NO327503B1 - Eksenterskruepumpe med flere pumpeseksjoner - Google Patents

Abstract

Eksenterskruepumpe (P) omfattende minst en indre pumperotor (1, 1a, 1b) omsluttet av minst en ytre pumperotor (2, 2a, 2b) som sammen danner et eller flere prinsipielt atskilte pumpehulrom (19a, 19b) som i henhold til kjente geometriske prinsipper vil forflyttes aksialt gjennom pumpen (P) når rotorene (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b) bringes i samordnet rotasjon, og hvor det er anordnet minst to pumpeseksjoner (Pa, Pb) som hver omfatter én ytre pumperotor (2a, 2b) og én tilpasset indre pumperotor (1a, 1b), hvor alle pumpeseksjoners (Pa, Pb) ytre pumperotorer (2a, 2b) er fast opplagret og arrangert langs samme akse (2a', 2b'), at alle de indre rotorer er opplagret i fast posisjon i forhold til pumpens (P) pumpehus (23, 25), og at alle pumpeseksjoners (Pa, Pb) ytre rotor (2a, 2b) drives av samme motor via minst én differensial (Da) som er innrettet til å tillate hver pumpeseksjon (Pa, Pb) å rotere med innbyrdes forskjellig turtall.

Description

EKSENTERSKRUEPUMPE MED FLERE PUMPESEKSJONER

Denne oppfinnelse vedrører en eksenterskruepumpe. Nærmere bestemt dreier det seg om en eksenterskruepumpe omfattende minst en indre rotor som er omsluttet av minst en ytre rotor, og som sammen danner ett eller flere prinsipielt atskilte pumpehulrom som i henhold til kjente, geometriske prinsipper vil forflyttes aksialt gjennom pumpen når rotorene bringes i samordnet bevegelse, og hvor det er anordnet minst to pumpeseksjoner som hver omfatter én ytre pumperotor og én tilpasset, indre pumperotor, og hvor alle pumpeseksjoners ytre pumperotorer er fast opplagret og arrangert langs samme akse, og hvor alle de indre pumperotorer er opplagret i fast posisjon i forhold til pumpehuset, og hvor alle pumpeseksjoners ytre pumperotor drives av samme motor via minst én differensial som er innrettet til å muliggjøre at hver pumpeseksjon kan rotere med innbyrdes, forskjellig omdreiningshastighet.

En eksenterskruepumpe i overensstemmelse med oppfinnelsen er velegnet for pumping av flerfasemedier, eksempelvis olje, vann og hydrokarbongasser.

Eksenterskruepumper, også kalt PCP (progressing cavity pump), mono-pumper eller Moineau-pumper etter oppfinneren, er en gruppe 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 pumperotor som i det følgende er benevnt indre rotor, med Z antall pa-rallelle gjenger, som i det følgende er benevnt gjengestarter, der Z er et hvilket som helst positivt heltall. Rotoren løper i de mest alminnelige utførelser inne i en sylinderfor-met stator med en kjerne av elastisk materiale med et aksielt gjennomgående hulrom utformet med (Z+l) innvendige gjengestarter. Stigningsforholdet mellom stator og rotor skal da være (Z+D/Z der stigningen er definert som lengden mellom nærmeste gjengetopper fra samme gjengestart.

Når den geometriske utformingen av rotorens og statorens gjenger følger bestemte matematiske prinsipper, eksempelvis som beskrevet av matematikeren Rene Joseph Louis Moineau i US patent 1,892,217, vil rotor og stator sammen danne et antall prinsipielt lukkede hulrom som kontinuerlig forflyttes i lengderetningen når rotoren bringes til å rotere, derav nav-net PCP. For at rotoren skal kunne rotere om sin egen akse inne i statoren, vil også posisjonen for rotorens akse måtte rotere om statorens akse, men i motsatt retning og med konstant senteravstand. Derfor er det i pumper av denne typen vanligvis arrangert en mellomaksling med to universalledd mellom pumpens rotor og motoren som driver denne.

Pumpens volumetriske virkningsgrad bestemmes i stor grad av om de prinsipielt avgrensede pumpehulrom faktisk holder tett

ved aktuelt turtall, pumpemedium og differansetrykk, eller om en viss tilbakestrømning oppstår fordi statorens indre vegger gir etter elastisk eller fordi statoren og rotoren er fabrik-kert med en liten klaring mellom partene. For.å øke volumetrisk virkningsgrad er eksenterskruepumper med elastisk stator ofte designet med undermål i statorens hulrom slik at det oppstår en elastisk klempasning, men denne må selvfølgelig balanseres mot ønske om moderat friksjon og varmgang.

Lite kjent og knapt industrielt utbredt, men dog beskrevet allerede i nevnte US patent 1,892,217, er spesielle utfor-minger 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 tilfelle kan parten med (Z+l) innvendige gjengestarter riktigere betegnes ytre rotor. Ved et bestemt hastighetsforhold mellom ytre rotor og indre rotor kan indre rotor så vel som ytre rotor monteres i fastholdte rotas jons lagre, forutsatt at rotas, jonslag-rene for indre rotor har riktig akselavstand eller eksentrisitet målt i forhold til sentralaksen for ytre rotor. Fordeler ved slike utførelser har hittil vært lite påaktet, men omfatter fundamentalt redusert ubalanse og minimale vib-rasjoner i pumpen, økt praktisk anvendelig turtall, økt kapa-sitet, og et strømningsforløp endret fra spiralformet til rettlinjet med derav redusert tendens til emulsjonsdannelse.

