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Hydraulische Antriebskolbenmaschine für Erdölförderpumpen Gegenstand
der Erfindung ist eine hydraulische Antriebskolbenmaschine für Erdölförd.erpump-en
und ähnliche Maschinen.
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Es ist bekannt, Sondenpumpen mechanisch mittels Kurbeltrieb anzutreiben.
Dieser Kurbeltrieb bei Sondenpumpen hat wesentliche Nachteile. Beim Kurbeltrieb
liegt di-e höchste Kolb-engeschwindigkeit ganz wesentlich über der mittleren Kolbengeschwindigkeit.
Wegen der Gefahr des Sandeinbruchs in die Sonde, insbesondere bei Tiefenbohrungen,
darf jedoch eine bestimmte Kolbengeschwindigkeit keinesfalls überschritten werden.
Das bedeutet, daß bei Kurbelantrieb die mittlere Kolbengeschwindigkeit verhältnismäßig
gering ist, sich also eine verhältnismäßig geringe Förderleistung ergibt.
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Ferner ändert sich beim Kurbelantrieb die Beschleunigung ständig währenddesgesamtenArbeitshubes,
d. h. es tritt ein ständiger Belastungswechsel am Gestänge und demgemäß. eine entsprechend
hohe Beanspruchung und Belastung auf.
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Schließlich ist bei einem Kurbelantrieb von Erdölförderpumpen der
Hub praktisch auf maximal 2,8 bis 3 m begrenzt, da sonst der Kurbeltrieb und dessen
Lagerung zu schwer und zu teuer wird.
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Mit Rücksicht auf die vorstehend genannten Mängel dies Kurh.eltriebs
hat man diesen Kurbeltrieb
durch einen hydraulischen Kolbenantrieb
ersetzt. Bei den bekannten hydraulischen Kolbenmaschinen ist der Arbeitszylinder
über dem Bohrloch senkrecht stehend angeordnet. Diese Bauart ist jedoch schwer und
teuer, da es sehr schwierig ist, einen Arbeitszylinder von mehreren Metern Länge
genau senkrecht mit darüber befindlichem Gewichtsausgleich-für das Gestänge über
:dien Bohrloch an zubringen und stabil zu befestigen. Dieser hydraulische Kolbenantrieb
konnte daher bisher nur bei Anlagen mit kleineren Leistungen Verwendung finden.
Es ist auch ein hydraulischer Kolbentrieb für Sondenpumpen bekannt, bei welchem
das Gestänge nicht unmittelbar durch ein Gegengewicht entlastet ist, sondern ein
besonderer Cegengewichtszylinder vorgesehen ist, der den Arbeitszylinder mit dem
vom Gegengewichtszylinder erzeugten hydraulischen Druck entlastet. Auch diese Bauart
hat offensic'htlic'h erhebliche Mängel wegen. der hohen zum Gewichtsausgleich notwendigen
Öldrücke während .des normalen Betriebs sowie auch wegen der senkrechten Anordnung
des Arbeitszylinders.
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Im Gegents-atz zu den vorerwähnten bekannten Bauarten besteht die
hydraulische An'triebskolben,-maschine nach der Erfindung aus einem waagerecht angeordneten
Arbeitszylinder mit durch beide Zylinderdeckel hindurchgehender Kolbenstange, deren
Enden je mit einem Gestänge. einer oder mehrerer Sondenpumpen verbunden sind, aus
einer zum Antrieb des doppelt wirkenden Arbeitskolbens dienenden: stufenlos regelbaren
Antriebspumpe, :deren Förderrichtung bei gleichbleibender Drehrichtung umsteuerbar
ist, und aus einem hierzu dienenden Umsteuerschieber, der jeweils vor jedem Arbeitshubende
durch Anschläge betätigt wird. Diese neue Bauart hat erhebliche Vorzüge: Sie ermöglicht,
die Förderpumpen von zwei oder mehreren Sonden von einem Arbeitszylinder anzutreiben
und, das Gestängegewicht der Sondenpumpen dadurch auszugleichen, daß die Gestänge
mit den. Enden der Arbeitskolbenstange verbunden sind. Ein besonderes Gegengewicht
für das Gestänge kommt hier also in: Wegfall.
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Ein wesentlicher Vorteil der neuen Bauart besteht darin, daß ohne
Schwierigkeit der Arbeitszylinder in sehr großer Länge ausgeführt werden kanrn,
so daß der Arbeitshub das Mehrfache (6 m und darüber) des Arbeitshubes bei den obenerwähnten
bekannten Antrieben beträgt.
