eller i lastetankene på skip for transportering av olje og løsvekts-kjemikalier kan omfatte pumpehode med en pumpeseksjon innbefattende et skovlhjul og et motorkammer som opptar en elektromotor for drift av skovlhjulet, og en rørsats som er innrettet for å opphenges i en bæredel, med sin nedre ende forbundet med pumpehodet, og som er utstyrt med en utløps-kanal for det pumpede fluidum, samt strømledninger for over-føring av kraft til elektromotoren. Pumping systems for use, for example, on offshore installations or in the cargo tanks of ships for the transport of oil and bulk chemicals may comprise a pump head with a pump section including an impeller and a motor chamber which accommodates an electric motor for operating the impeller, and a set of pipes which are arranged to is suspended in a support part, with its lower end connected to the pump head, and which is equipped with an outlet channel for the pumped fluid, as well as power lines for transferring power to the electric motor.

Elektromotoren i pv.rnpehodet vil nødvendigvis utvikle spillvarme, og må derfor avkjøles for å kunne oppnå en rimelig levetid. En viss avkjøling kan gjennomføres ved at væske-strømmen som pumpes, ledes langs utsiden av ytterhuset som opptar motoren, og/eller ved sirkulering av en dielektrisk væske gjennom ytterhuset, som beskrevet i europeisk patentpublikasjon 0 063 444. The electric motor in the pv.rnpehead will necessarily develop waste heat, and must therefore be cooled in order to achieve a reasonable lifetime. A certain amount of cooling can be achieved by directing the liquid flow that is pumped along the outside of the outer housing that houses the motor, and/or by circulating a dielectric liquid through the outer housing, as described in European patent publication 0 063 444.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det imidlertid frembrakt et pumpehode som er innrettet for neddykking i et fluidum som skal pumpes og som omfatter en skovhjulsanordning for fjerning av fluidet, et motorhus som opptar en elektromotor for drift av skovlhjulanordningen og midler for opprettelse av en fluidumstrøm i motorhuset, for avkjøling av motoren. According to the present invention, however, a pump head has been produced which is arranged for immersion in a fluid to be pumped and which comprises an impeller device for removing the fluid, a motor housing which accommodates an electric motor for operating the impeller device and means for creating a fluid flow in the motor housing , for cooling the engine.

Ved at pumpet fluidum faktisk ledes inn i motorhuset, er det mulig å opprette en varmevekslingsforbindelse med motoren som er meget mer effektiv enn den som kan oppnås ved å lede fluidet langs motorhusets yttervegg. Det pumpede fluidum bringes fortrinnsvis til å gjennomstrømme én eller flere skrue-formede vindinger som er anordnet rundt motoren, mellom denne og motorhusveggen. Det pumpede fluidum som ledes gjennom motorhuset, kan med fordel utgjøre bare en meget liten del av den totale fluidumsmengde som forflyttes av skovlhjulanordningen. Etter å ha gjennomløpt sin bane i motorhuset kan fluidet ut-strømme mot yttersiden av pumpehodet. By the fact that the pumped fluid is actually led into the engine housing, it is possible to create a heat exchange connection with the engine that is much more efficient than that which can be achieved by guiding the fluid along the outer wall of the engine housing. The pumped fluid is preferably caused to flow through one or more screw-shaped windings which are arranged around the motor, between this and the motor housing wall. The pumped fluid which is led through the motor housing can advantageously constitute only a very small part of the total amount of fluid which is moved by the paddle wheel device. After running its course in the motor housing, the fluid can flow out towards the outside of the pump head.