Begrensende for utbredelsen har trolig vært utfordringer knyttet til ytre rotors dynamiske tetninger og rotasjonslagre med forholdsvis store diametre og periferihastigheter, noe som helt unngås når en stator benyttes. På den annen side kan mellomaksling og universalledd unngås når statoren erstattes med en ytre rotor.

I US patent 5,407,337 er det beskrevet en eksenterskruepumpe (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 indre rotor som utover nevnte kopling ikke har annen støtte enn veggene i ytre rotors spiralformede hulrom, der materialet forutsettes å være en elastomer.

WO-dokument 98/20259 beskriver en eksenterskruepumpe med to pumpeseksjoner som er anordnet etter hverandre på samme akse slik at fluidet strømmer fra den ene seksjon og til den andre.

I US patent 5,017,087 såvel som W099/22141 har oppfinner John Leisman Sneddon beskrevet 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 utførelsene er også pumpens ytre og indre rotor begge fast opplagret i det samme pumpehuset, slik at pumpens ytre og indre rotor fungerer sammen som et mekanisk gir som driver indre rotor i riktig hastighet i forhold til ytre rotor, som igjen er drevet av nevnte elektromotor. Disse utførelsene er også kjennetegnet ved at pumpen kan monteres direkte mellom to flenser på en rett rørledning og i prinsippet uavhengig av ytterligere fundamentering. En slik lineær utførelse gjør pumpen spesielt egnet til å takle så-kalte slugs eller voksende og akselererende gasslommer i en væskestrøm fra f.eks. en olje produksjonsbrønn. Mens impulser fra slike slugs tilfører store mekaniske og korrosive belast-ninger i tradisjonelle PCP innløpskamre der innløpet står vertikalt på pumpeaksen, vil slugs i pumper av denne utførel-sen utnyttes positivt av pumperotoren som tilføres et ekstra dreiemoment. Ved utløpet av pumpen vil slugs være tilnærmet nøytralisert, dvs. strømningshastigheten for alle faser vil tilnærme seg pumpehulrommenes lineærhastighet.

I europeisk patentsøknad EP 1 418 336 Al er beskrevet en eksenterskruepumpe med en rotor og en stator der pumpens stator også fungerer som stator i en elektromotor og der pumpens rotor også fungerer som elektromotorens rotor. Denne pumpen vil ikke eliminere ubalansen og vibrasjonen i en klassisk PCP,

men vil i likhet med J.L.Sneddons patenter muliggjøre at pum-

pen monteres direkte mellom to flenser i en lineær rørled-ning, så sant denne tåler vibrasjonene.

Spesielt interessant vil et lineært arrangement være dersom pumpen monteres inn i en fritthengende, vertikal undervanns rørledning.

Det ligger i PCP-pumpers natur at pumpemediet transporteres i lukkede hulrom av fast definerte volum. Dersom pumpemediet er kompressibelt, kan trykkoppbygning gjennom pumpen kun skje gjennom kompresjon av fluidet i hulrommet. En mulig løsning på dette kan være at skruegeometrien utformes slik at hulrommet reduseres gradvis mot utløpet. Dette er kjent fra eksen-terskrue kompressorer. En slik løsning vil imidlertid være problematisk dersom fluidet varierer sterkt i sammensetning, fordi pumpen vil utsettes for store påkjenninger om den tem-porært mottar vesentlig mindre kompressibelt fluid enn den er designet for.

Alternativet er å beholde konstante volum for hvert hulrom over hele lengdeforløpet, og la gradvis trykkoppbygning base-re seg på lekkasjestrøm fra nedstrøms beliggende pumpehulrom. Dersom lekkasjestrømmen er moderat, blir også trykkoppbyg-ningen langsom og en dominerende del av pumpens differansetrykk må bygge seg opp i pumpens siste trinn. Dette fenomenet gir en interessant fordel i form av mulighet for mindre slipp til pumpeinnløpet ved multifase enn ved inkompressibel væske, fordi lokal trykkdifferanse over første trinn blir lavere. Men tilsvarende større lekkasjestrøm i de siste trinnene bevirker et betydelig energitap og tendens til erosjon av rotorenes overflater. Forsøk på å begrense lekkasjetapet ved ekstra trange pasninger vil ytterligere konsentrere trykkopp-bygningen om de siste trinnene, og knapt begrense slipphas-tigheten som i stor grad er bestemmende for erosjonshastig-het. Samtidig vil det oppstå økt risiko for blokkering av pumpens rotorer pga fastkilte harde partikler som kan ha kom-met inn med væskestrømmen eller ha frigjort seg fra rotorenes overflate pga. erosjon.

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 beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

En eksenterskruepumpe i overensstemmelse med oppfinnelsen omfatter minst en indre rotor som er omsluttet av minst en ytre rotor, og som sammen danner et eller flere prinsipielt atskilte pumpehulrom som i henhold til kjente, geometriske prinsipper vil forflyttes aksialt gjennom pumpen når rotorene bringes i samordnet rotasjon, og hvor det er anordnet minst to pumpeseksjoner som hver omfatter én ytre pumperotor og én tilpasset indre pumperotor, og hvor alle pumpeseksjoners ytre pumperotorer er fast opplagret og arrangert langs samme akse, og hvor alle de indre rotorer er opplagret i fast posisjon i forhold til pumpehuset, og hvor alle pumpeseksjoners ytre pumperotor drives av samme motor via minst én differensial som tillater hver pumpeseksjon å ha innbyrdes, forskjellig turtall.

Motoren kan med fordel omslutte en eller flere av de ytre pumperotorer ved at motorens rotor har samme rotasjonsakse som de ytre pumperotorer og at motorens stator er innbygget i pumpehuset.

