DE69401384T2 - Schraubenfluidmaschine - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Schraubenfluidmaschine, wie eine Pumpe oder einen Motor, vom Typ eines progressiven Hohlraums, in dem allgemein ein Rotor mit n Anfängen veranlaßt wird, sich zu drehen und innerhalb des Stators mit n+1 Anfängen umzulaufen. Alternativ wurde in dem US-Patent Nr. 1892217 vorgeschlagen, eine Pumpe oder einen Motor herzustellen, bei der/dem sich der Stator - das äußere Element - dreht, statt fixiert zu sein, und das äußere Gehäuse eine Kammer bildet, in der sich der Rotor um eine feste Achse dreht und durch die das Fluid gepumpt wird.
• Das Gehäuse der Kammer wird zur Drehung um seine Achse durch Platten, die den Innenteil der Endwände der Kammern an jedem Ende der Pumpe bilden, durch die Fluid hindurchgeht, an der Außenseite des Pumpengehäuses gehalten. Bei diesem Vorschlag wird Fluid durch diese haltenden Endwände, die als die Einlaß-/Auslaß-Leitungen der Pumpe gezeigt sind, zu oder von dem Gehäuse geleitet. O-Ringe sind vorgesehen, um die Axialdrucklager zwischen ihren Haltern und dem Gehäuse zu halten, um eine maximale Versetzung zuzulassen, und am Eingang der Antriebswelle für das innere Element.
• Somit offenbart die US-A-1892217 eine Schraubenfluidmaschine, enthaltend eine Antriebswelle, ein festes Außengehäuse, das ein erstes Antriebswellenende und ein zweites Ende entgegengesetzt dem ersten Antriebswellenende hat, ein Außendrehelement, das eine weibliche Schraubgetriebeform mit n Anfängen hat, Einrichtungen, die das Außendrehelement zum Drehen um eine erste feste Achse abstützt, die durch das feste Außengehäuse definiert ist, ein Innendrehelement, das eine männliche Schraubgetriebeform mit n ± 1 Anfängen hat, welches Innendrehelement innerhalb des Außendrehelements um eine zweite feste Achse drehbar ist, welche zweite Achse beabstandet ist von und im wesentlichen parallel ist zu der ersten Achse, wobei das Innendrehelement zur Drehung nur mittels des Außendrehelements und mittels einer Kopplung mit der Antriebswelle abgestützt ist. Dieselben Merkmale sind in der WO-A-9 308 402 (Fig. 23) offenbart.
• Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Außendrehelement einen Elastomermaterial-Körper, in dem die weibliche Schraubgetriebeform vorgesehen ist, ein umgebendes, röhrenartiges Metallrohr und zwei Lagerzonen an dem röhrenartigen Metallrohr mit einer an jedem axialen Ende des Außendrehelements enthält, welche Lagerzonen axial voneinander beabstandet sind, daß zwischen den Lagerzonen des röhrenartigen Metallrohrs und dem Außengehäuse ein Elastomermaterial-Lagerelement positioniert ist, das wirksam ist, um ein Radiallager für das Außendrehelement bereitzustellen, daß eine ringförmige radial, verlaufende Lageroberfläche auf der Lagerzone an dem ersten Antriebswellenende des Außengehäuses vorgesehen ist, und daß ein axial elastisch angebrachtes, axial ringförmiges Axialdrucklager auf dem Außengehäuse angebracht und mit der ringförmigen, radial verlaufenden Lageroberfäche in Eingriff ist.
• Bei der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse der Pumpe fixiert und das äußere Drehelement wird zur Rotation in ihm radial und axial gehalten. Das Innendrehelement, das dem Rotor herkömmlicher drehender und umlaufender Pumpen entspricht, kann zur Drehung um die Achse angetrieben werden, die durch die Antriebswelle bestimmt ist. Das Innendrehelement wird gehalten von dem und greift ein in das Außendrehelement.
• Während die Pumpe nach dem Stand der Technik vier Dichtungen zum Betrieb benötigt, sind für den Betrieb der Pumpe der Erfindung nur eine Dichtung zum Abdichten der Antriebswelle, und drei prozeßgeschmierte Lager erforderlich.
• Im Vergleich zu herkömmlichen Schraubenpumpen, bei denen sich das innere Element oder der Rotor dreht und innerhalb des stationären Stators umläuft, ist die Antriebswellenanordnung besonders einfach, da der Rotor direkt von der Antriebswelle des Motors oder einem Getriebeausgang angetrieben werden kann und keine flexible Kupplung erforderlich ist.
