DE2653630A1

DE2653630A1 - Vorrichtung zum pumpen von fluiden

Info

Publication number: DE2653630A1
Application number: DE19762653630
Authority: DE
Inventors: Marcel Arnaudeau; Pierre Sourieau
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1975-11-27
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1977-06-08
Also published as: NL178022C; NL178022B; DE2653630C2; FR2333139B1; NL7613176A; FR2333139A1

Description

INSTITUT iilAlTGAIS DU PETROLE Rueil-Malmaison, Frankreich

Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden

Die Erfindung betrifft ei^ne Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einer Antikavitationspumpvorriehtung, die das Pumpen einer Flüssigkeit ermöglicht, selbst wenn die Druck- und Temperaturbedingungen der letzteren benachbart denjenigen liegen, für die die Flüssigkeitsströmung sich in eine Zweiphasenfluidströmung mit einer flüssigen Phase und mit einer gasförmigen Phase umformte

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Pumpvorrichtung, die für ein Zweiphasenfluid geeignet ist, d.h. ein Fluid, das am Eintritt in die Pumpvorrichtung und unter den betrachteten Druck- und Temperaturbedingungen aus dem Gemisch einer Flüssigkeit und eines in der Flüssigkeit nicht gelösten Gases be-

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steht, wobei die Flüssigkeit gegebenenfalls gasgesättigt sein kann.

Das Pumpen eines Zweiphasenfluid3 wie beispielsweise jedoch nicht ausschließlich eines Zweiphasenerdölabstroms, das aus einem Gemisch aus Öl und Gas besteht, bringt Probleme mit sich, die um so schwieriger zu lösen sind, wie unter den thermodynamischen Bedingungen des Zweiphasenfluids vor dem Pumpen und insbesondere beim Eintritt in die Pumpvorrichtung der Wert des volumetrischen Verhältnisses von Gas zu Flüssigkeit wächst.

Bekanntlich handelt es sich beim volumetrischen Verhältnis (Mengenverhältnis) von Gas und Flüssigkeit, im folgenden kurz »volumetrisches Verhältnis" genannt, um das Verhältnis des Volumens des Fluids im gasförmigen Zustand zum Volumen des Fluids im flüssigen Zustand, wobei der Wert dieses Verhältnisses unter den thermodynamischen Bedingungen des Zweiphasenfluids definiert ist.

Dem Fachmann wohl bekannt ist, daß die Bestandteile eines Zweiphasenfluids in der Lage sind, von der einen in die andere Phase überzugehen. So verdampft bei einer plötzlichen Druckverminderung wenigstens ein Teil des in der Flüssigkeit gelösten Gases fast augenblicklich und sorgt für eine plötzliche Erhöhung des volumetrischen Verhältnisses. Bei einem selbst schnellen Ansteigen des Drucks des Zweiphasenfluids wird aber die Sättigung der Flüssigkeit erst sehr langsam durch Wiederlösen der Gase durch die Kontaktflächen der beiden Phasen erreicht, obwohl dieses Phänomen des erneuten Lösens am Anfang relativ schnell vorsichgeht. Hieraus folgt, daß die Verminderung des Werts des volumetrischen Verhältnisses anschließend an eine plötzliche Druckerhöhung langsamer vorsichgeht als die Erhöhung des volumetrischen Verhältnisses aufgrund einer plötzlichen Druckverminderung.7 09823/0311

Die zur Zeit verwendeten Pumpeinrichtungen weisen alle den Nachteil auf, daß sie lokal benachbart gewisser sie bildender Elemente erhebliche Druckabsenkungen auftreten lassen, die aus den oben genannten Gründen sich als effektive Erhöhung des Werts des volumentrisehen Verhältnisses des Zweiphasenfluids darstellen.

Ist der Wert des volumetrisehen Verhältnisses des Zweiphasenfluids gleich Null, d.h., wenn das Gas insgesamt in der Flüssigkeit gelöst ist, so verhält sich das gepumpte Fluid wie ein flüssiges Einphasenfluid und die Pumpeinrichtungen nach dem Stand der Technik führen zu guten Ergebnissen unabhängig von ihrem Aufbau (Kolbenpumpen, Kreiselpumpen oder Vakuum- bzw. Wasserstrahlpumpen) sowie hinsichtlich der Arbeitsbedingungen dieser Geräte, bei denen Erscheinungen der Kavitation und des örtlichen Unterdrücke nicht auftreten können, wo ein erheblicher Teil des in der Flüssigkeit gelösten Gases verdampft.

Die Erfahrung zeigt, daß diese Pumpvorrichtungen noch mit brauchbarem Wirkungsgrad verwendet werden können, solange der Wert des volumetrisehen Verhältnisses am Eintritt in die Pumpe einen geringen Wert hat, der in der Praxis unterhalb 0,2 bleiben muß. Oberhalb dieses Wertes nimmt die Wirksamkeit sehr schnell ab und die Pumpvorrichtungpnnach dem Stand der Technik sind praktisch nicht verwendbar.

