Screw pump

本発明は、２つのスクリュースピンドルの外側ベアリングと、ポンプハウジングと、吸引される媒体のための吸引室と、スクリュースピンドルによって圧送される媒体を収容する圧力室とを具備し、ポンプハウジングは、スクリュースピンドルを取り囲んで、複数の圧送室を形成し、これらの圧送室を、自らの内周面によって、外側で区画してなる、単流の、２軸の構造方式のスクリューポンプに関する。

スクリューポンプの多くの構想、例えば、EP 0 699 276 B1に記載の、２軸の、複流の装置が公知である。 この装置は、１つの非常に大きい井戸から、または多くの、部分的には５００よりも多い小型の井戸から流れ出る、未処理の石油・水・ガスの混合物を圧送するために、特にそのために用いられる。 複流のスクリューポンプは、吸引室および圧力室に分割されているハウジングを有する。 この場合、複数の圧送スクリューは、ハウジングまたは交換可能なハウジング要素内で直接に回転する。 ハウジング要素は、吸引室と圧力室の間のハウジングに挿入される。 この場合、ハウジングは、一方では、加工圧力を受け止めるための十分な圧縮強さを提供し、他方では、複数の圧送スクリュー同士の間のおよび複数のスクリューとハウジングまたはハウジング要素との間の、増圧工程に必要な、シーリングギャップの許容差、この許容差を維持するための形状および位置安定性を提供する課題を有する。 複数の非接触で回転する圧送スクリューは、出来る限り小さなシーリングギャップへの特に高い要求をする。 その目的は、高い効率を達成するためである。

２軸の、複流のデザインのスクリューポンプは、技術的に非常にコストがかかり、製造および保守に関してコスト集約的であり、従って、比較的大きな圧送力のために用いられることは好ましい。 圧送力は、典型的には、単井戸からの汲み上げ（Single-well-boosting）のためには、余りにも大きい。

DE 715860 B1からは、圧送液体のためのスクリューポンプが公知である。 このスクリューポンプは、複数の圧送スクリューのための、一側での外側ベアリングを有する。 これらの圧送スクリューは、ハウジングによって囲繞される。 ハウジングは一体的に形成されており、ハウジング部分にフランジで固定されている。 このハウジング部分には、複数の圧送スピンドルが取り付けられている。 このハウジングを、保守作業のために、取り外すことができる。 ポンプを保守する必要があるとき、ポンプを供給口および排出口で供給管から分離して、完全に新しいポンプを組み込むことが必要である。
総交換の代わりに、スクリューポンプを現場で分解して修理することができる。 このことは、非常に時間がかかる。 更に、複数の部品からのポンプの取付は、顧客の場合には、現場で、動作特性の正確な確定によるポンプ試験が不可能であり、それ故に、ポンプの総交換が、通常、必要な動作パラメータの実現のために必要であるという欠点を有する。

まさしく単井戸からの汲み上げの際には、圧送媒体の組成における大きな変化が生じる。 予測不可能なほど高い程度に、液体の１００％の圧送の状態が、ガスの１００％の圧送の相と交代する。 ガスの１００％の圧送の相は、スクリューポンプにとって特に重要である。 何故ならば、従来のスクリューポンプの場合、ガスの圧送の所定の時間後に、濃度のある、冷却性のおよび潤滑性の液体が圧送されるからである。 この状態は、圧送スクリューの加熱およびこれに伴って各圧送スクリュー同士の接触および圧送スクリューと圧送ハウジングとの接触をもたらす。 このことは、高い磨耗、場合によってはポンプの停止をもたらす。 現場での保守に関する、このことによって生じる諸問題は、既に述べた。

複数の単井戸からの汲み上げのためには、スクリューポンプの他に、偏心スネークポンプも用いられる。 しかしながら、偏心スネークポンプは、多相混合物の圧送のためには、条件付きでのみ役立つ。 何故ならば、多相混合物の１００％のガス圧送能力が、生じる摩擦熱により、時間的に非常に限定されているからである。

２軸の複流のデザインの多相ポンプの寸法過大の結果として、および比較的少ない出力を有する適切な多相ポンプの欠如により、世界的に、数千の油井が汲み上げられないか、もはや汲み上げられない。 このことによって、高価な原料が使用されない。