Motorens rotor er med fordel fast opplagret i pumpehuset og minst en av pumpens ytre rotorer kan være utelukkende eller delvis opplagret i motorens rotor.

En eller flere av pumpeseksjonene kan med fordel være forsynt med en tannhjulsforbindelse eller et gir som sikrer hastig-hetsforholdet Z/(Z+1) mellom henholdsvis den ytre og indre rotor i samme pumpeseksjon, uavhengig av drivende kontakt mellom den indre rotors ytre og den ytre rotors indre gjenge-flate.

Skruegeometrien for den indre og den ytre rotor innenfor hver enkelt pumpeseksjon kan være anordnet slik at alle prinsipielt lukkede og atskilte pumpehulrom i samme pumpeseksjon har samme volum.

Skruegeometrien kan være forskjellig fra pumpeseksjon til pumpeseksjon slik at volumet av hvert enkelt prinsipielt atskilt pumpehulrom blir mindre fra en pumpeseksjon til den neste regnet fra innløpssiden. Dette vil kunne kompensere for forventet kompresjon av fluidet uten å endre turtallet mellom seksjonene, men dog slik at avvik fra forventet kompresjon kan kompenseres med forskjellig turtall mellom seksjonene.

Antallet prinsipielt atskilte pumpehulrom kan da med fordel i en pumpeseksjon være mindre enn antall atskilte pumpehulrom i den påfølgende pumpeseksjon regnet fra innløpssiden, slik at likt hydraulisk moment mellom pumpeseksjonene oppnås ved tilnærmet samme differansetrykk mellom mot hverandre tilgrensen-de pumpehulrom.

Alternativt kan momentlikevekt mellom seksjonene oppretthol-des ved at pumperotorenes skruestigning øker fra den ene pum-peseks jonen til den neste regnet fra innløpssiden. Dette vil være fordelaktig dersom det ønskes akselererende strømnings-hastighet gjennom pumpen, som i en vannjet eller en brannpum-pe .

Rotasjonsretningen for alle pumpeseksjonene kan fortrinnsvis reverseres. Dette muliggjør kontrollert tilbakestrømning av fluidum, eksempelvis i forbindelse med en lekkasje på normal nedstrømsside.

Flere pumpeseksjoner kan være like og ombyttbare dersom lave kostnader, enkel logistikk og enkelt vedlikehold vektlegges.

Motoren kan være anordnet på siden av pumpehuset og kan demonteres, repareres eller erstattes uten å åpne eller demontere selve pumpen og uten at det oppstår lekkasje av pumpemedium til omgivelsene.

Pumpen kan være frikoplet når motoren demonteres, slik at væske kan strømme fritt gjennom pumpen uten lekkasjer og med moderat trykkfall.

Det er sentralt i oppfinnelsen å fordele pumpens totale antall trinn, eller lukkede pumpehulrom mellom minst to pumpe-seks joner i form av parvis anordnede indre og ytre pumperotorer montert på linje etter hverandre. Mellom de ytre pumperotorer arrangeres minst en differensial som bevirker at de ytre pumperotorene automatisk tilpasser seg de innbyrdes turtallsforskjeller, noe som gir balansert dreiemoment. Siden dreiemomentet på en eksenterskruepumperotor i all hovedsak bestemmes av differansetrykket og geometrien, fører oppfinnelsen til at differansetrykket fordeler seg kontrollert om ikke mellom alle trinn så i alle fall mellom alle pumpeseksjoner. Forutsettes samme pumpeytelse som en ellers tilsvarende pumpe uten differensial, vil motoren som driver pumpen få samme moment, men motorens turtall og derved energibehov, vil avta med økende kompresjon eller gassvolumprosent fordi turtallet avtar fra den ene pumpeseksjonen til den neste. Samtidig vil den største, lokale lekkasjestrømmen og slipp-hastigheten bli mindre med derav redusert erosjon. Pumpen i henhold til oppfinnelsen vil også være lite sårbar for ufor-utsette variasjoner i fluidsammensetning. Ytterligere en fordel vil være at i tilfelle en større sandpartikkel eller lig-nende skulle blande seg i pumpestrømmen og blokkere den ene rotorseksjonen, vil skadelige sjokkbelastninger på så vel pumpe som motor reduseres ved at momentet på motor og pumpe-seks joner begrenses av de ikke blokkerte pumpeseksjoner.

Forskjellige utførelseseksempler av oppfinnelsen anviser også blant annet anordninger for å tilføre smøremedium til å skjerme differensialer fra pumpemediet om ønskelig, samt anordninger som muliggjør momentoverføring fra en og samme motor også til drift av indre rotor, uten at dette betinger drivende kontakt mellom overflatene av indre og ytre rotors skruer.

I en tradisjonell eksenterskruepumpe bestående av kun en pum-peseks jon og konstant skruegeometri over hele lengden, vil nødvendig, tilført akseleffekt aldri kunne bli mindre enn produktet av strømningsvolum ved inntaket og samlet trykkdifferanse over pumpen. Dette skyldes at akseleffekten er lik produktet av turtall og moment. Momentet er summen av friksjonstap og det hydrauliske momentet som entydig bestemmes av skruegeometri og samlet differansetrykk over pumpeseksjonen. Turtallet bestemmes av ønsket væskeinntak, skruegeometri og slipp på inntakssiden (volumetrisk tap). Når det pumpes inkompressibel væske vil det ikke være noen forskjell på inn-taks- og utløpsvolum, og en tradisjonell eksenterskruepumpe med kun én pumpeseksjon og konstant skruegeometri over hele lengden vil fungere effektivt.

