DE3325682C2

DE3325682C2 - Förderpumpenantrieb

Info

Publication number: DE3325682C2
Application number: DE3325682A
Authority: DE
Inventors: Siegmar-J. 8770 Lohr Hochsattel
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1983-07-15
Filing date: 1983-07-15
Publication date: 1986-01-09
Also published as: DE3325682A1; US4646518A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Förderpumpenantrieb, insbesondere für eine Ölförderpumpe, mit Energierückgewinnung. Zum Heben des Antriebskolbens dient der Förderstrom einer hydraulischen Verstellpumpe, insbesondere eine Axialkolbenmaschine. Über eine Wegeventilanordnung wird das beim Absenken des Antriebskolbens verdrängte unter Druck stehende Flüssigkeitsvolumen in der gleichen Durchflußrichtung durch die Pumpe geleitet wie beim Heben. Das Druckmittel kann dann entweder zum Tank abfließen, wobei von der Pumpe ein Motor angetrieben wird, der elektrische Energie in das Netz zurückspeist, oder kann einen hydraulischen Speicher aufladen, der beim Heben des Antriebskolbens mit der Saugseite der Pumpe verbunden wird, und der sich beim Heben entlädt, wobei nur das restliche Drehmoment vom Antriebsmotor geliefert werden muß. Der erfindungsgemäße Förderpumpenantrieb zeichnet sich durch eine einfache Bauweise sowie durch eine hohe Lebensdauer aus, insbesondere deshalb, weil die Verstellpumpe ausgehend von der Neutralstellung für den Nullhub in nur einer Richtung sowohl zum Heben als auch zum Senken verstellt wird, ohne daß eine Verstellung in die andere Richtung erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Förderpumpenantrieb mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs t angeführten Merkmalen.

Antriebe für ölförderpumpen sind in mehreren Ausführungsformen bekannt. Bei der sogenannten Pferdekopfpumpe treibt ein Elektromotor über ein Getriebe mit Gewichtsausgleich das Fördergestänge an. Dabei ist die Hub- und Senkgeschwindigkeit gleich und eine Energierückgewinnung nicht möglich. Es ist auch bekannt (AT 2 32 867), als Antrieb eine Zylinderpumpe zu verwenden, deren kolbenstangenseitiger Raum mit dem Förderstrom einer als Pumpe arbeitenden hydraulischen Maschine beaufschlagt wird. Beim Senken wird das vom Kolben der Zylinderpumpe verdrängte Flüssigkeitsvolumen über die als Motor arbeitende Maschine zum Tank zurückgeführt Die gewonnene Energie wird in einem Schwungrad gespeichert. Für den Übergang zwischen Heben und Senken muß die Maschine über den Nullpunkt hinweg verstellt werden. Dies ist einer langen Lebensdauer der Maschine abträglich. Von diesem Stand der Technik wird im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen.

ίο Bei einem anderen bekannten Förderpumpenantrieb ist oberhalb des Pumpenzylinders ein Gasspeicher aufgesetzt Der Kolben des Pumpenzylinders ist mit einer zweiten Kolbenstange versehen, die einen das Speichervolumen begrenzenden Kolben trägt Wenn der Kolben jJer Zylinderpumpe in der oberen Totpunktlage ist so ist der Gasdruck im Speicher mindenstens so hoch, daß das Gewicht des Fördergestänges ausgeglichen wird. Die beiden Zylinderräume des Pumpenzylinders sind an eine Axialkolbenpumpe mit über den Nullpunkt verstellbarer Schrägscheibe angeschlossen. Zum Senken des KoI-

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verschwenkt und damit der obere Zylinderraum des Pumpenzylinders beaufschlagt, wodurch der Kolben nach unten verschoben und gleichzeitig das Gaspolster im Gasspeicher weiter zusammengepreßt wird. Es muß also zum Ausführen des Senkens Energie zugeführt werden. Am unteren Hubpunkt hat der Druck im Gasspeicher den maximalen Druck erreicht und die Axialkolbenpumpe wird über den Nullpunkt in die andere Verstellrichtung geschwenkt wodurch sich die Durchflußrichtung umkehrt und der untere Zylinderraum des Pumpenzylinders beaufschlagt wird, so daß der Kolben nach oben fährt. Die Hubbewegung wird vom Druck im Gasspeicher unterstützt, so daß von der Pumpe nur der Differenzdruck zwischen dem Speicherdruck und dem Hebedruck ausgeglichen werden muß, Bei dieser Anordnung ist somit eine Energierückgewinnung möglich. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Förderpumpenaitrrsb, insbesondere