従って、本発明の課題は、安価に製造されることができ、保守されることができ、原理的には、単井戸からの汲み上げの枠内で多相混合物の圧送のために適切であるポンプを提供することである。

本発明では、上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する、前提部分に記載のスクリューポンプによって解決される。

本発明の好都合な実施の形態および改善は、複数の従属請求項に記載されている。

２つのスクリュースピンドルの外側ベアリングと、ポンプハウジングと、吸引される媒体のための吸引室と、スクリュースピンドルによって圧送される媒体を収容する圧力室とを具備し、ポンプハウジングは、スクリュースピンドルを取り囲んで、複数の圧送室を形成し、これらの圧送室を、自らの内周面によって、外側で区画してなる、単流の、２軸の構造方式のスクリューポンプは、ポンプハウジングが、圧力ハウジングに挿入されていて、この圧力ハウジングに取り付けられており、その結果、圧力室が、ポンプハウジングを、少なくとも部分的に取り囲むことを提案する。 ポンプハウジングを圧力ハウジングに挿入することができることおよびポンプハウジングを圧力ハウジングに取り付けることができることによって、ポンプハウジングに設けられたスクリュースピンドルおよび外側ベアリングを有するポンプハウジングのみを交換することが可能である。 それ故に、モジュールの構造方式で、スクリューポンプが提供される。 スクリューポンプは、複数の磨耗部分を圧力ハウジングから完全に取り除くことによって、迅速に修理されることができる。 ポンプハウジングを、ポンプハウジングに設けられたスクリュースピンドルと共に単に交換することによって、更に、圧力ハウジングとポンプハウジングとの間の機械的な結合解除が生じる。 それ故に、圧力による変形が、圧力ハウジング内で、ポンプハウジングに伝えられないか、気づかないほどにしかポンプハウジングに伝えられない。 このことによって、複数のスクリュースピンドル同士の位置正確性が保証されている。 何故ならば、圧力ハウジングの変形が、複数の圧送要素、パッキングおよびベアリングの許容差に作用しないからである。 このことは磨耗を減じ、ギャップの僅かな寸法の調整を可能にする。 このことはポンプの効率を高める。

本発明の改善は、ポンプハウジングが圧力室を貫通しており、その結果、ポンプハウジングが、圧力ハウジングに、２つの接触箇所または載置箇所を有することを提案する。 この場合、ポンプハウジングが、一側でのみ、圧力ハウジングに取り付けられており、特に螺着されており、他方、ポンプハウジングの、圧力ハウジングに取り付けられていない端部が、圧力ハウジングのガイドに取り付けられていることが提案されている。 従って、ポンプハウジングが、圧力ハウジング内で一側に動かないようにおよび他側では容易に可動に取り付けられており、圧力ハウジングとポンプハウジングの間の僅かなギャップが、少なくとも１つのパッキングによって、密封されており、それ故に、圧送媒体が、圧力室から、ガイドのギャップを通って流出することがないことが可能である。 圧力ハウジングのガイド内の僅かなギャップは、圧力室に支配的な圧力によって、ポンプハウジング内には、複数のスクリュースピンドル同士の間のおよび複数のスクリュースピンドルとポンプハウジングとの間のギャップを変えるだろう変形が生ぜず、ポンプハウジング全体が、圧力ハウジング内で容易に移動されることを可能にする。

本発明に係わる実施の形態の他の特徴は、複数の構成部材の位置正確性への比較的少ない要求の故の圧力ハウジングの比較的容易な製造である。 それ故に、圧力ハウジングの安価な製造が可能である。 更に、保守が、ポンプハウジングの、スクリュースピンドルおよびベアリングユニットと共の完全な取り外し可能性により、著しく簡単化されている。

単純な構造物にも拘わらず出来る限り剛性の構造を達成するために、ポンプハウジングを支持プレートによって圧力ハウジングに取り付けることが提案されている。 支持プレートには、かくして、圧力ハウジングのみならずポンプハウジングおよび場合によってはベアリングユニットも取り付けられており、ベアリングユニットには、複数のスクリュースピンドルが、圧送流から分離された状態で取り付けられている。 複数のスクリュースピンドルは、ベアリングユニットに取り付けられている。 ベアリングユニットは、同様に、ポンプハウジングに連結されている。 それ故に、ベアリングユニットは、ポンプハウジングおよび複数のスクリュースピンドルと共に、圧力ハウジングから完全に取外し可能である。 複数のスクリュースピンドルと、ポンプハウジングと、複数のスクリュースピンドルのベアリングユニットとは、纏められて圧送モジュールに形成可能である。 圧送モジュールは、容易に交換され、製造後に、完全な性能テストに晒されることができる。 それ故に、圧送モジュールを新たなまたは再加工された圧送モジュールと交換する際に、ポンプがどの動作パラメータを有するかが、予測可能である。