Um die Arbeitsweise der vorhandenen Vorrichtungen zu verbessern trennt man die gasförmige Phase von der flüssigen Phase in dem man vor dem Pumpen eine besondere Vorrichtung beispielsweise einen statischen oder dynamischen Separator benützt. Dieser Separator entfernt einen beachtlichen Teil des Gases vor dem Einführen des Fluids in den aktiven Teil der Pumpe; es wird dann notwendig, die Gase über einen Strömungskreis abzuziehen, der sich von dem der gepumpten

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Flüssigkeit unterscheidet, damit dieses Gas nicht in die Pumpe eindringt. Die Verwirklichung dieses gesonderten Kreises ist nicht immer möglich und kompliziert auf alle Wälle die Pumpvorgänge.

Die Pumpvorrichtung nach der Erfindung weist nicht die Nachteile der früher verwendeten Pumpen auf.

Außerdem Yorteil,eine Antikavitatiölvorrichtung zu sein, die das Pumpen einphasiger flüssiger Fluide ermöglicht, ist es "bei der Vorrichtung nach der Erfindung von großem Interesse, einen guten Wirkungsgrad "beizubehalten, wenn sie verwendet wird, um in "beachtlicher Weise den Druck einesZweiphasenfluids zu erhöhen, dessen volumetrisches Verhältnis unter den am Eintritt in die Vorrichtung existierenden thermodynamischen Bedingungen einen Wert gleich oder größer o,9 aufweisen kann.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie am Austritt ein Fluid liefert, dessen volumetrisches Verhältnis einen Wert, der kleiner als der des volumetrischen Verhältnisses am Eintritt in die Vorrichtung ist, aufweist, wobei der Wert des volumetrischen Verhältnisses am Austritt aus der Vorrichtung vorzugsweise gleich Hull ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung, die von einfacher, robuster und wirtschaftlich rentabler Konstruktion ist, sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Fig. 1 schematisch im Axialschnitt eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die für das Pumpen des Zweiphasenabstroms aus einem Erdölbohrloch dient, zeigt j

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die Fig. 2A und 2B zeigen perspektivisch zwei Ausführungsformen einer Stufe zum Unterdrucksetzen des Fluids;

Pig. 3 zeigt den Yerlauf des abgewickelten Profils einer von der Nabe getragenen Schaufel;

Pig. 3A zeigt die Veränderung der Krümmung der Schaufel längs dieses Profils;

Pig. 4 zeigt genauer die Anströmkante einer Schaufel;

Pig. 5 zeigt im Detail eine Möglichkeit der Ausbildung der Nabe der Druckaufbringungsstufe nach Pig. 2B;

Pig. 6 ist ein Schnitt durch den Leitapparat im Falle eines Rotors mit Nabendurehmesserverlauf;

Pig. 7 zeigt eine Abwicklung des Skeletts des Profils einer Schaufel des Leitapparats und

Pig. 8 und 9 zeigen Ausführungsvarianten.

¥ie vorher angegeben und dank der Antikavitationseigenschaften lässt sich die Yorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft, jedoch nicht ausschließlich, zum Pumpen eines Fluids verwenden, daß sich aus einem Gemisch wenigstens einer Flüssigkeit und wenigstens eines Gases zusammensetzt, wobei das Gemisch unter seinen thermodynamischen Bedingungen im Inneren der Pumpvorrichtung ein volumetrisches Verhältnis von Null entsprechend einer vollständigen Lösung des Gases in der Flüssigkeit aufweist, wobei diese Flüssigkeit mehr oder weniger gesättigt sein kann, obgleich eine mehr oder weniger große Druckverminderung zur Verdampfung wenigstens eines Teils des in der Flüssigkeit gelösten Gases führt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung lässt sich auch zum Pumpen von Zweiphasenfluiden anwenden, welche unter den thermodynamischen Bedingungen am Eintritt in die Pumpvorrichtung ein volumetrisches Verhältnis ungleich Null aufweisen, das 0,9 und mehr erreichen kann_o 709823/0311

Im folgenden wird mit "Fluid" entweder ein einphasiges flüssiges Fluid bezeichnet, in welchem ein Gas völlig gelöst ist oder ein Zweiphasenfluid mit einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase.

Fig. 1 zeigt schematisch ein .Axialschnitt durch eine bevorzugte, nicht als begrenzend anzusehende Ausführungsform einer Yorrichtung nach der Erfindung, die zum Pumpen eines Zweiphasenerdölabstroms vorgesehen ist_o

Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß sie bei vorhandenen Anlagen eingesetzt werden kann; sie lässt sich auch an den Boden eines Produktionserölbohrlochs führen.