Når det derimot pumpes et kompressibelt medium som for eksempel en blanding av olje, vann og hydrokarbongasser, vil komp-resjonen gjennom pumpen gjøre at volumstrømmen ved uttaket er vesentlig mindre enn volumstrømmen ved inntaket, selv om mas-sestrømmen er den samme. Den reduserte volumstrøm ved utløpet utgjør et hydraulisk effekttap som omsettes til uønsket var-me. Samtidig øker intern slipphastighet i pumpen som derfor raskere brytes ned av erosjon.

Ved konstruksjon av en multifase booster-pumpe for transport av råolje til en overflateinstallasjon fra en eller flere brønner med utilstrekkelig poretrykk, vil gassvolumfraksjon og kompressibilitet i råoljen kunne variere betydelig over pumpens driftstid, især dersom pumpen arrangeres på et knute-punkt på havbunnen i betydelig avstand fra reservoaret. Dette vil tilsi behov for en fleksibel pumpe i henhold til oppfinnelsen. Pumpens kompleksitet må imidlertid balanseres mot hensynet til driftssikkerheten. Det vil derfor oftest være snakk om et kompromiss der et moderat antall pumpeseksjoner, kanskje fortrinnsvis to som vist i utførelseseksemplet i de vedlagte fig. 1 - fig. 7, vil være mest aktuelt. Dette er imidlertid ikke til hinder for at oppfinnelsen også omfatter et hvilket som helst antall pumpeseksjoner satt sammen for drift via et tilsvarende antall differensialer arrangert etter prinsippene forklart i denne beskrivelse. Pumpen kan med fordel anvendes som nedihulls boosterpumpe i en oljebrønn eller som boosterpumpe i en samlerørledning for flere oljebrøn-ner.

Pumpen kan flenses direkte på en vertikal undervanns rørled-ning.

Ved å sette sammen pumpen av flere pumpeseksjoner med en eller flere mellomliggende differensialer i henhold til den foreliggende oppfinnelse, endrer tapsbildet ved pumping av kompressible og inhomogene væsker seg vesentlig. For hver enkelt pumpeseksjon gjelder fortsatt de forhold som er beskrevet ovenfor. Men har vi eksempelvis å gjøre med to like pum-peseks joner vil trykkdifferansen bli halvert for hver pumpeseksjon. Første pumpeseksjon må da tilføres halve den samlede effekt vi trengte i første eksempel, fordi inntaks-strøm og turtall blir det samme. Men dersom utløpsvolumet fra første pumpeseksjon eksempelvis er halvert pga. kompresjon, noe som ikke er urealistisk, kan turtallet på neste pumpeseksjon halveres og dermed reduseres samlet effektbehov i dette eksempelet med 25 %. Enda mer radikal bedring av energiutnyt-telsen kan skje ved innføring av flere enn to pumpeseksjoner, dersom dette balanseres riktig mot hensynet til mekanisk friksjonstap, og særlig under driftsbetingelser der gassvolumfraksjon (GVF) ved inntaket og/eller forholdet mellom differansetrykk og innløpstrykk er særlig stort.

De nedenfor beskrevne utførelseseksempler, som også er vist i vedlagte figurer, er ikke begrensende for oppfinnelsens dek-ningsomfang slik den kan utledes av kravsettet. Tannhjulsan-ordningen som vist på fig. 6 og fig. 7 og som driver indre rotor kan sløyfes helt, siden det er tidligere kjent å la den ytre rotor drive indre rotor ved hjelp av drivende kontakt mellom overflatene i de indre pumpehulrom. Alternativt kan tilsvarende tannhjulsanordning for drift av den indre rotor, som her kun er vist på utløpssiden, også anordnes på innløps-siden og/eller mellom pumpeseksjonene. Lagre som er vist som kule- og rullelagre kan selvfølgelig ha helt andre utførel-ser, eksempelvis som "tilting pad" eller andre hydrodynamiske lagre, eller helt enkelt som glidelagre. Ikke minst vil dynamiske tetninger sjelden utføres som O-ringer, men heller som avanserte mekaniske tetninger eller i det minste som leppe-pakninger. De høye periferihastigheter som kan forventes vil gjøre det naturlig å vurdere mekaniske tetninger med karbid eller diamant kontaktflate.

Ethvert i og for seg kjent geometrisk design av eksenter-skrue, rotor og stator (eller ytre rotor), herunder de geometriske forhold utledet av Moineau så vel som andre utvikle-re av tidligere kjente PCP-pumper, anses omfattet av foreliggende oppfinnelse, idet dette ikke endrer oppfinnelsens prinsipielle karakter eller funksjonalitet. Indre rotors skrue kan ha hvilket som helst antall gjengestarter så lenge ytre rotor passer til den indre rotor.