für ölförderpumpen so auszubilden, daß die Energierückgewinnung mit einer vereinfachten Bauweise und erhöhten Lebensdauer der Anlage ermöglicht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind mehrere Vorteile vermittelt. So ist es nicht erforderlich, daß der Gasspeicher vom Kolben des Pumpenzylinders angetrieben wird und damit auf dem Pumpenzylinder aufgesetzt sein muß. Vielmehr kann die Energiespeicherung in einem Gasspeicher erfolgen, der an einer passenden Stelle der Anlage aufgestellt ist. Die Zufuhr von Druckmittel zum Pumpenzylinder erfolgt nur zum Heben des Kolbens, während das Senken durch das Gewicht des Fördergestänges bewirkt wird. Es werden also unkontrollierbare Zugkabeldeformierungen durch Zwangssteuerung (Beaufschlagen der Kolbenseite mit Drucköl) vermieden, wenn der Pumpenkopf beim Senken auf einen Widerstand trifft. Ferner bleibt der Kolben stehen, wenn das Fördergestänge klemmt oder das Zugkabel reißt. Die fehlerhafte Pumpe ist somit an dem stillstehenden Kolben insbesondere bei Kontrolle aus der Luft sofort erkennbar.

Ein entscheidender Vorteil liegt darin, daß die Pumpe beim Heben und Senken stets in der gleichen Durchflußrichtung durchströmt wird, so daß das Umstellen der Pumpe über die Nullstellung hinaus in die andere Verstellrichtung entfällt. Dadurch wird die Lebensdauer

der Axialkolbenpumpe erheblich vergrößert, da bisher für jeden Hub die Pumpe zweimal über den Nullpunkt hinaus für die Auf- und Abwärtsbewegung geschwenkt werden mußte.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Förderpumpenantriebes mit elektrischer Energierückgewinnung und

Fig.2 eine schematische Darstellung eines Förderpumpenantriebes mit einem hydraulischen Speicher.

In F i g. 1 ist ein hydraulischer Zylinder mit 1 bezeichnet, dessen Kolben 2 mit einem nicht dargestellten Pumpengestänge verbunden ist. Vorzugsweise handelt es sich um den Antrieb einer Erdölförderpumpe. Der kolbenseitige Zylinderraum 3 ist mit dem Tank verbunden.

Der kolbenstangenseitige Zylinderraum 4 ist über ein Wegeventil 5 in Form eines Kolbensitzventils mit einer ersten Leitung 6 verbunden, die an die Druckseite 7 einer hydraulischen Pumpe 10 angeschlossen ist.Außerdem ist der kolbenstangenseitige Zylinderraum 4 über ein weiteres Wegeventil 11, das ebenfalls ein Sitzventil ist mit einer zweiten Leitung 12 verbunden, die an den Sauganschluß 8 der Pumpe 10 angeschlossen ist

Die hydraulische Pumpe ist mit einem Verstellorgan 9 zur Einstellung des von der Pumpe verdrängten Volumens versehen. Das Verstellorgan 9 kann ausgehend von einer Nullhubstellung O in der gleichen Verstellrichtung in die Stellung H zum Heben und in die Stellung 5 zum Senken des Kolbens 2 verstellt werden. Die Verstellpumpe 10 kann beispielsweise eine Axialkolbenpumpe mit verstellbarer Schrägscheibe sein, die ausgehend von ihrer dem Nullhub entsprechenden Neutrallage zum Heben und Senken in den jeweilj gleichen Winkelbereich, also nicht über die Neutraisteiiung hinaus in den anderen Winkelbereich verschwenkt wird.

Ferner ist die erste Leitung 6 und damit der Druckanschluß 7 der ^pumpe 10 über ein drittes Wegeventil 14 mit dem Tank verbunden. Der an die erste Leitung 12 angeschlossene Sauganschluß 8 der Pumpe ist über ein Rückschlagventil 15 mit dem Tank verbunden. Die Pumpe 10 wird von einem Elektromotor 16 angetrieben.