Die Pumpvorrichtung umfasst ein hohles Gehäuse 1, welches nach dieser Ausführungsform, um sich leicht in ein Bohrloch einführen zu lassen, zylindrisch ist. Das Gehäuse 1 ist mit wenigstens einer Öffnung 2 zum Einlass eines Fluids und einer Abzugsöffnung 3 versehen, die mit dem Stromkreis für das gepumpte Fluid in Verbindung steht, wobei dieser Kreis durch eine Leitung oder einen Kanal 4 schematisiert ist, an dessen Ende das Gehäuse 1 durch irgend eine geeignete Einrichtung beispielsweise das bei 5 dargestellte Gewinde befestigt ist.

Nach der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform bestehen die Einlassöffnungen 2 aus in der Wandung des Gehäuses 1 ausgesparten Schlitzen und die Pumpvorrichtung umfasst in Höhe dieser Öffnungen einen Deflektor 14» der fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist, um das Fluid nach seinem Eintritt in das Gehäuse abzulenken und ihm eine Geschwindigkeit mit im wesentlichen axialer Richtung, d.h. parallel zur Achse der Pumpe, zu erteilen.

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Im" Inneren des Gehäuses ist ein Rotor mit einer Welle 6 angeordnet, die durch einen Motor 7 in Drehung versetzt wird (beispielsweise jedoch nicht ausschließlich einen Elektromotor, dessen Energiespeisekabel nicht dargestellt sind); auch ist gegebenenfalls ein schematisch "bei 8 gezeigtes £ransmissionsorgan vorgesehen, welches die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle an die Drehgeschwindigkeit anpasst, mit der die ¥elle 6 angetrieben werden soll.

Das Organ 8, das von an sich bekannter Art sein und Zahnräder umfassen kann, wird hier nicht näher beschrieben, da seine Ausbildung und seine Auslegung Sache des Fachmanns sind.

Die ¥elle 6 wird in ihrer Lage durch wenigstens zwei verschiedene Lager 9 und 10 gehalten.

Das Lager 10 ist fest mit dem Gehäuse 1 über radiale Arme 11 verbunden, wobei die Bäume zwischen diesen radialen Armen das Ausströmen des ELuids^er durch die Pfeile i¹ angedeuteten Richtung ermöglichen. Vorzugsweise ist ein Kugellager 12 zwischen Welle 6 und Lager 10 zwischengesbhaltet. Der untere Ring dieses Kugellagers ist axial fest mit der Welle 6 verbunden, während der äußere Ring sich axial bezüglich des Lagers 10 verschieben kann und jede Veränderung der Länge der Welle 6, beispielsweise aufgrund eirer Ausdehnung, ermöglicht.

Gegebenenfalls und entsprechend der Art des gepumpten lluids kann es sich beim Wälzlager 12 um ein abgedichtetes Lager handeln, man kann aber auch ein normales Wälzlager verwenden, indem man zu beiden Seiten des Lagers 10 Plansche anordnet, die für die Abdichtung des Lagers sorgen, wobei letzteres bei der Montage mit einem Schmiermittel

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wie Sett gefüllt wird.

Das lager 9 umfasst wenigstens ein axiales Radiallager, beispielsweise ein Kugellager, welches in der Lage ist, die Ax^ialkräfte aufzunehmen, die auf die Pumpvorrichtung ausgeübt werden, und wenigstens ein Zentrierorgan, beispielsweise ein Kugellager oder Kegel- oder Zylinderrollenlager O

Das Lager 9 weist auch eine Abdichtungseinrichtung 13 auf und steht in Verbindung mit einer Schmiereinrichtung 15» die beispielsweise einen Ölspeicher umfasst, bei dem wenigstens ein Teil seiner Wandung verformbar ist, um den Druck des Öls sowie den hydrostatischen Druck, an dem Ort, wo die Pumpvorrichtung angeordnet ist, auszugleichen.

Gegebenenfalls und falls sich dies als notwendig erweist, ist ein zweiter Ölspeicher 16 zum Schmieren des Motors 7 und/oder des Transmissionsorgans 8 vorgesehen. Die Gesamtheit der vorbeschriebenen Antriebseinrichtungen ist in Verlängerung des Gehäuses 1, beispielsweise mittels eines Befestigungsflansches 17a befestigt.

Zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen 2 und 3 der Pumpvorrichtung und dem Innern des Gehäuses 1 ist wenigstens ein Element oder eine Stufe angeordnet, die so ausgelegt ist, daß sie den Druck des fluids erhöht» In Mg. 1 sind drei mit 17 bis 19 bezeichnete Elemente zu sehen. Diese Anzahl ist nicht als begrenzend anzusehen und hängt von der Erhöhung des Druckes, der erreicht werden soll, ab. Diese Druckelemente oder Druckstufen, die weiter unten genauer beschrieben werden, sind fest mit der Welle 6 verbunden, auf die sie beispielsweise unter Kraftschluß aufgezogen sind, wobei der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen durch Zwischenstücke

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20 bis 23 aufrecht erhalten wird.