Blant andre anvendelse av oppfinnelsen enn det som hittil har vært nevnt vil en mulighet være framdrift av fartøyer i form av vannjet. Bruk av eksenterskruepumper til dette formål har tidligere vært framhevet som interessant, men en hemsko har vært pumpens tendens til å blokkeres av gjenstander som suges inn med sjøvannet. En eksenterskruepumpe med flere pumpeseksjoner anvendt for dette formål i henhold til oppfinnelsen kan eksempelvis utformes med innbyrdes, avtakende skruediame-ter eller eksentrisitet fra pumpeseksjon til pumpeseksjon, men med tilsvarende økende stigning fra innløp mot utløp. Denne utførelsen vil bevirke en gradvis akselerasjon av væs-ken fra pumpeseksjon til pumpeseksjon med tilhørende skyv-kraft fra rekyleffekten. Selv om endelig akselerasjon enklest skjer ved hjelp av en tradisjonell dyse, vil den trinnvise akselerasjon på sugesiden redusere risikoen for kavitasjon, og virkningsgraden kan bli svært høy fordi hovedsakelig all akselerasjon også på sugesiden er direkte, aksialt rettet. Differensialene vil sterkt redusere risikoen for havari om drivende gjenstander trekkes inn med væskestrømmen, fordi blokkering av første pumpeseksjon hva motorbelastning angår vil kompenseres med økt hastighet i neste pumpeseksjon, som deretter vil få redusert moment pga. kavitasjon som i dette tilfellet er gunstig. Det reduserte momentet gjør at gjenstanden blir mindre fastkilt slik at den både gjør mindre skade og blir lettere å fjerne. Dersom dyseutløpet holdes under vann, vil en reversering av pumpen bygge opp trykk mellom pumpeseksjonene fordi utløpet av væske gjennom den blokkerte, opprinnelige innløpsseksjonen er hemmet. Momentet vil da vok-se på alle pumpeseksjoner og det er rimelig sannsynlig at den fastkilte pumpeseksjonen vil frigjøres, og den uønskede gjenstanden pumpes ut på det som normalt er inntakssiden. Når gjenstanden er betryggende fjernet, er vannjeten igjen klar for normal drift.

I det etterfølgende beskrives noen foretrukne utførelsesfor-mer som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser perspektivisk de aktive komponenter i en eksenterskruepumpe ; Fig. 2 viser perspektivisk en første pumpeseksjon i henhold til oppfinnelsen; Fig. 3 viser perspektivisk en andre pumpeseksjon i henhold til oppfinnelsen; Fig. 4 viser i større målestokk og i snitt et utsnitt B fra fig. 6 av en eksenterskruepumpe ifølge oppfinnelsen; Fig. 5 viser i sideriss en eksenterskruepumpe ifølge oppfinnelsen; Fig. 6 viser et snitt A-A i fig. 5; Fig. 7 viser i større målestokk og i snitt et utsnitt C i

fig. 6;

Fig. 8 viser en prinsippskisse av en eksenterskruepumpe i

en alternativ utførelsesform; og

Fig. 9 viser en prinsippskisse av en eksenterskruepumpe i

en ytterligere utførelsesform.

På tegningene betegner henvisningstallet P en eksenterskruepumpe som omfatter en første pumpeseksjon Pa og en andre pum-peseks jon Pb.

Fig. 1 viser de aktive komponenter av en eksenterskruepumpe P ifølge i og for seg kjent teknikk hvor en indre pumperotor 1 forløper gjennom en stator eller ytre pumperotor 2. Den indre pumperotor 1 er utformet med én gjengestart Z, mens statoren eller den ytre rotor 2 er forsynt med Z+l=2 gjengestarter.

Pumperotorens 1 senterakse 1' befinner seg på en fast avstand fra statorens eller den ytre pumperotors 2 senterakse 2'.

En første pumpeseksjon Pa av prinsipielt to pumpeseksjoner, den første pumpeseksjon Pa og en andre pumpeseksjon Pb i henhold til oppfinnelsen, er vist i fig. 2. En første, ytre pumperotor 2a med senterakse 2a' er fast, konsentrisk forbundet med en første tannkrans 4a. I dette utførelseseksempel er den første, ytre pumperotor 2a også forsynt med en konsentrisk første overgangshylse 5a med et omkransende spor 6 for en dynamisk tetning som avskjærer den første tannkrans 4a fra kontakt med pumpemediet.

Innenfor overgangshylsen 5a vises en første, indre pumperotor la med senterakse la' som er forsynt med en første akseltapp 3a, som i dette tilfellet har påkrympet et rotasjonslager 7, for eksempel et radialt nålelager hvor rotasjonslageret 7 ikke er utvendig fiksert i den første pumpeseksjons Pa første pumpehus 23 eller annet fast gods, men er fiksert i et første lagerhus 8 som er fast montert i den andre pumpeseksjons Pb andre indre pumperotor lb, se fig. 3.

Den andre pumpeseksjon Pb, se fig. 3, er montert konsentrisk i forhold til den første pumpeseksjon, se fig. 5 og 6. Den andre pumpeseksjons Pb andre, ytre pumperotor 2b med senterakse 2b', har en fastmontert, konsentrisk andre tannkrans 4b med samme tannmodul og tannantall som den første tannkrans 4a, og er montert i riktig avstand fra denne, bestemt av minst ett mellomliggende planettannhjul 10 som er i permanent inngrep med begge tannkranser 4a og 4b. En andre overgangshylse 5b er forsynt med en tetningsflate 5c som er innrettet til tettende å kunne samvirke med sporet 6. Den andre pumpe-seks jons Pb tilhørende andre indre pumperotor lb er konsentrisk med sin akse ib' forsynt med et fastkrympet første lagerhus 8 som er innrettet til å fiksere rotasjonslageret 7 slik at den første, indre pumperotors la senterakse la' er felles med den andre, indre pumperotors lb senterakse lb' også ved innbyrdes, uavhengig omdreiningshastighet.

Pumperotorene la, lb, 2a, 2b er nedenfor for enkelthets skyld betegnet rotorer.