単井戸からの汲み上げでの使用の際の圧縮のために、圧力室には、圧送される多相混合物を気相および液相へ分離するための複数の分離手段が設けられていることが提案されている。 それ故に、分離された相は、別々に導き出され、あるいは、分離された液相の一部が、短絡用導管を通って、圧力室から吸引室へ導き戻され、液体の最小量が、ポンプハウジング内で準備される。 その目的は、複数のスクリュースピンドルを冷却し、複数のスクリュースピンドル同士の間のおよび複数のスクリュースピンドルとポンプハウジングとの間のギャップを密封することができるためである。 ポンプハウジングが圧力室内にあるので、短絡用導管をポンプハウジング内に形成すること、従って、ポンプ室と吸引室の間の直接的な連通を形成することが可能である。

短絡用導管を通って、分離された液相が、適量配分された状態で、吸引室へ導き戻される。 このことは、ポンプの効率に関して損失を伴う。 しかしながら、多相混合物をポンプで汲み上げるためのスクリューポンプの使用の際には、著しく長くなった寿命が可能となる。

ポンプハウジングは、圧力ハウジングに偏心的に設けられていることが可能である。 その目的は、一方では、液相を分離し、分離された液相を、短絡用導管を通して、複数のスクリュースピンドルの吸引側へ戻すことを容易にするためであり、他方では、圧力ハウジングの、圧力による変形を、ベアリングユニットおよび複数のスクリュースピンドルへ作用させないか、あるいは、以下のように、すなわち、変形が、複数のスクリュースピンドルの、圧力による撓みと逆である、ベアリングユニットの角度変化を引き起こすように、作用させるためである。

補足的に、圧力ハウジングには、圧力ハウジングをスクリュースピンドルのベアリングユニットに対し予備緊張させるための複数の通しボルトが設けられていてもよい。 それ故に、ベアリングユニットの、圧力による角度変化が、ポンプハウジングの、圧力ハウジングでの適切な位置決めならびに肉厚の選択および/または材料の投入の代わりに、またはこれらに補足して調整されることができる。

圧送モジュールへの機能の更なる統合のために、ポンプハウジングには、吸引室が形成されていることが提案されている。 それ故に、吸引室を、寸法および流体工学的な構造に関して、圧送スクリューに最適に適合させることが可能である。

圧力ハウジングの実施の形態を簡略化するためには、ポンプハウジングが、圧力室の壁部の一部分であることが提案されている。 それ故に、ポンプハウジングの挿入は、圧力室の内壁の一部を形成する。 この目的のためには、ポンプハウジングが、密封状態で、圧力ハウジングに取り付けられていることが必要である。 圧送される媒体のための複数の導管または流路が設けられている。 これらの導管または流路を通って、圧送される媒体が圧力室へ導かれる。

同様に、複数の供給管または分岐管のための複数の接続手段が、圧力ハウジングに形成されている。 それ故に、ポンプの保守の際には、圧力ハウジングは、導管網から取り外す必要はない。 このことによって、かなりの組立コストが避けられる。 密封の諸問題は、導管網からの全部のポンプの組立または分解によって回避される。

以下、スクリューポンプを横断面図で示す図１を参照して、本発明の１つの実施の形態を説明する。

図１には、２つのスクリュースピンドル１，２を有する単流のスクリューポンプが示されている。 これらスクリュースピンドルは、複数の歯車によって互いに連結されたシャフト１０，２０と、これらのシャフトに複数のネジによって取り付けられた複数のロータ１１，１２とからなる。 これらのシャフト１０，２０は、ベアリングハウジング１９に取り付けられており、ベアリングユニット９を形成している。 このベアリングユニットは、圧送される媒体に対し密封されている。 複数のロータ１１，１２はポンプハウジング３に取り付けられており、ポンプハウジング３の内周面３ａが、複数のロータ１１，１２を取り囲んでいる。 それ故に、互いに噛み合う複数のロータ１１，１２によって、内周面３ａと共に、複数の圧送室４が形成されている。 これらの圧送室では、圧送される媒体が、吸引室５から複数の連結流路１６を介して圧力室６へ圧送される。 複数のロータ１１，１２の間のみならず、複数のロータ１１，１２と内周面３ａとの間にも、最小限の遊びが生じている。 この目的は、ポンプの漏洩率を出来る限り低く保つためである。