Ein Leitapparat wie er beispielsweise bei 24 bis 26 in Pig. 1 dargestellt ist, ist am Ausgang jedes druckaufbringenden Elementes angeordnet, wobei dieser Leitapparat fest an dem Gehäuse 1 beispielsweise über Befestigungsschrauben 27 ist (strichpunktiert in Pig. 1 angedeutet).

Aus Gründen einer klaren Darstellung sind die Spiele zwischen den Zwischenstücken und den Leitapparaten, die Spiele zwischen den Druckaufbringunselementen und dem Gehäuse sowie die Spiele zwischen den Druckaufbringungselementen und den Leitapparaten beträchtlich erhöht wurden; diese Spiele sind jedoch auf ihren Minimalwert, soweit dies noch mit dem mechanischen Funktionieren der Pumpe verträglich ist, reduziert worden, derart, daß die Fluidverluste gering sind und daß bei Arbeitstemperatur die Ausdehnungen der verschiedenen Bauteile der Pumpvorrichtung zu keinerlei Klemmen führen.

Die Figuren 2A und 2B zeigen perspektivisch zwei Ausführungsbeispiele einer Fluiddruckbeaufschlagungsstufe: eine fest mit der Welle 6 verbundene Nabe 28 wird im Betrieb der Vorrichtung in der durch den Pfeil u> angedeuteten Richtung in Drehung versetzt. Diese Nabe trägt wenigstens eine Schaufel. In dem durch die Figuren 2A und 2B dargestellten Fall nimmt die Nabe 28 zwei Schaufeln und 30 mit, deren Eigenschaften weiter unten erläutert sind. Die Anzahl der Schaufeln ist nicht als begrenzend anzusehen; man bevorzugt im allgemeinen eine Anzahl von Schaufeln welche den statischen und dynamischen Ausgleich des Rotors erleichtert. Die Höhe der Schaufeln ist derart, daß das Volumen, das sie bei ihrer Rotation erzeugen, komplementär

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zur Bohrung des Gehäuses ist, welches nachdem in den Figuren dargestellten Beispiel zylindrisch ist.

Diese Schaufeln können durch Schweißen auf die Nabe 28 aufgesetzt und befestigt sein; bevorzugt stellt man jedoch die Gesamtheit aus Nabe und Schaufeln durch Bearbeiten eines metallischen ¥erkstücks zweckmäßiger Abmessungen oder auch durch Formen her. Selbstverständlich ist es auch möglich, durch Bearbeiten oder Formen die Anordnung bestehend aus der Welle 6 und den verschiedenen unterschiedlichen Druckaufbringungsstufen herzustellen, wobei die Leitapparate 24 und 26 und die Ablenk- oder Leitvorrichtung 14 aus mehreren Teilen zur 'einfacheren Montage hergestellt sind; es ist aber auch möglich, aus einem einzigen Stück jede Druckaufbringungsstufe sowie den entsprechenden Teil der Welle 6 herzustellen, wobei diese Teile der Welle 6 untereinander bei der Montage der Vorrichtung verbunden werden.

Fig. 3 zeigt die Abwicklung des Profils einer Schaufel, das aus dem Schnitt des Skeletts der Schaufel mit einer zum Rotor koaxialen Zylinderfläche resultiert. Mit Skelett einer Schaufel ist die theoretische Schaufel von der Dicke Hull bezeichnet. Überraschend wurde gefunden, daß die oben genannte Aufgabe sich mit einem Schaufelskelett lösen läßt, bei dem

a) der Neigungswinkel des Skeletts gegen die Rotationsachse XX¹, der als Winkel 6 definiert ist und zwischen dieser Rotationsachse und der Tangente zum Skelett des Profils an einer beliebigen Stelle M definiert ist, monoton abnimmt, wenn der betrachtete Punkt M sich von der Anströmkante 30 sich gegen die Abströmkante 30a verschiebt,

b) die Krümmung l/£ der Schaufel ist gering im Bereich be-

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nachbart der Anströmkante; anders ausgedrückt, der Krümmungsradius £ , der umgekehrt proportional zur Krümmung ist, hat einen sehr großen ¥ert,

c) die Krümmung der Kurve Y (Fig. 3A), die den Wert der Krümmung l/£, an einer Stelle des Skeletts der Schaufel als Funktion der Entfernung dieses Punktes von der Anströmkante, die entweder als Punktion der krummlinigen Abszisse längs des Profils der Schaufel oder als Funktion der Entfernung dieses Punktes zur Ebene P senkrecht zur Rotationsachse XX¹ durch die Anströmkante 30 gemessen wird, - progressiv mit zunehmender Entfernung zunimmt und

d) daß, da die Pumpvorrichtung für einen gegebenen Durchsatz berechnet werden muß, wenn man berücksichtigt, was der Fachmann mit "Auslegungspunkt¹¹ bezeichnet (Bedingungen, für die im allgemeinen die theoretischen Berechnungen vorgenommen werden) der Neigungswinkel„% an einer beliebigen Stelle der Anströmkante definiert wird durch die Beziehung