Planettannhjulene 10, som kan være av vilkårlig antall, roterer fritt om sine respektive akseltapper 11 hvor akseltappene 11 er fast montert på en planetring 9 slik at akseltappene 11 fortrinnsvis peker mot samme punkt på den andre, ytre rotors 2b sentralakse 2b'. Planetringen 9 som roterer om et planet-lager 12 hvor planetlageret 12 er konsentrisk med den andre, ytre rotors rotorlagre 13 og 14, danner sammen med det første planettannhjul 10 og tannkransene 4a, 4b en første differensial Da der planettannhjulene 10 og tannkransene 4a, 4b samvirker på i og for seg kjent måte i forhold til gjensidige, ikke nærmere spesifiserte inngrepsvinkler, tannantall etc. Planetringen 9 er drevet på hvilken som helst i og for seg kjent måte av en rotasjonsmotor M, nedenfor benevnt motor.

I fig. 4 vises sentrale komponenter fra detalj B i fig. 6. Motoren M utgjøres her av en elektromotor som omfatter en stator 15 og en rotor 16. Motorens M rotor 16 omslutter konsentrisk den første, ytre pumperotor 2a, men dog slik at motoren M og den første, ytre pumperotor 2a tillates å rotere relativt hverandre ved hjelp av innbyrdes posisjonerende rotasjonslagre 20.

Motorens M rotor 16 er i dette utførelseseksempel fast forbundet med planetringen 9 og deler dennes rotasjonslager 12. Motorens stator 15 er fast forbundet med det første pumpehus 23.

I fig. 4 er det tydeliggjort hvordan motorens M og planet-ringens 9 rotasjon driver begge ytre rotorer 2a, 2b med uavhengig hastighet men slik at den første, ytre pumperotor 2a og den andre, ytre rotor 2b får tilnærmet samme moment, og slik at motorens M omdreiningshastighet svarer til middelver-dien av de to ytre rotorers 2a, 2b omdreiningshastighet.

De ytre rotorer 2a, 2b evner på sin side å tvangsstyre ønsket rotasjon for hver av sine respektive indre rotorer la, lb i henhold til kjente Moineau-prinsipper, siden begge indre rotorer la, lb har sammenfallende rotasjonsakser la', lb', men uavhengig roterende akseltapper 3a, 3b, se fig. 7. Mediet som skal pumpes, strømmer gjennom den første pumpeseksjons Pa pumpehulrom 19a, et hulrom 19c mellom den første pumpeseksjon Pa og den andre pumpeseksjon Pb og videre i den andre pumpeseksjons pumpehulrom 19b uten kontakt med lagrene 7, 12, 13, 14, eller tannhjulene 4a, 4b, 10 siden disse er avskjermet ved hjelp av henholdsvis det tette, første lagerhus 8 og overgangshyIsene 5a, 5b hvor ringen 6 samvirker med tetnings-flaten 5c. Tannhjul 4a, 4b, 10 og lagre 12, 13, 14, løper på sin side i smørende og kjølende væske som ledes gjennom eksempelvis hulrom 17a, 17b mellom pumpens ytre rotorer 2a, 2b og pumpehusene 23, 25.

Fig. 5 viser forenklet et eksempel på eksteriør for en to-trinns eksenterskruepumpe P komplett med i fig. 5 ikke vist motor M og den første differensial Da i henhold til oppfinnelsen. En innløpsflens 21 er løsbar for tilkomst til et lagerhus 22 som rommer i fig. 5 ikke viste radial- og aksialla-ger 29 for den første, indre rotor la og den første, ytre pumperotor 2a. Det første pumpehus 23 rommer den i fig. 5 ikke viste første pumpeseksjon Pa så vel som motor M og den første differensial Da.

En flens 24 er anordnet for å kunne splitte den første pumpeseksjon Pa fra andre pumpeseksjon Pb samt for å gi tilkomst til motoren M og den første differensial Da. Det andre pumpehus 25 kapsler de andre rotorer lb, 2b. En utløpsflens 28 er boltet til et lagerhus 27 og innrettet til å kunne fjernes for å få tilkomst til den andre, indre rotors lb lager 38 som er anbrakt i et lagerhus 38a, og den andre, ytre rotors lager 35.

I denne foretrukne utførelsesform er det anordnet et ytterligere gir G, se fig. 7, som er innrettet til å kunne sikre riktig, relativ rotasjonshastighet mellom den andre, indre rotor lb og den andre, ytre rotor 2b, og som derved reduserer friksjonstap i pumpen P ved at den ellers drivende direktekontakt mellom den andre, indre rotor lb og den andre, ytre rotor 2b avlastes. Det er tilkomst til girets G aksling 40 samt et første tannhjul 39a og et andre tannhjul 39b og lagre 41a og 41b i giret G gjennom en plugg 26.

Fig. 6 viser et snitt A-A gjennom pumpen i fig. 5. Området B svarer her til det som er vist i utsnittet i fig. 4, mens området C svarer til det som er vist i utsnittet i fig. 7.

Her vises aksial- og radiallager 29 for den første, indre rotor la og aksial- og radiallager 30 for den første, ytre pumperotor 2a, mens lager 31 støtter motorens M rotor 16. En prinsipiell posisjon for en dynamisk tetning 32 av den førs-te, indre rotors la lagerhus 29a er her forenklet vist som en enkel O-ring. Tilsvarende er det vist en O-ring 34 for sta-tisk tetning av motoren M og lagre 30, 31 mot omgivelsene, og sterkt forenklet en O-ring 33 i posisjon for dynamisk tetning av den ytre pumperotor 2a.

Utsnittet C er vist i større målestokk i fig. 7 hvor giret G lar den andre, ytre rotor 2b drive den andre indre rotor lb i riktig hastighet uavhengig av drivende direktekontakt mellom den andre, indre rotors lb utvendige og den andre, ytre rotors 2b innvendige overflater.