ここでは環状空間として形成されている圧力室６は、圧力ハウジング７によって形成されている。 この圧力ハウジングは、圧力室６を、外周面において、両端面で密封している。 圧力室６の内側密封は、ポンプハウジング３の外壁によって実現されている。 何故ならば、ポンプハウジング３が圧力ハウジング７従ってまた圧力室６を貫通しているからである。 ポンプハウジング３は、複数のボルト４０によって支持プレート８に取り付けられており、この支持プレートには、同様に、複数のボルト４１によって、ベアリングユニット９が取り付けられている。 支持プレート８は、同様に、複数の通しボルト４２によって、圧力ハウジング７に結合されている。 この結果、ポンプハウジング３は、複数のボルト４０と、支持プレート８と、複数の通しボルト４２とによって、一側でポンプハウジング７に取り付けられている。 ポンプハウジング３は、複数のボルト４０の区域で、環状のフランジ３７を有する。 このフランジは、ポンプハウジング７の相応に形成されたリセス２７に挿入可能である。 ポンプハウジング３の、支持プレート８から離隔した端部３０は、ポンプハウジング７のリセス１７中に取り付けられているが、ここには螺着されておらず、パッキング２７によってのみ密封されている。 パッキングの端面は、フロントプレート１５によって密封されている。 このフロントプレートは、圧送用媒体を吸引室５に導き入れるための貫通孔２５を有する。 同様に、複数の接続手段、即ち、供給管を保持するためのねじ２６が、フロントプレート１５に設けられている。

ポンプハウジング３の、一側での、圧力ハウジング７への取付は、ポンプハウジング３と、ベアリングユニット９と、このベアリングユニットに設けられた圧送用スピンドル１，２とからなるモジュール状に形成された組合せにより、圧力ハウジング７の圧力変形から除外されているという利点を有する。 圧力ハウジング７は、システムの各々の設計圧力に基づいて設計されており、原理的には任意な大きさに構成されていることが可能である。 ２つのリセス１７，２７および複数の接続手段は、このような圧送ユニットまたは圧送モジュールが、ポンプハウジング３およびベアリングハウジング９から組み立てられることが可能であるように、形成されていなければならない。 圧送ユニットを圧力ハウジング７へ挿入することによって、ポンプが完成される。 圧送ユニットに統合されたポンプハウジング３は、同時に、吸引室５を形成し、圧力室６と吸引室５とを分離している。

更に、圧力ハウジング７には、複数の分岐管のための複数のフランジ１４が設けられている。 これらのフランジは、動かないように取り付けられていることが可能である。

圧力室６内には、多相混合物の圧送の際に気相および液相を分離するための複数の分離手段が設けられていてもよい。 これは、零に近い流速を発生させるための複数の転向プレートまたは沈降区域であってもよい。 これらの箇所に、短絡用導管１３が設けられていることは好ましい。 この短絡用導管は、吸引室５を圧力室６に接続させる。 図示した実施の形態では、短絡用導管１３はポンプハウジング３に形成されておりかつ下側に設けられている。 それ故に、環状の圧力室６の下部にありかつポンプハウジング３まで満たされている液体が、吸引室５へ吸引され、そこで、複数のロータ１１，１２を通って移動されることが可能である。 このことによって、熱伝達、密封およびこれらのロータ１１，１２の潤滑が引き起こされる。 図示した実施の形態は、非常に異なった坑口圧力でもポンプの確実な機能を保証するために、特にそのために適切である。 これらの坑口圧力は、いわば大気圧から最大限１００ｂａｒを越えて上昇することがある。

前記貫通孔２５にはまたは貫通孔の前方には、ポンプ保護フィルタが統合されており、または設けられていてもよい。 その目的は、望ましくない粒子を抑え、かつ複数のロータ１１，１２の損傷を回避するためである。

図１は、スクリューポンプを横断面図で示す。