Selv om det kan være anordnet separate skovlhjul, vil kjølefluidet fortrinnsvis ledes gjennom motorhuset under på-virkning av det trykk som frembringes av pumpehodets skovlhjulanordning. Kjølemediumstrømmen vil følgelig øke ved inn-snevring av pumpehodeutløpet, f.eks. grunnet stenging av en ut-løpsventil for minsking av fluidumstrømmen ved den utløps-stasjon hvortil fluidet transporteres av pumpehodet. En slik minsking av utløpsstrømmen medfører økning av varmeutviklingen i pumpehodet, og kjølesystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse er derfor innrettet for å kompensere dette ved auto-matisk økning i avkjølingen. Vil pumpehodet også, selv ved fullstendig lukket utløpsventil, fortsatt kunne være i funksjon uten alvorlig overheting. Although separate paddle wheels may be arranged, the cooling fluid will preferably be led through the motor housing under the influence of the pressure produced by the pump head's paddle wheel arrangement. The coolant flow will consequently increase when the pump head outlet is narrowed, e.g. due to the closing of an outlet valve to reduce the fluid flow at the outlet station to which the fluid is transported by the pump head. Such a reduction in the outlet flow leads to an increase in heat generation in the pump head, and the cooling system according to the present invention is therefore designed to compensate for this by automatically increasing the cooling. Will the pump head also, even with the discharge valve completely closed, still be able to function without serious overheating.

Det pumpede fluidum som ledes gjennom motorhuset kan med fordel være avledet fra lekkasjestrømmen gjennom de sliteringer som vanligvis er innmontert mellom den roterbare skovlhjulanordning og den tilstøtende ende av motorhuset og som normalt utgjør 3-5% av totalstrømmen. The pumped fluid that is led through the motor housing can be advantageously derived from the leakage flow through the wear rings that are usually fitted between the rotatable paddle wheel device and the adjacent end of the motor housing and which normally make up 3-5% of the total flow.

Det indre av motorhuset kan være fylt med en dielektrisk væske som med henblikk på avkjøling kan sirkulere gjennom et kretssystem bestående av motorhuset, kanaler som forløper langs den rørsats hvorimellom det pumpede fluidum ledes oppad til en utløpsstasjon, pumpen og en varmeveksler som er anbrakt ved utløpsstasjonen, som beskrevet i europeisk patentpublikasjon 0 063 444. Med den avkjøling som kan oppnås ifølge foreliggende oppfinnelse vil det imidlertid i mange tilfeller være tilstrekkelig at den dielektriske væske utelukkende sirkulerer i motorhuset. The interior of the engine housing can be filled with a dielectric fluid which, for the purpose of cooling, can circulate through a circuit system consisting of the engine housing, channels that run along the set of pipes between which the pumped fluid is led upwards to an outlet station, the pump and a heat exchanger located at the outlet station , as described in European patent publication 0 063 444. However, with the cooling that can be achieved according to the present invention, in many cases it will be sufficient for the dielectric liquid to circulate exclusively in the motor housing.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til med medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et forenklet, skjematisk sideriss av et pumpesystem med et elektrisk drevet, neddykkbart pumpehode ifølge oppfinnelsen. Fig. 2A og 2B viser lengdesnitt, i meget større måle-stokk, som utelukkende omfatter henholdsvis det øvre og det The invention is described in more detail below with reference to accompanying drawings, in which: Fig. 1 shows a simplified, schematic side view of a pump system with an electrically driven, submersible pump head according to the invention. Fig. 2A and 2B show longitudinal sections, on a much larger scale, which exclusively include the upper and the

nedre parti av pumpehodet ifølge fig. 1.lower part of the pump head according to fig. 1.