En tredje tannkrans 36 er fast forbundet med den andre, ytre rotor 2b og går i fast inngrep med det første tannhjul 39b som samroterer med det andre tannhjul 39a og akslingen 40 i lagrene 41a, 41b. Det andre tannhjul 39a driver et tredje tannhjul 37 som er fast montert på den andre, indre rotors lb akseltapp 3b.

I denne utførelsesform, hvor antall gjengestarter på den andre, indre rotor lb er Z=l, skal relativt turtall mellom indre og ytre rotor være (Z+l)/Z=2, noe som sikres ved at N36/N39b = 2<*>N37/N39a, hvor NM er antall tenner i det respektive tannhjul 36, 37, 39a. 39b. De dynamiske tetninger i posisjon 42 og 43 som forenklet er vist som 0-ringer, atskiller pumpemediet som løper gjennom pumpehulrommene 19b, et hulrom 19d ved giret G og et utløpshulrom 19e, fra lagrene 35, 38, 41a, 41b, og tannhjulene 36, 37, 39a. 39b. Smøre- og kjølemediet i hulrommet 17a som befinner seg mellom den andre, ytre rotor 2b og det andre pumpehus 25, har derimot åpen forbindelse med lagrene 35, 38, 41a, 41b og tannhjulene 36, 37, 39a. 39b, men er avstengt fra pumpemediet så vel som fra omgivelsene ved hjelp av statiske tetninger 44, 45. En hylse 46 låser et hus 38a som posisjonerer den indre rotors lager 38 fra å kunne rotere i forhold til det andre pumpehus 25 og lagerhus 27. Merk at det over og under snittet som vises er åpen forbindelse mellom hulrommene 19b og 19d slik at mediet her kan strømme fritt selv om dette ikke fremgår direkte av tegningene.

Fig. 8 viser skjematisk og prinsipielt en alternativ utførel-se av en eksenterskruepumpe P i henhold til oppfinnelsen med tre pumpeseksjoner 47a, 47b, 47c hvor et kompressibelt medium er tenkt fortrinnsvis pumpet i pilenes retning. Pumpeseksjonene 47b og 47c er i dette tilfellet parvis like, men med indre hulrom som er mindre enn hulrommene i seksjon 47a. En første differensial Da som omfatter en planetring 49 og planethjulene 50a, 50b bevirker at det totale dreiemomentet på seksjonene 47b og 47c balanseres mot dreiemomentet på seksjon 47a. Tilsvarende vil en andre differensial Db som er sammensatt av planetringen 51 og planethjulene 52a, 52b bevirke at det oppvises et balansert dreiemoment innbyrdes mellom seksjonene 47b og 47c. Alle seksjonene drives av en i dette tilfellet omsluttende elektromotor M som er illustrert ved en stator 48a og en rotor 48b.

De mindre tverrsnitt på seksjonene 47b og 47c gjør at pumpen fungerer særlig optimalt og med lite aktive planethjul 50a og 50b under bestemte og antatt alminnelige driftsforhold med forholdsvis betydelig kompresjon av pumpemediet. Likevel vil pumpen P nesten like godt takle midlertidige driftsforhold der pumpemediet er sammensatt kun av inkompressibel væske. Rotorseksjonene 47b og 47c vil da få innbyrdes samme omdreiningshastighet, men denne vil være større enn omdreiningshas-tigheten til rotoren 47a. Planethjulene 52a og 52b vil nå overta planethjulene 50a og 50b sin inaktive tilstand, dvs. de vil ikke behøve å rotere om sin egen akse.

Fig. 9 viser skjematisk og komprimert i lengderetning et ytterligere utførelseseksempel av en eksenterskruepumpe P i henhold til oppfinnelsen. Pumpen P er konstruert med tanke på tilnærmet optimal ytelse over et stort spekter av gassvolum-fraksjoner, slik at funksjonen kan varieres fra nesten ren væskepumpe til nesten ren gasskompressor. I dette tilfellet har man valgt å arrangere en motor 59 eksternt og latt den drive hele fire pumpeseksjoner 53a, 53b, 53c, 53d via tre differensialer. De fire pumpeseksjoner er atskilt innbyrdes og mot pumpehus (ikke vist) med dynamiske tetninger 54a, 54b, 54c, 54d, 54e. Innenfor hver enkelt pumpeseksjon 53a, 53b, 53c, 53d er den ikke viste ytre- og indre rotor i dette tilfellet designet med konstant stigning og skruegeometri slik at alle ikke viste pumpehulrom innen samme pumpeseksjon beva-rer samme volum. Dette er klart å foretrekke ved pumping av ren væske. Fra den ene pumpeseksjonen til den neste endres derimot skruegeometriene slik at for hver pumpeseksjon nærmere utløpet reduseres rotordiameter og stigning mens antall hulrom eller omdreininger økes tilsvarende, ut fra prinsippet om at hver pumpeseksjon skal ha tilnærmet samme moment ved

samme trykkdifferanse per hulrom. Dette prinsipp lar seg bygge inn i designet på en måte som vil virke uavhengig av gassvolumfraksjon. Det forutsetter økende turtall for hver pumpeseksjon 53a, 53b, 53c, 53d når det pumpes inkompressibel

væske, men samme eller endog avtakende turtall mot utløpet når pumpemediet for en stor del består av gass.

Når motorens 59 tannhjul 58 i utførelsen vist i fig. 9 driver en første differensial Da med planetringen 56 og planethjulene 61a og 61b, sikres likt dreiemoment på de to andre diffe-rensialers Db, Dc respektive planetringer 55 og 57. Planetringen 55 bringer via planethjulene 60a og 60b pumpeseksjonene 53a og 53b til å rotere med de innbyrdes turtall som best balanserer dreiemomentene. Tilsvarende vil planetringen 57 drive pumpeseksjonene 53c og 53d slik at disse justerer seg selv til de turtall som best balanserer dreiemomentene .