• Herkömmlicherweise bringt eine flexible Antriebswelle eine Kupplung mit sich, die allgemein gegen das Eintreten von gepumptem Fluid oder unter Druck befindlichem Fluid, das den Motor antreibt, geschützt sein muß. Damit ist die Anordnung der vorliegenden Erfindung beachtlich einfacher als der herkömmliche Umlaufrotortyp einer Fluidmaschine. Auch ist die gesamte Pumpenlänge geringer als jegliche ähnliche Pumpe mit progressivem Hohlraum, wodurch die Herstellungskosten und das enthaltene Fluidvolumen verringert werden.
• Ferner gestattet die vorliegende Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen Typ einer Pumpe dem Rotor, sich bei derselben Hohlraumprogression mit dem Zweifachen der Geschwindigkeit eine herkömmlichen äquivalenten Rotors zu drehen. Damit ist das Drehmomenterfordernis die Hälfte jenes einer herkömmlichen Pumpe, und ein kleinerer Rotor kann verwendet werden.
• Dies findet insbesondere bei Bohrpumpen unten in einem Loch Anwendung, wo der erforderliche Raum für einen Motor nicht verfügbar sein kann, und Pumpen mit progressivem Hohlraum allgemein durch eine Welle vom Grundpegel angetrieben werden müssen. Dies ist störend; jedoch ist es mit der vorliegenden Erfindung wegen der Größenverringerung des erforderlichen Motors möglich, den (elektrischen) Motor bei der Bohrlochausrüstung im Anschluß an die Pumpe zu positionieren, wobei die einzige Verbindung zur Oberfläche zusätzlich zum Zuführrohr die Netzleitungen für den Motor sind.
• Die Anpassung dieser Form einer Fluidmaschine ist insbesondere vorteilhaft, wenn Fluide herangezogen werden, deren Eigenschaften unerwünscht werden können, wenn sie der Zentrifugalwirkung einer herkömmlichen progressiven Hohlraumpumpe ausgesetzt werden, wo der Hohlraum im wesentlichen schraubenförmigen Wegen folgt; bei der vorliegenden Erfindung sind die Wege, denen gefolgt wird, im wesentlichen linear. Daher tritt keine Zentrifugalwirkung auf, die mehr abrasive Teilchen aussondern kann, als sich üblicherweise an den Dichtlinien um den Hohlraum sammeln würden. Damit kann ein übermäßiger Verschleiß zwischen dem Rotor und dem Stator vermieden werden, wo Fluide, die abrasive Feststoffe enthalten, vorkommen. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Zentrifugalwirkung, die zum Ausscheiden dieser Feststoffe neigt, nicht vorhanden.
• Verglichen mit der US 1892217 ist die Einlaßkammer stationär, statt sich mit dem Außendrehelement zu drehen. Daher hat die vorliegende Erfindung eine verringerte Tendenz für suspendierte Feststoffe, in der Einlaßkammer zu bleiben, wo sie Verschleiß verursachen können. Vielmehr bedeutet die radiale Einwärtsströmung des zu pumpenden Fluids, daß Fluid kontinuierlich durch die Kammer passieren kann, mit geringer Tendenz für Fluidtaschen, zu stagnieren.
• Ferner ist die einzige von dem Motor benötigte Dichtung eine herkömmliche Dichtung, wie sie üblicherweise bei Tauch motoren verwendet wird. Der Betrieb ist wegen den darüber ausgeübten geringen Druckunterschieden sehr leicht.
• Die Erfindung ist durch die Bezugnahme auf die folgende Beschreibung weiter zu verstehen, wenn sie zusammen mit der angefügten Zeichnung herangezogen wird, in der die einzige Figur einen Querschnitt einer Pumpe gemäß der Erfindung zeigt.
• Die Pumpe hat ein Gehäuse 12, das einen Arbeitsabschnitt 13 hat, in dem ein Innendrehelement 14, das eine männliche Schraubenform von n±1 Anfängen hat, und ein Außendrehelement 15, das eine weibliche Schraubenform mit n Anfängen hat, angeordnet sind, die zur Drehung um jeweilige Achsen 16 und 17 gehalten werden, die um einen Abstand e (die Exzentrizität der Schraubenform des Innendrehelements) voneinander getrennt sind. Das äußere Element 15 wird durch axiale und radiale Lager 18 bzw. 19 gehalten, und das Innendrehelement 14 wird nur durch das Außendrehelement 15 und die Lager des Motors 25 über eine Kupplung 28 gehalten. Der Motor 25 ist an dem Gehäuse über eine Einlaßkammer 21 angebracht, durch die die Antriebswelle 22 hindurchgeht, die den Motor mit dem Innendrehelement verbindet. Radiale Einlaßdurchlässe 27 sind vorgesehen, um dem Inneren der Einlaßkammer 21 Fluid zuzuführen.