Det er i fig. 1 vist et pumpesystem som omfatter en rør-sats 1 som er opphengt i en bæredel 2, med pumpehodet 4 i den nedre ende av rørsatsen neddykket i en væske som skal pumpes ved hjelp av pumpehodets skovlhjul, for å utstrømme gjennom en utløpsventil (ikke vist) som er anordnet ved en utløpsstasjon ved bæredelen. Rørsatsen 1 omfatter konsentriske inner- og ytterrør 5 og 6, og det indre av innerrøret 5 opptar elektriske ledninger som strekkes imellom bæredelen 2 og en elektromotor som er innmontert i pumpehodet 4, for drift av skovlhjulet. Det ringformede rom mellom innerrøret 5 og ytterrøret 6 tjener som en utløpskanal hvorimellom væsken som pumpes, ledes oppad til utløpsstasjonen. It is in fig. 1 shows a pump system comprising a pipe set 1 which is suspended in a support part 2, with the pump head 4 at the lower end of the pipe set immersed in a liquid to be pumped by means of the pump head's impeller, to flow out through an outlet valve (not shown ) which is arranged at an outlet station at the carrier part. The pipe set 1 comprises concentric inner and outer pipes 5 and 6, and the interior of the inner pipe 5 accommodates electrical wires which are stretched between the carrier part 2 and an electric motor which is installed in the pump head 4, for operation of the vane wheel. The annular space between the inner pipe 5 and the outer pipe 6 serves as an outlet channel between which the liquid that is pumped is led upwards to the outlet station.

Pumpehodet 4 som er vist i fig. 2A og 2B, omfatter et innerhus 10 med en sylindrisk sidevegg 11 og en øvre endearmatur 12 for fastgjøring av innerhuset til innerrøret 5 i rørsatsen. Innerhuset 10 opptas i et ytterhus 20 som likeledes omfatter en sylindrisk sidevegg 21 som er konsentrisk med sideveggen 11, og en endearmatur 22 som er forbundet med ytterrøret 6. Det ringformede rom mellom husene 10 og 20 opptar væsken som pumpes, og står i forbindelse med utløpskanalen i rørsatsen. Det er i innerhuset 10 innmontert en elektromotor med en midtre drivaksel 14 som er forbundet med en rotor 15 som omsluttes av en ringformet stator 16. The pump head 4 shown in fig. 2A and 2B, comprises an inner housing 10 with a cylindrical side wall 11 and an upper end fitting 12 for attaching the inner housing to the inner tube 5 in the tube set. The inner housing 10 is accommodated in an outer housing 20 which likewise comprises a cylindrical side wall 21 which is concentric with the side wall 11, and an end fitting 22 which is connected to the outer pipe 6. The annular space between the housings 10 and 20 accommodates the liquid that is pumped, and is in connection with the outlet channel in the pipe set. An electric motor with a central drive shaft 14 is installed in the inner housing 10 which is connected to a rotor 15 which is enclosed by an annular stator 16.

Den øvre ende av innerhuset 10 opptar en bæredel 17 bestående av konsentriske hylsepartier som er sammenføyd gjennom et øvre, ringformet steg. Den øvre ende av motordrivakselen 14 er opplagret i den nedre ende av innerhylsen, og ytterhylsens ytterside dannes sammen med yttersiden av statoren 16 en sylinderflate som er atsxilt fra sideveggen 11, for avgrensing av et ringformet kammer 24. De elektriske ledninger som opptas i rørsatsens innerrør 5, er forbundet med statoren 16 gjennom samleskinnemontasjer 25 som strekker seg gjennom isolerende bøssinger 26 som er innført gjennom åpninger i bæredelens 17 ringformede steg. The upper end of the inner housing 10 occupies a support part 17 consisting of concentric sleeve parts which are joined through an upper, ring-shaped step. The upper end of the motor drive shaft 14 is supported in the lower end of the inner sleeve, and the outer side of the outer sleeve forms, together with the outer side of the stator 16, a cylindrical surface which is detached from the side wall 11, for delimiting an annular chamber 24. 5, is connected to the stator 16 through busbar assemblies 25 which extend through insulating bushings 26 which are introduced through openings in the carrier part 17's annular step.

En nedre bæredel 27 ved underenden av innerhuset 10 består likeledes av indre og ytre, konsentriske hylser hvis nedre ende er forbundet med hverandre gjennom et ringformet steg som er opplagret på og avtettet mot et innvendig endeflensparti 29 av innerhusveggen 11. Delens 27 innerhylse fastholder innerkransene av to aksialt atskilte kulelagre 30 for opp-lagring av drivakselen og rotormontasjen, og hylseytterveggen avgrenser det ringformede kammer 24. A lower support part 27 at the lower end of the inner housing 10 likewise consists of inner and outer, concentric sleeves whose lower ends are connected to each other through an annular step which is supported on and sealed against an inner end flange part 29 of the inner housing wall 11. The inner sleeve of the part 27 holds the inner rings of two axially separated ball bearings 30 for storage of the drive shaft and the rotor assembly, and the sleeve outer wall delimits the annular chamber 24.