CO R

wobei co die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors gemessen in Radians/Sekunde, R die in Meter gemessene Entfernung dieses Punktes zur Rotationsachse XX¹ und 1 die Geschwindigkeit des Fluids unmittelbar vor diesem Punkte in Strömungsrichtung des Fluids in der Druckaufbringungsstufe gesehen, ist, wobei diese Geschwindigkeit in Meter/Sekunde gemessen , wird.

Vorzugsweise hat die Schaufel ein dünnes Profil. Saugseite und Druckseite bzw. Schaufeloberseite und Schaufelunterseite, bei denen es sich jeweils um die Außen- und

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1*

Innenflachen der Schaufeln handelt, müssen fast parallel sein. In Praxis jedoch ist es notwendig, daß die Schaufel ein günstiges mechanisches Verhalten zeigt; hierfür ist, wie I¹Ig. 4 erkennen lässt, eine gewisse Minimaldicke e notwendig. Benachbart der Anströmkante gibt man dann der Druckseite und Saugseite Heigungswinkel QL · und .oC' ¹ derart, daß die Wertet' und ;)L^f' zu "beiden Seiten des Wertes des vorher definierten Winkels C^- sich befinden, wobei die Differenz zwischen den Winkeln QC' und .9O'' kleiner als 10 und vorzugsweise kleiner als 6 ist.

Anders ausgedrückt, in unmittelbarer Nachbarschaft der Anströmkante bilden Druckseite und Saugseite zu einander einen Winkel, der höchstens gleich 10° und vorzugsweise kleiner als 6° ist. Wie man im übrigen in Pig. 4 erkennen kann, sind Druckseite und Saugseite benachbart der Anströmkante über eine Abrundung geringen Radius verbunden.

Im allgemeinen bevorzugt man die Habe bei einer Rotationsgeschwindigkeit üS derart anzutreiben, daß im Auslegungspunkt ■ größer als 4 wird, wobei Rm der mittlere Oberflächenradius, definiert durch die Beziehung

2 2 2
2Rm =Re+Ri ist, wobei Re der Außenradius

der Schaufel und Ri der Radius der Nabe oder Innenradius der Schaufel ist, wobei diese Radien in der Ebene der Anströmkante gemessen werden.

In dem durch ¹I¹Ig. 2A dargestellten Pail hat die Habe 28a einen konstanten Durchmesser '/f und vorzugsweise wird der Wert der Länge D der Habe wenigstens gleich 50$ des Wertes des Durchmessers gewählt und insbesondere zwischen 50 und 500$ dieses Durchmesserwertes.

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Bei

der in den Figuren 1 und 2B dargestellten Ausführungsformen ist der Durchmesser der Nabe 28 nicht konstant. Diese Nabe ist in Pig. 5 dargestellt.

In Fig. 5 ist die Nabe 28 allein dargestellt. Ersichtlich ist der Durchmesser AA¹ des Querschnitts der Nabe, der sich am nächsten der Einlaßöffnung 2 befindet, kleiner als der Durchmesser GO¹ des Querschnitts der Nabe, der sich am weitesten benachbart der Austrittsöffnung 3 befindet. Zwischen diesen Grenzquerschnitten nimmt der Durchmesser der Nabe progressiv und kontinuierlich zu. Betrachtet man die Durchtrittsrichtung F des Fluids in der Druckaufbringungsstufe über den ersten Teil der Länge d, so verläuft die Änderung des Nabendurchmessers langsamer als über den verbleibenden Teil und die Steigung der das Profil unterspannenden Sehne des ersten Teils der Nabe bezogen auf die Rotationsachse IX¹ wird höchstens gleich 35$ gewählt während die Profilsteigung der Nabe in Höhe des Querschnitts AA¹ kleiner als die Steigung der Sehne AB uns höchstens gleich 20$ ist.

Bei solch einer Nabe wurde festgestellt, daß bei der Mehrzahl der oben genannten Charakteristiken jede Schaufel über den ersten Teil der Nabe eine Länge aufweisen muß, die höchstens gleich 70$ der Gesamtlänge der Schaufel ausmacht oder daß die Länge d des ersten Teils der Nabe höchstens gleich 60$ der Gesamtlänge D der Nabe ist, wobei diese Längen d und D parallel zur Rotationsachse gemessen sind.