Claims (18)

1. Eksenterskruepumpe (P) omfattende minst en indre pumperotor (1, la, lb) som omsluttes av minst en ytre pumperotor (2, 2a, 2b) som sammen danner ett eller flere prinsipielt atskilte pumpehulrom (19a, 19b) som i henhold til kjente geometriske prinsipper vil forflyttes aksialt gjennom pumpen (P) når de respektive pumperotorene (1, la, lb, 2, 2a, 2b) bringes i samordnet rotasjon, karakterisert ved at det er anordnet minst to pumpeseksjoner (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) som hver omfatter én ytre pumperotor (2a, 2b) og én tilpasset, indre pumperotor (la, lb), hvor alle pumpeseksjoners (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) ytre pumperotorer (2a, 2b) er fast opplagret og arrangert langs samme akse (2a', 2b'), og hvor alle de indre rotorer er opplagret i fast posisjon i forhold til pumpens (P) pumpehus (23, 25), og hvor alle pumpeseksjoners (Pa, Pb, 47a, 47b,47c, 53a, 53b, 53c, 53d) ytre pumperotor (2a, 2b) drives av samme motor (M, 59) via minst én differensial (Da, Db, Dc) som er innrettet til å tillate hver pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) å rotere med innbyrdes forskjellig turtall.

2. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 1, karakterisert ved at rotasjonsmotoren (M) omslutter en eller flere av de ytre pumperotorer (2a, 2b) ved at rotasjonsmotorens (M) rotor (16) har samme rotasjonsakse (2a', 2b') som de ytre pumperotorer (2a, 2b) og at motorens (M) stator (15) er innbygget i pumpehuset (23, 25).

3. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 2, karakterisert ved at motorens (M) rotor (16) er fast opplagret i pumpehuset (23, 25) og at minst en av pumpens ytre rotorer (2a, 2b) er utelukkende eller delvis opplagret i motorens (M) rotor (16).

4. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 1 der indre rotor har Z gjenges tart er, karakterisert ved at minst én av pumpeseksjonene (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) er forsynt med et gir (G) som er innrettet til å sikre et hastighetsforhold Z/(Z+1) mellom henholdsvis den ytre rotor (2a, 2b) og den indre rotor (la, lb) i samme pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d), uavhengig av drivende kontakt mellom den indre rotors (la, lb) ytre gjenge og den ytre rotors (2a, 2b) indre gjenge.

5. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av foranstående krav, karakterisert ved at skruegeometrien for den indre rotor (la, lb) og den ytre rotor (2a, 2b) innenfor hver enkelt pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) er anordnet slik at alle prinsipielt lukkede og atskilte pumpehulrom (19a, 19b) i samme pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) har samme volum.

6. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 5, karakterisert ved at skruegeometrien er forskjellig fra pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) til pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) ,' slik at volumet av hvert enkelt prinsipielt atskilte pumpehulrom (19a, 19b) blir mindre fra en pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) og til den neste regnet fra innløpssiden.

7. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 6, karakterisert ved at antallet prinsipielt atskilte pumpehulrom (19a, 19b) i en pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) er mindre enn antall atskilte pumpehulrom (19a, 19b) i neste pumpeseksjon (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) regnet fra innløpssiden, slik at hydraulisk moment blir tilnærmet likt for begge pumpeseksjoner (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) dersom de utsettes for samme differanset rykk.

8. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av kravene 5-7, karakterisert ved at pumperotorenes (la, lb, 2a, 2b) skruestigning øker fra den ene pumpeseksjonen (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) og til den neste regnet fra innløpssiden.

9. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av foranstående krav, karakterisert ved at rotasjonsretningen for alle pumpeseksjoner (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) kan reverseres.

10. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at flere pumpeseksjoner (Pa, Pb, 47a, 47b, 47c, 53a, 53b, 53c, 53d) er like og ombyttbare.

11. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av kravene 1 og 4-10, karakterisert ved at motoren (59) er anordnet utenfor pumpehuset(23, 25) og kan demonteres, repareres eller erstattes uten å åpne eller demontere selve pumpen (P) og uten at det oppstår lekkasje av pumpemedium til omgivelsene.

12. Eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 11, karakterisert ved at pumpen (P) er frikoplet når motoren (59) demonteres, slik at væske kan strømme fritt gjennom pumpen (P) uten lekkasjer og med moderat trykkfall.

13. Anvendelse av eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av kravene 1-10, karakterisert ved at den benyttes som nedihulls boosterpumpe i en oljebrønn.

14. Anvendelse av eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av kravene 1-12, karakterisert ved at den benyttes som boosterpumpe i en samlerør-ledning for flere oljebrønner.

15. Anvendelse av eksenterskruepumpe (P) i henhold til ett eller flere av kravene 1-10, karakterisert ved at den flenses direkte på en vertikal undervanns rørledning.

16. Anvendelse av eksenterskruepumpe i henhold til krav 9 og ett eller flere av de øvrige krav, karakteris ert ved at den anvendes i en oljerørledning og er innrettet for å reverseres straks det detekteres en ned-strøms lekkasje i oljerørledningen.

17. Anvendelse av eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 8, karakterisert ved at den inngår i et vannjetsystem for framdrift av fartøy.

18. Anvendelse av eksenterskruepumpe (P) i henhold til krav 8, karakterisert ved at den benyttes som brannvannspumpe.