Drivakselen 14 strekker seg nedad gjennom flenspartiet 29, og er forbundet med en skovlhjulanordning med skovlhjul-enheter 31 for transportering av væsken som skal pumpes. The drive shaft 14 extends downwards through the flange portion 29, and is connected to a paddle wheel device with paddle wheel units 31 for transporting the liquid to be pumped.

Det indre av motorhusets 10 endearmatur 12 står i forbindelse med innerrøret 5 og kan derved fylles med en dielektrisk eller isolerende væske som medvirker til avleding av den varme som utvikles av motoren og som fungerer som et smøre-middel for drivaksellagrene. Den dielektriske væske fremføres til røret 5 fra en samletank 7 som er anbrakt på bæredelen 2 i slik høyde at den dielektriske væske i motorhuset vil holdes under et statisk trykk som er tilstrekkelig til å motvirke lekkasje av væsken som innpumpes i motorhuset. The interior of the motor housing 10 end fitting 12 is in connection with the inner tube 5 and can thereby be filled with a dielectric or insulating liquid which contributes to the dissipation of the heat developed by the motor and which functions as a lubricant for the drive shaft bearings. The dielectric liquid is fed to the pipe 5 from a collecting tank 7 which is placed on the support part 2 at such a height that the dielectric liquid in the engine housing will be kept under a static pressure which is sufficient to prevent leakage of the liquid pumped into the engine housing.

Den dielektriske væske holdes i sirkulasjon i motorhuset 10 ved hjelp av en sekundær skovlhjulanordning 35 som er fastgjort på drivakselen 14 umiddelbart under lagrene 30. Under innvirkning av denne skovlhjulanordning vil den dielektriske væske ledes fra det ringformede kammer 24, gjennom én eller flere radialt forløpende kanaler 36 i flenspartiet 29 og ut-støtes oppad til lagrene 30 og i sideretning til rommet mellom hylsene på den nedre bæredel 27. Under bevegelsen oppad gjennom spalten mellom rotoren 15 og statoren 16 vil væsken nå det indre av armaturen 12 gjennom én eller flere kanaler i bæredelens 17 stegparti. Den sirkulerende, dielektriske væske inn-strømmer deretter i kammeret 24 gjennom én eller flere kanaler som er anordnet ved ytterkanten av bæredelens 17 stegparti. En pakningsholder 37 som er fastgjort til bæredelen 27 nedenfor den sekundære skovlhjulanordning 35, avgrenser sammen med akselen 14 et ringformet innløpskammer for skovlhjulanordningen. Pakningsholderen er forbundet med paknings-elementet 39 som ligger an mot akselen, for avtetting av den nedre ende av innerhuset 10. The dielectric fluid is kept in circulation in the motor housing 10 by means of a secondary paddle wheel device 35 which is attached to the drive shaft 14 immediately below the bearings 30. Under the influence of this paddle wheel device, the dielectric fluid will be led from the annular chamber 24, through one or more radially extending channels 36 in the flange portion 29 and is ejected upwards to the bearings 30 and laterally to the space between the sleeves on the lower support part 27. During the upward movement through the gap between the rotor 15 and the stator 16, the liquid will reach the interior of the armature 12 through one or more channels in the carrier part's 17 step portion. The circulating dielectric liquid then flows into the chamber 24 through one or more channels which are arranged at the outer edge of the step portion of the carrier part 17. A gasket holder 37 which is attached to the carrier part 27 below the secondary paddle wheel device 35, together with the shaft 14 defines an annular inlet chamber for the paddle wheel device. The gasket holder is connected to the gasket element 39 which rests against the shaft, for sealing the lower end of the inner housing 10.