Im Anwendungsfall der Fig. 1, d.h. für eine Torrichtung, die dazu bestimmt ist, einen Zweiphasenöl- oder Bohrfeldabstrom zu pumpen, wurden günstige Ergebnisse erhalten,

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indem man für jede Stufe eine Länge D wählte, die zwischen 50 und 100$ des mittleren Durchmesserwertes 0" m der Habe 28 (Figo 5) ausmachte.

Das so festgelegte Profil der Schaufel führt praktisch kaum zu einer Störung der Fluidströmung über den" ersten Teil des Profils, während die Erhöhung des Drucks des gepumpten Fluids im wesentlichen durch den zweiten Teil des Profils der * sichergestellt ist, d.h., den Teil mit dem geringsten Krümmungsradius und durch die Erhöhung des Durchmessers der Habe, wenn dieser evolutiv. ist.

* = Schaufel

Die anderen Charakteristiken der Vorrichtung wie der minimale Durchmesser der Habe, der Innendurchmesser des Gehäuses etc.... werden vom Fachmann für jeden Fall der Ausführung als Funktion des Platzbedarfs festgelegt, um nicht den Flüssigkeitsdurchsatz, die gewünschte Durckerhöhung, das maximal beim Eintritt gewünschte volumetrische Verhältnis etc. zu überschreiten.

Beim Austritt aus einer Druckaufbringungsstufe ist dem Fluid eine Geschwindigkeit, deren Richtung nicht axial ist, erteilt, Selbstverständlich kann man einen an sich bekannten Leitapparat verwenden, um den statischen Druck zu erhöhen, indem man die Komponente der Umfangsgeschwindigkeit der Fluidströmung unterdrückt oder wenigstens reduziert. Dieser Leitapparat kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein; wenn jedoch die Stufe für die Druckbeaufschlagung des Fluids eine Habe steigenden Durchmessers aufweist, so bevorzugt man einen Leitapparat wie er in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. In den Figuren ist der Leitapparat mit durchgezogenen Linien, die Druckbeaufschlagungsstufe strichpunkttiert dargestellt.

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Hat die Habe des Rotors einen Durchmesser mit sich veränderndem Verlauf, d.h. einen evolutiven Durchmessers so besteht der Leitapparat aus einer Hülse 31 (Fig. 6), die

Schaufeln 32 trägt. Ein an den Schaufeln 32 fester Ring 33 ermöglicht es, den Leitapparat bezüglich des Gehäuses 1, beispielsweise mittels Schrauben 27, festzulegen.

Der Außendurchmesser der Hülse 31 nimmt progressiv vom Eintritt zum Austritt in Strömungsrichtung des Fluids, wie durch den Pfeil F angegeben, derart ab, daß der Fluidsdurchtrittsquerschnitt progressiv zunimmt.

Nach der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Fluiddurchtrittsquerschnitt am Eintritt in den Leitapparat im wesentlichen gleich dem Durchlaßquerschnitt des Fluids am Austritt aus der Druckaufbringungsstufe vor dem Leitapparat in Strömungsrichtung des Fluids gesehen, während der Durchlaßquerschnitt des Fluids am Austritt aus dem Leitapparat im wesentlichen gleich dem Durchlaßquer schnitt des Fluids am Eintritt in die Druckbeaufschlagungsstufe hinter dem Leitapparat oder Gleichrichter ist.

Die Schaufeln 32 (ailettes) haben ein geeignetes Profil, wodurch die Gleichrichtung der Fluidströmung möglich wird. Am Eintritt in .den Leitapparat oder Gleichrichter ist dieses Profil im wesentlichen eine Tangente zur Strömungsgeschwindigkeit des aus der Druckbeaufschlagungsstufe austretenden Fluids, während am Austritt das Profil der Schaufeln (ailettes) Tangente zu einer Ebene ist, die durch die Achse der Pumpvorrichtung verläuft. Zwischen diesen beiden Enden variiert der Neigungswinkel des Profils bezüglich der Achse der Vorricntung kontinuierlich.

Ein solcher Leitapparat oder Gleichrichter mit verwundenen Schaufeln kann durch Formen, vorzugsweise durch Pressformen

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hergestellt werden. Um die Herstellung des Leitapparats zu vereinfachen, ist es möglich, den Schaufeln 32, deren abgewickeltes Profil in Pig. 7 dargestellt ist, einen konstanten Krümmungsradius zwischen Leitapparateintritt- und -austritt zu verleihen, wobei das Profil dieser Schaufeln nicht verwunden ist. Diese Schaufeln bestehen beispielsweise aus Teilen eines röhrenförmigen Elementes. Ein solcher Leitapparat hat zu ausgezeichneten Ergebnissen bei durchgeführten Versuchen geführt; erhat es ermöglicht, am Austritt eine axiale Strömungsgeschwindigkeit, die im wesentlichen gleich der axialen . Fluid geschwindigkeit am Eintritt in die vor diesem angeordnete Druckbeaufschlagungsstufe zu erhalten, wodurch es möglich wird, eine Reihe von gleichen DEixckbeaufschlagungsstufen zu verwenden.

Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres möglich; so kann die Nabe 28 einer Druckbeaufschlagungsstufe einen stark in dem zweiten Teil zunehmenden Durchmesser aufweisen, wie dies Pig. 8 zeigt, derart, daß der Zentrifugaleffekt erheblich wird. Die Höhe der Schaufeln kann im wesentlichen konstant sein; die Bohrung des Gehäuses 1a - 1b hat eine lorm, die komplementär zu der durch die in Rotation befindlichen Schaufeln begrenzte ist.

Diese Pumpenbauart kann in Zuordnung zu einem Leitapparat bzw. Gleichrichter, bestehend aus ein oder mehreren Stufen, kann dann für sehr große Mengen ausgelegt sein, wie sie beim Sammeln von Erdöl und Gas (Zweiphasengemisch) aus mehreren unter Wasser befindlichen Bohrlöchern sich ergeben.

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Auch ist es möglich, zwischen zwei Hauptschaufeln, wie sie vorher definiert wurden, Schaufeln verminderter Länge zwischenzuschalten. Diese komplementären Schaufeln sind auf dem zweiten Teil der Nahe, wie schematisch Pig. 9 erkennen lässt, (abgewickelte Darstellung des Rotors) angeordnet. In diesem Pail halsen die komplementären Schaufeln ein Profil, das gleich den üauptschaufeln auf dem zweiten Teil der Hafte ist.

Es ist natürlich auch möglich, zum Pumpen des Zweiphasenfluids einer Pumpvorrichtung nach der Erfindung eine bekannte Pumpe zuzuordnen, wenn das volumetrische Verhältnis am Austritt aus der Pumpvorrichtung gleich Null oder sehr gering ist.

Patentansprüche

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Leersei te

Claims

Affaire: 1625 PATENIAM-SPRtTGHE

1.) Vorrichtung zum Pumpen eines wenigstens eine Flüssig-

keit enthaltenden Fluids, mit wenigstens einem Element zur Erhöhung des Fluiddrucks, mit einem hohlen Gehäuse mit einer Einlaßöffnung und einer Fluidauslaßöffnung, einem in diesem Gehäuse gelagerten Rotor und Einrichtungen, um den Rotor in Rotation zu versetzen, wobei der Rotor eine ITaTDe und wenigstens eine von der Habe getragene und hieran feste Hauptschaufel aufweist, wobei die Anströmkante der Schaufel einlaßöffnungsseitig angeordnet und eine Abströmkante auslaßöffnungsseitig angeordnet ist, wobei das Profil der Schaufel, das als Schnitt der Schaufel mit einer zum Rotor koaxialen Zylinderfläche definiert ist, derart ist, daß der "Winkel, den dieses Profil mit der Rotationsachse der Habe bildet, einsinnig von der Anströmkante zur Abströmkante abnimmt, wobei das Profil der Schaufel eine geringe Krümmung in unmittelbarer Nachbarschaft der Anströmkante aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wert der Krümmung längs des Profils der Schaufel als Funktion derkrummlinigenAbszisse längs des Profils darstellende Kurve eine Neigung auf v/eist, deren Wert progressiv von der Anströmkante zur Abströmkante der Schaufel zunimmtβ

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschaufel eine über den größten Teil ihrer Länge nur wenig variierende Dicke aufweist und daß in unmittelbarer Nachbarschaft der Anströmkante die Innenflächen und Außenflächen der Schaufel miteinander einen Winkel, der höchstens gleich 10° vorzugsweise gleich 6°

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ist, bilden und daß diese Flächen über eifne Abrundung geringen Radius verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Oberflächenradius Pan der Hauptschaufel derart gewählt ist, daß im Betrieb der Vorrichtung das

■ r 'Lfm

Verhältnis —-^—-wenigstens gleich 4 ist, wobei Em

(in Metern gemessen) der mittlere Oberflächenradius

2 2 2 ist, der durch die Beziehung 2Rm=Ee+ R i definiert ist, wobei Re der Außenradius der Schaufel und Ri ihr. Innenradius ist, wobei diese Radien in der Ebene der Anströmkante gemessen sind, wobei -·- die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, gemessen in Radians/Sekunde und Y die Axialgeschwindigkeit des Fluids unmittelbar vor dieser Stelle in Strömungsrichtung des fluids in der Druckaufbringungsstufe gemessen ist, wobei diese Geschwindigkeit in Meter/Sekunde gemessen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet;, daß der Rotor der Habe einen konstanten Durchmesser aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Uabe wenigstens gleich 5Ofo der Größe des Ifabendurchmessers ausmacht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Durchmesser eines ersten (geraden) Querschnitts der Uabe, der als der Eintrittsöffnung am weitesten benachbart definiert ist, kleiner als der Durchmesser eines zweiten Querschnitts der labe, der der Austrittsöffnung am weitesten benachbart ist, ist, wobei der Außendurchmesser der Nabe kontinuierlich zwischen dem ersten und dem zweiten Quer-