• Das Außendrehelement 15 besteht aus einem harten elastomeren Material, wie Neoprengummi, und dies ist auf herkömmliche Weise in eine Metallwalze eingeformt. Zwei Läufer 31, 32, die aus hartem chromplattiertem Werkzeugstahl gebildet sind, sind in die Walze preßgepaßt, wobei jeder Läufer eine zylindrische Außenoberfläche 33 und eine radial einwärts gerichtete Schulter 34 hat, wobei die zwei Schultern ringförmige radial verlaufende Lageroberflächen 35 haben. Die Axiallager, die durch die allgemeine Bezugsnummer 18 bezeichnet sind, sind jeweils in der Form von Ringgliedern, die zum Beispiel aus 95 % Aluminium-Keramik-Material geformt sein können, um ein Axialdrucklager zu bilden. Diese ringförmigen Axialdrucklager sind in einer nachgiebigen gummielastischen ringförmigen Fassung 36 angebracht, die selbst von einem L-Querschnitts- Haltering 37 gehalten wird, der mit einer Schulter 38 in dem Außengehäuse 12 in Eingriff ist.
• Die Innenoberfläche des Gehäuses 12 hat ein eingeformtes nachgiebiges Gummilagerglied 40, das als das Radiallager wirkt. Die Innenoberfläche dieses nachgiebigen Gummilagergliedes 40, das somit das Radiallager 19 bildet, ist mit einer Schraubennut 41 ausgebildet. Die axialen Enden der ringförmigen Axialdrucklager 18, die an der Lageroberfläche 35 des zugehörigen Läufers anliegen, sind mit Nuten versehen, die zum Beispiel einfache Radialnute sein können.
• Es ist einzusehen, daß auf diese Weise, wenn Material gepumpt wird, es am linken Ende unter Druck ist, wie in der Zeichnung gezeigt ist, und ein sehr kleiner Teil des gepumpten Fluids wird durch die Nute 42 in das stromabwärtige Axialdrucklager 18 lecken und wird dann axial zum Einlaß in die Schraubennut 41 in der nachgiebigen Gummihülse 40 und von dort radial einwärts in den Nuten strömen, die in dem Axialdrucklager 18 am Einlaßende ausgebildet sind.
• Am linken Ende des Arbeitsabschnittes 13 ist innerhalb des Gehäuses 12 eine Auslaßkammer 24 vorgesehen, auf welche der Strömungsinhibitor 20 montiert ist. Die Kammer 26 schließt an einen Auslaß 26 an, der zum verbesserten Pumpen an sozusagen ein Sperrventil angeschlossen sein kann.
• Eine Kupplung 28 wird zur Zusammenbauerleichterung zwischen der Motorwelle und dem Kopf des Rotors verwendet. Da die Achse des Rotors fixiert ist, kann die Verbindung eine ebene sein, über eine Klauenkupplung oder einen Zapfen, und braucht nicht vor dem Fluid geschützt werden. Alternativ kann die Kupplung verkeilt oder verschlossen sein. Zur Erleichterung kann die Verbindung innerhalb der Einlaßkammer hergestellt werden, oder kann außerhalb der Kammer hinter der Dichtung angeordnet sein, was den Verschleiß an der Verbindung weiter verringert.
• Im Einsatz treibt der Motor das Innendrehelement um seine Achse, was das Außendrehelement veranlaßt, sich gemäß einer Anzahl von Anfängen jedes Drehelements zu drehen. Die Hohlräume zwischen den zwei Elementen gehen zum linken Ende des Arbeitsabschnittes weiter, wie in der Figur 1 gezeigt ist, was das Fluid zwingt, in die Auslaßkammer und zum Sperrventil zu strömen.
• Der Rotor wird gezwungen, sich um eine feste Achse zu drehen, so daß während des Betriebs der Pumpe keine Ungleichgewichtskräfte erzeugt werden. Der Rotor wird durch die Form des äußeren Rotors gezwungen, ausgerichtet zu bleiben, und wird nur in Abhängigkeit von einer Reaktion vom Antrieb auf den Rotor leicht aus seiner Position abgelenkt. Nach der ersten kritischen Geschwindigkeit des Rotors neigt er zur Selbstausrichtung, da jegliche Ungleichgewichtsbelastungen (innerhalb des Rotors selbst) außer Phase mit seiner Bewegung kommen.
• Der äußere Rotor ist, wie oben beschrieben wurde, zur Drehung in einem produktgeschmierten Zapfenlager gehalten, obwohl dies weggelassen werden kann, und statt dessen zum Beispiel Rollelementlager verwendet werden können. Wo ein Wellenzapfen verwendet wird, ist die kritische Geschwindigkeit des äußeren Rotors wegen der geringen Steifheit der Montierung herabgesetzt, und die Amplitude der Vibrationsresonanz ist wegen der Dämpfung des Fluids im Wellenzapfen verringert, was zu einer längeren Betriebsdauer führt.