Flenspartiet 29 ved underenden av innerveggen 11 er på innersiden forbundet med to atskilte, konsentriske sliteringer 40 og 41 som omgir en mellomliggende, oppadrettet slitering 42 som er fastgjort til skovlhjulanordningen 34 med sin frie ende atskilt fra flenspartiet. The flange portion 29 at the lower end of the inner wall 11 is connected on the inside by two separate, concentric wear rings 40 and 41 which surround an intermediate, upwardly directed wear ring 42 which is attached to the paddle wheel device 34 with its free end separated from the flange portion.

sliteringene 40, 41 og 42 som ligger an mot hverandre, opptas i et ringformet kammer 44 som avgrenses oppad av pakningsholderen 37 og står i forbindelse med pumpehodets ytterside gjennom en radial kanal 45 i flenspartiet 29, og derved vil befinne seg under samme trykk som den omgivende væske. Da avtetningen mot akselen 14 ved pakningsholderen 37 er anordnet mellom dette kammeret 44 og innløpskammeret i skovlhjulenheten 35, kan det anvendes relativt svake og følgelig billige pakningselementer 39. the wear rings 40, 41 and 42, which abut each other, are accommodated in an annular chamber 44 which is bounded upwards by the gasket holder 37 and is connected to the outside of the pump head through a radial channel 45 in the flange section 29, and will thereby be under the same pressure as the surrounding fluid. As the seal against the shaft 14 at the gasket holder 37 is arranged between this chamber 44 and the inlet chamber in the paddle wheel unit 35, relatively weak and consequently cheap gasket elements 39 can be used.

Grunnet leding vil varmen som utvikles av elektromotoren, nå innerhuset 10 og fjernes i viss grad ved varmeoverføring til den pumpede væske som strømmer langs husytterveggen. Pumpehodet er imidlertid utstyrt med ytterligere midler for fjerning av Due to conduction, the heat developed by the electric motor will reach the inner housing 10 and be removed to a certain extent by heat transfer to the pumped liquid that flows along the outer housing wall. However, the pump head is equipped with additional means for the removal of

varme fra motoren ved hjelp av den pumpede væske.heat from the engine using the pumped fluid.

Flenspartiet 29 innbefatter således en kanal 50 som ut-munner i rommet ovenfor skovlhjulsliteringen 42 og gjennom de fikserte lagerringer 40 og 41. Denne kanal står i sin øvre ende i forbindelse med et rør 51 som er utformet til en skrueformet spiral i kammeret 24, mellom statoren 16 og bæredelene 17 og 27 på den ene side, og innerhusveggen 11 på den annen. Rørspiralen 51 står i sin øvre ende i forbindelse med et utløpsrør 52 som strekker seg gjennom den øvre ende av innerhusveggen 11, krysser rommet mellom innerhuset og ytterhuset og fortsetter gjennom ytterhusveggen for å utmunne på yttersiden av pumpehodet. Ca. 3-5% av væsken som pumpes av skovlhjulenheten 31, unnviker innad gjennom sliteringene 40, 41 og 42, og av dette kvantum vil en vesentlig del strømme gjennom kanalen 50, rør-spiralen 51 og utløpsrøret 52. Røret 51 omslutter motoren og står i en god varmevekslingsforbindelse med statoren 16, som begunstiges av den dielektriske væske i kammeret 24. Varmeavledningen fra motoren vil følgelig økes i meget stor grad, jevnført med varmeavledningen utelukkende gjennom innerhusveggen 11. Pumpehodets levetid blir derved forlenget, i likhet med dets funksjonsevne, idet væskestrømmen gjennom røret 51 vil øke som følge av en trykkøkning i utløpskanalen, slik at ut-gangsstrømmen ved utløpsstasjonen kan begrenses, selv om pumpe-hodemotoren fortsatt er i funksjon, hvorved risikoen for overheting er meget redusert i forhold til pumpehoder med konven-sjonelle kjølesystemer. The flange portion 29 thus includes a channel 50 which opens into the space above the vane wheel ring 42 and through the fixed bearing rings 40 and 41. This channel is connected at its upper end to a tube 51 which is designed as a helical spiral in the chamber 24, between the stator 16 and the support parts 17 and 27 on one side, and the inner housing wall 11 on the other. The pipe spiral 51 is connected at its upper end to an outlet pipe 52 which extends through the upper end of the inner housing wall 11, crosses the space between the inner housing and the outer housing and continues through the outer housing wall to open on the outside of the pump head. About. 3-5% of the liquid pumped by the vane wheel unit 31 escapes inwards through the wear rings 40, 41 and 42, and of this quantity a significant part will flow through the channel 50, the pipe spiral 51 and the outlet pipe 52. The pipe 51 encloses the engine and stands in a good heat exchange connection with the stator 16, which is favored by the dielectric liquid in the chamber 24. The heat dissipation from the motor will consequently be increased to a very large extent, in line with the heat dissipation exclusively through the inner housing wall 11. The life of the pump head is thereby extended, as is its functionality, as the liquid flow through the pipe 51 will increase as a result of a pressure increase in the outlet channel, so that the output flow at the outlet station can be limited, even if the pump head motor is still in operation, whereby the risk of overheating is greatly reduced compared to pump heads with conventional cooling systems.