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schnitt variiert, dadurch gekennzeichnet, daß diese Änderung des Außendurchmessers der Nabe über eühen ersten Teil der Nabe, der unmittelbar "benachbart dem ersten Querschnitt ist, langsamer erfolgt als über einen zweiten Seil der Nabe, der unmittelbar benachbart dem zweiten Querschnitt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Habe eine geringe Änderung über den ersten Teil der Nabe aufweist.

8„ Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das Profil unterspannende Sehne der Nabe über den ersten Teil bezogen auf die Achse des Rotors eine Neigung von höchstens 35$ aufweist₀

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Nabenprofils in Höhe dieses zweiten Querschnitts, bezogen auf die Achse des Rotors, einen Wert aufweist, der geringer als die Steigung der das Profil des ersten Teils der Nabe unterspannenden Sehne ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Profils der Nabe in Höhe des ersten Querschnitts einen Wert von höchstens 20$ aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Nabe, gemessen parallel zur Achse des Rotors, einen Wert aufweist, der höchstens 50$ des Werts des mittleren Durchmessers der Nabe ausmacht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Länge des ersten Teils der Nabe höchstens 60fo der Gesamtlänge der Nabe ausmacht, wobei diese Längen parallel zur Achse des Rotors gemessen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Hauptschaufel über den ersten Teil höchstens gleich 70$ der Gesamtlänge dieser Schaufel ausmacht.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung des Gehäuses eine Form aufweist, die komplementär zu dem durch Rotation der Schaufel erzeugten Volumen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine ü"ber ihre Länge im wesentlichen konstante Höhe aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung des Gehäuses zylindrisch ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Austrittsöffnung des zur Erhöhung des Drucks des Fluids ausgebildeten Elementes, in Strömungsrichtung des Fluids gesehen, ein Leitapparat oder ein Gleichrichterorgan derartiger Ausbildung angeordnet ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit des aus dieser Auslaßöffnung austretenden Fluids vermindert wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat feste und steife (Leit)Schaufeln mit einem Profil aufweist, welches an einem Ende dieser die Anströmkante bildenden Schaufeln im wesentlichen tangential zur Strömungsgeschwindigkeit des durch die Austrittsöffnung

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strömenden Fluids des Elementes ist, das zur Druckerhöhung des Fluids ausgebildet ist; und daß am anderen Ende dieser die Abströmkante bildenden (Leit)Schaufeln glejkh der Tangente an eine parallel zur Rotorachse verlaufende Gerade ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Schaufeln des Leitapparats einen konstanten Krümmungsradius aufweist.

20. Torrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese (Leit)Schaufeln des Gleichrichters oder Leitapparats durch Teile röhrenförmiger Elemente gebildet sind.

21. Torrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6,

wobei hinter der Austrittsöffnung des Druckerhöhungselementes ein Gleichrichterorgan oder Leitapparat vorgesehen 1st, der die Umfangsgeschwindigkeit des aus der Austrittsöffnung austretenden Fluids vermindert, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtrittsquerschnitt des Fluids in dem Leitapparat oder Gleichrichterorgan allmählich in Fluidströmungsrichtung zunimmt.

22. Torrichtung nach Anspruch 21, wobei in Reihe miteinander abwechselnd eine Vielzahl von den Fluiddruck erhöhenden Elementen sowie eine Vielzahl von Gleichrichteroder Leitapparatorganen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluiddurchlaßquerschnitt am Eintritt eines Gleichrichter- oder Leitorgans im wesentlichen gleich dem Durchlaßquerschnitt des Fluids an der Austrittsöffnung diesem Leitapparat vorhergehenden druckerhöhenden Organs ist; und daß der Fluiddurchlaßquerschnitt am Austritt aus diesem Gleichrichterorgan im wesentlichen gleich dem Durchlaßquerschnitt des Fluids an der Eintrittsöffnung

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des den Fluiddruck erhöhenden Elementes, welches auf dieses Gleichrichterorgan folgt, ist.

25. Torrichtung nach Anspruch 1, wobei die Nabe mehrere Hauptschaufeln trägt, dadurch gekennzeichnet, daß komplementäre Schaufeln zwischen den Schaufeln ausschließlich über einem unmittelbar der Austrittsöffnung benachbarten Teil angeordnet sind, wobei diese komplementären Schaufeln ein Profil gleich dem der Hauptschaufein über diesem Teil der Habe haben.

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