• Die virtuelle Eliminierung der Ungleichgewichtsbelastungen gestattet eine viel höhere Innenrotorgeschwindigkeit. Im-Loch-Pumpen müssen in einen Durchmesser passen, der durch den Durchmesser des Bohrloches bestimmt ist, und jeder begleitende Motor muß ebenfalls innerhalb jenen Durchmesser passen. Da die Drehmomentkapazität des Motors effektiv durch den Durchmesser beschränkt ist, ist die Arbeit, die durch eine direkt angeschlossene Pumpe erledigt werden kann, durch ihre Betriebsgeschwindigkeit begrenzt.
• Bei einer Progressiv-Hohlraum-Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung kann sich der Innenrotor mit bis zu 3000 Upm (was eine relative Drehgeschwindigkeit von 1500 Upm ergibt) in einer 152 mm (6 Inch) durchmessenden Bohrlochpumpe drehen (d.h. bei äquivalenten Geschwindigkeiten zu einer herkömmlichen Zentrifugalpumpe), und ist daher geeignet, bei derselben Leistung mit einer äquivalenten direkten Motorkupplung zu arbeiten. Die Vorteile einer Pumpe mit progressivem Hohlraum sind somit ohne den vorher aufgetretenen Nachteil einer verringerten Leistungshandhabung auf Grund einer verringerten Betriebsgeschwindigkeit, auf die man bei Pumpen mit fixiertem Stator trifft, verfügbar.

Claims (5)

1. Schraubenfluidmaschine, enthaltend eine Antriebswelle (22), ein festes Außengehäuse (12), das ein erstes Antriebswellenende und ein zweites Ende entgegengesetzt dem ersten Antriebswellenende hat, ein Außendrehelement (15), das eine weibliche Schraubgetriebeform mit n Anfängen hat, Einrichtungen (28), die das Außendrehelement zum Drehen um eine erste feste Achse abstützt, die durch das feste Außengehäuse definiert ist, ein Innendrehelement, das eine männliche Schraubgetriebeform mit n ± 1 Anfängen hat, welches Innendrehelement innerhalb des Außendrehelements um eine zweite feste Achse drehbar ist, welche zweite Achse beabstandet ist von und im wesentlichen parallel ist zu der ersten Achse, wobei das Innendrehelement zur Drehung nur mittels des Außendrehelements und mittels einer Kopplung mit der Antriebswelle abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Außendrehelement (15) einen Elastomermaterial-Körper (15), in dem die weibliche Schraubgetriebeform vorgesehen ist, ein umgebendes, röhrenartiges Metallrohr (30) und zwei Lagerzonen (31, 32) an dem röhrenartigen Metallrohr (30) mit einer an jedem axialen Ende des Außendrehelements enthält, welche Lagerzonen axial voneinander beabstandet sind, daß zwischen den Lagerzonen (31, 32) des röhrenartigen Metallrohrs (30) und dem Außengehäuse (12) ein Elastomermaterial- Lagerelement (40) positioniert ist, das wirksam ist, um ein Radiallager für das Außendrehelement bereitzustellen, daß eine ringförmige radial, verlaufende Lageroberfläche (35) auf der Lagerzone (32) an dem ersten Antriebswellenende des Außengehäuses vorgesehen ist, und daß ein axial elastisch angebrachtes, axial ringförmiges Axialdrucklager (18, 36, 37) auf dem Außengehäuse angebracht und mit der ringförmigen, radial verlaufenden Lageroberfläche (35) in Eingriff ist.

2. Schraubenfluid maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Lagerzonen zwei Lagerläufer (31, 32) enthalten, die auf das umgebende, röhrenartige Metallrohr (30) mit einem an jedem Ende davon durch Preßpassung aufgebracht sind.

3. Schraubenfluidmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lagerläufer eine allgemein zylindrische Außenoberfläche und eine radial einwärts gerichtete Schulter (34) enthält, und daß die ringförmige, radial verlaufende Lageroberfläche (35) an der radial einwärts gerichteten Schulter (34) ausgebildet ist.

4. Schraubenfluidmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomermaterial-Lagerelement (40) ein eingeformtes nachgiebiges Gummiglied enthält, das ins Innere des Außengehäuses (12) eingeformt ist.

5. Schraubenfluidmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der innenoberfläche des Elastomermaterial-Lagerelements (40) eine Schraubennut (41) vorgesehen ist, die sich über dessen Länge erstreckt, wobei ein Strömungsinhibitor (18, 42), der zwischen dem zweiten Ende des festen Außengehäuses und dem benachbarten Ende des Außendrehelements angeordnet ist, wirksam ist, um es einer begrenzten Menge von Hochdruckfluid zu gestatten, durch den Strömungsinhibitor zu der Schraubennut zu passieren, wodurch es axial zum ersten Ende des Außengehäuses und dann radial einwärts über die ringförmige Lageroberfäche strömt, wodurch es die Lagerzone und die ringförmige, radial verlaufende Lageroberfläche schmiert.