Die Wirkungsweise des in F i g. 1 dargestellten Antriebs ist wie folgt: Zum Heben des Kolbens 2 saugt die Pumpe 10 über das Rückschlagventil 15 aus dem Tank hydraulische Flüssigkeit an und fördert die Flüssigkeit über die Leitung 6 und das geöffnete Wegeventil 5 in den Zylinderraum 4. Dabfi sind die Ventile 11 und 14 geschlossen. Über das Einstellen des Verdrängungsvolumens der Pumpe 10 läßt sich die Hubgeschwindigkeit des Kolbens 2 wählen. Das Ventil 14 arbeitet beim Heben mit überlagerter Ansteuerung als Druckbegrenzungsventil.

Zum Ausführen der Senkbewegung der Kolbens 2 werden die Ventile umgesteuert, so daß das Wegeventil 5 schließt und die Ventile 11 und 14 geöffnet werden. Dann kann die vom niedergehenden Kolben 2 verdrängte Flüssigkeit aus der Kammer 4 über das offene Wegeventil 11 und die Leitung 12 zum Sauganschluß 8 der Pumpe gelangen, die nun von der Druckflüssigkeit angetrieben wird und als Motor den Elektromotor 16 antreibt, der nun als Generator Energie in das Netz zurückspeist. Die aus dem Druckanschluß 7 der Pumpe austretende Flüssigkeit fließt über das offene Ventil 14 zum Tank zurück.

Durch die Ventile 5,11 und 14 wird dafür gesorgt, daß sowohl beim Heben als auch beim Senken des Kolbens 2 die Pumpe 10 in der gleichen Durchflußrichtung durchströmt wird. Durch das Verstellorgan 9 erfolgt die Einstellung der Hub- bzw. Senkgeschwindigkeit des Kolbens 2. In der Regel wird die Senkgeschwindigkeit schneller als die Hubgeschwindigkeit gewählt. Mit der dargestellten Anordnung wird vermieden, daß die Pumpe vom Nullhubbereich aus in beide Richtungen verstellt werden muß.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist zur Energierückgewinnung ein hydraulischer Speicher 20 vorgesehen. Sonst sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Druckmittelwege zwischen dem Zylinder 1, der Verstellpumpe 10 und dem Speicher 20 werden über zwei VyWegeventile 21 und 25 gesteuert Ein Druckbegrenzungsventil 24 ist zwischen der zweiten Leitung 6 und dem Tank vorgesehen. Dieses Ventil öffnet, wenn der Druck in der Leitung 6 einen vorbestimmten Höchstdruck überschreitet.

Zum Füllen des Speichers 20 mit Flüsigkeit aus dem Tank wird das Wegeventil 21 in die Schs^:isteiiung gebracht, in der die zweite Leitung 6 mit dem Speicher 20 verbunden ist Das Wegeventil 25 bleibt in der Neutralstellung.

So Y&r.·· von der Pumpe 10 über das Rückschlagventil 15 aus dem Tank Flüssigkeit angesaugt und über die Leitung 6 in den Speicher gedrückt werden. Die Energierückgewinnung wird optimiert, wenn der Speicherdruck so hoch gewählt wird, daß er die 2um Gewichtsausgleich des Pumpengestänges plus 50% der für den Förderhub erforderlichen Kraft liefert. 1st beispielsweise für den Ausgleich des Gestängegewichts ein Druck von 50 bar erforderlich und beträgt der Druck für den Förderhub 110 bar, so wird der Speicher 20 auf einen Druck von 50 bar plus V₂ mal 110 bar = 105 bar aufgeladen. Der Speicher 20 sollte so ausgelegt ssin, daß der Speicherdruck während des Entleerens des Speichers, wenn also der Kolben 2 gehoben wird, nur geringe Änderungen erfährt. Damit ist die Energieaufnahme des Motors 16 nahezu konstant.

Für die Hubbewegung des Kolbens 2 wird über das WegeventiJ 25 die erste Leitung 6 mit dem kolbenstangenseitigen Raum 4 und über das Wegeventil 21 der Speicher 20 über die zweite Leitung 12 mit der Sauganschluß der Pumpe 10 verbunden. Damit steht der Speicherdruck an der Pumpe 10 an und erzeugt ein entsprechendes Drehmoment Das zum Heben notwendige Restdrehmoment wird vom Motor 16 erzeugt.