Den viste og beskrevne utførelsesform av oppfinnelsen kan varieres på mange måter innenfor oppfinnelsens ramme. The shown and described embodiment of the invention can be varied in many ways within the framework of the invention.

Claims

1. Pump head for immersion in a liquid to be pumped, characterized in that it comprises an impeller device for transporting the liquid, a motor housing with a built-in electric motor for operating the impeller device, and means for creating a liquid flow in the interior of the motor housing, for cooling of the engine.

2. Pump head in accordance with claim 1, characterized in that the fluid flow in the motor housing is kept in motion by the paddle wheel device.

3. Pump head in accordance with claim 2, characterized in that the impeller device is located below the motor housing, and that the flow path of the coolant extends upwards in the motor housing to an outlet on the outside of the pump head.

4. Pump head in accordance with one of claims 1-3, characterized in that sealing elements are mounted between the impeller device and the motor housing, and that the coolant flow is formed by leakage through the sealing parts.

5. Pump head in accordance with claim 3 or 4, characterized in that the sealing means comprise a first pair of sealing surfaces which abut each other between the fluid outlet of the vane-wheel device and a second pair of sealing surfaces in contact with each other, that the flow path for the coolant includes an inlet between the first and the second pair of sealing surfaces and an outlet to the outside of the pump head, and that a leakage path to the pump exterior includes an outlet located within the second pair of sealing surfaces.

6. Pump head in accordance with claim 5, characterized in that the sealing means consist of inner and outer wear rings on one motor housing section and the paddle wheel device, and an intermediate wear ring on the other motor housing section and the paddle wheel device, which is taken up between the inner ring and the outer ring, and that the coolant flow has a flow path whose inlet is located above the intermediate wear ring.

7. Pump head in accordance with claim 6, characterized by a chamber in the inner wear ring, which is connected to the outside of the pump head.

8. Pump head in accordance with claim 7, characterized in that the motor is arranged for operation of a secondary paddle wheel device which is installed in the motor housing, for creating circulation of dielectric fluid therein, and which is equipped with an inlet which is separated from the chamber through secondary sealing parts between the motor housing and the motor.

9. Pump head in accordance with one of the preceding claims, characterized in that the electric motor comprises an annular stator part which is arranged around a rotor assembly which extends outwards from the motor housing, for operation of the paddle wheel device, the coolant flow being directed between the stator and the motor housing.

10. Pump head in accordance with one of the preceding claims, characterized in that the coolant flow is advanced in a helical spiral path in the motor housing and around the electric motor.