Zum Senken wird durch Umschaltung des Wegeventils 25 die kolbenstangenseitige Kammer 4 mit der zweiten Leitung 12, und damit wiederum mit dem Sauganschluß 8 der Pumpe 10 verbunden. Auch das Wegeventil 21 wiro umgeschaltet, so daß die erste Leitung 6 an den Speicher 20 angeschlossen ist Das aus dem Zylinder durch das Eigengewicht des Fördergestänges ausströmende öl \ ird in der gleichen Durchflußrichtung durch die Pumpe 10 geleitet und lädt ü^?=»r die erste Leitung 6 den Speicher 20 auf- Das Restdrehmoment zum Aufladen des Speichers auf den vorgenannten Speicherdruck wird von dem Motor 16 erbracht, der die Pumpe 10 antreibt.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 wird das Verstellorgan 9 der Pumpe zum Heben und Senken nur einseitig ausgeschwenkt, ohne daß eine Umsteuerung über den Nullhubpunkt erforderlich ist. Damit ist die Lebensdauer solcher Pumpen wesentlich erhöht Da der Kolben 2 beim Senken vom Gewicht des Förderge-

stänges bewegt wird, bleibt der Kolben 2 stehen, wenn das Fördergestänge oder das die Pumpe tragende Zugkabel klemmen. In diesem Fall saugt die Pumpe über das Rückschlagventil öl aus dem Tank und füllt den Speicher bis auf einen maximalen Druck. Anschließend wird 5 mittels eines Signals das Druckbegrenzungsventil zum drucklosen Umlauf geöffnet, bzw. die Pumpe abgestellt. Es ist also eine unmittelbar« Sichtanzeige gegeben, wenn an der Pumpe ein Defekt: auftritt. Ferner kann der Antrieb so eingestellt werden, daß der Kolben 2 stehen- 10 bleibt, wenn auf ihn vom Gestänge keine Zugkräfte ausgeübt werden.

Die Umschaltung der Wegeventile in beiden Ausführungsbeispielen erfolgt durch eine nicht dargestellte Steuerung. Die Umschaltung wird in bekannter Weise 15 über Impulssignale von den Umsteuerpunkten des Zylinders eingeleitet.

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Claims

Patentansprüche:

1. Förderpumpenantrieb mit einem hydraulischen Zylinder, dessen Kolben abwechselnd gehoben und gesenkt wird, mit einer von einem Motor angetriebenen hydraulischen Maschine mit verstellbarem Volumen, die zum Heben des Kolbens als Pumpe arbeitend Druckmittel aus einem Tank in den kolbenstangenseitigen Zylinderraum fördert und die zur Energierückgewinnung beim Senken des Kolbens von dem aus dem Zylinderraum verdrängten Druckmittel als Motor arbeitend angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Senken des Kolbens der Sauganschluß (8) der Maschine (10) mit dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum (4) und der Druckanschluß (7) mit einer einen niedrigeren Druck führenden Leitung verbunden ist, und daß die Maschine zum Heben und Senken des Kolbens (2) in jtweils der gleichen Verstellrichtung ver-

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2. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulischer Speicher (20) mittels eines Wegeventils (21) beim Heben des Kolbens (2) an den Sauganschluß (8) der Maschine (10) und beim Senken des Kolbens an den Druckanschluß (7) angeschlossen ist

3. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanschluß (7) über ein entsperrbares Druckbegrenzungsventil (24) an den Tank angeschlossen ist.

4. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, di<ß je sin Wegeventil (21, 25) zum Anschluß des Zylinders, und des Speichers (20) an die Maschine (10) vorgesehen ist,

5. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanschluß (7) beim Senken des Kolbens (2) mit dem Tank verbunden ist.

6. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des-Druckanschlusses (7) mit dem Tank über ein entsperrbares Druckbegrenzungsventil (24) erfolgt

7. Förderpumpenantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckanschluß (7) der Maschine (10) und dem kolbenseitigen Zylinderraum (4) sowie dem Tank je ein Wegeventil (5,14) und zwischen dem Sauganschluß (8) der Maschine und dem Zylinderraum ein weiteres Wegeventil (11) vorgesehen ist.