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Bei der neuen Langhub'kolbenmaschine nach der Erfindung erstreckt
sich ferner die Beschleunigungs-bzw. Verzögerungsperiode am Hubende auf eine verhältnismäßig
kurze Strecke des Gesamthubes, so daß nahezu der gesamte Hub mit der höchstzulässigen
durchlaufen werden kann. Bei dieser Langhubkolbenmaschine ist daher auch die mittlere
Kolb,engeschwindi-gkeit sehr hoch und kommt nahe an die höchste Kolbengeschwindigkeit
heran.
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Diese Gesc'hwindigkeitsverhältnis.se sind, wie eingangserwähnt, bei
dem Kurbelantrieb wesentlich ungünstiger. Die neue Langhubkolbenmaschine ergibt
daher vor allem auch mit Rücksicht auf ihre mehrfache Hublänge eine erhebliche Leistungssteigerung.
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Diese Leistungssteigerung erhöht sich noch, wenn man die Einflüsse
:dies Liefergrades und der Gestängelängung in den Totpunkten berücksichtigt, die
sich - zugunsten der Langhubkolbenmaschine auswirken:. Die Gestängelängung vermindert
vor allem bei großen Sondentiefen erheblich den nutzbaren Kolbenhub, da bei einer
Gestängelänge von über zooo, m :eine Längenänderung des Gestänges von etwa i m eintritt.
Mit Rücksicht auf diese erhebliche Längenänderung ist bei den bekannten Kurbelantrieben
mit einem Arbeitshub von maximal 3 m der nutzbare Teil des Kolbenhubes erheblich
kleiner als der Kolbenhub selbst. Von. :einer gewissen Tiefe ab ist daher der Kurbelantrieb
von. Sondenpumpen praktisch nicht mehr verwendbar, da die Arbeitshübe bei zunehmender
Sondentiefe immer größer werden müssen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der hydraulischen Antriebskolbenmaschine
nach der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. z bis 3 verschiedene Anordnungen
einer hydraulischen Antriebskolbenmaschine für Erdölförderpumpen, Fig. 4 die Steuerung
der hydraulischen Antriebskolbenmaschine in schematischer Darstellung, Fig. 5 eine
stufenlos regelbare Steuerpumpe der Fig. 4 in größerer Darstellung, Fig. 6 eine.
hydraulische Antriebskolbenmaschine mit Sicherungseinrichtung bei Gestängebrucb,
Fig.7 und 8 praktische Ausführungen dieser Sicherheitseinrichtung, Fig.9 eine Einrichtung
zur Betätigung einer Alarmvorrichtung, Fig. io einGesamtschaltschema der hydraulischen
Antriebskolbenmaschine mit Steuerung, Sicherheitseinrichtung und Alarmvorrichtung.
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In der Zeichnung ist der Arbeitszylinder der hydraulischen Antriebskolbenmaschine
mit Z und dessen. Kolben mit K bezeichnet. Dieser Arbeitszylinder Z ist waagerecht
angeordnet, wobei die Kolbenstange KS durch beide Zylinderdeckel hindurchgeht und
nach Fig. i bis 3 deren Enden je mit dem Gestänge G einer Sondenpumpe verbunden
sind. Dabei kann nach Fig. i der Arbeitszylinder Z zum gleichzeitigen Antrieb von.
zwei gegenüberliegenden Sondenpumpen S1 und. SZ dienen, desgleichen auch nach Fig.
a, bei welchem das Gestänge bzw. Seil G über eine Umlenkung Ul geführt ist. Nach
Fig. 3 ist das eine Ende :der Kolbenstange KS über einen Kraftverteiler KT mit dem
Gestänge G von zwei Sondenpumpen S2 und S3 verbunden.
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Nach Fig. 4. ist zum Antrieb des Arbeitszylinders Z :eine von einem
Elektromotor E angetriebene stufenlos regelbare Pumpe P1 vorgesehen, deren Förderrichtung
bei gleichbleibender Drehrichtung umsteuerbar ist. Hierfür kann eine Pittler-Thoma-Pumpe,
und zwar eine Axial- oder auch eine Radialkolbenpumpe verwendet werden. Im der Zeichnung
ist schematisch eine Axialkolben:pump° mit einem schwenkbaren Regelorgan R dargestellt,
durch dessen Verschwenkung die Förderineng°
geändert und auch die
Änderung der Förderrichtung bewirkt wird. Nach Fig..I ist zur Betätigung des Regelorgans
R :ein Umsteuerkolben U vorgesehen. Ferner ist ein Umsteuerschieber St, vorgesehen,
der jeweils kurz vor jedem Arbeitsbuhende durch Anschläge .dl und i B1 des Gestänges
betätigt wird. Zur Umsteuerung der. Antriebspumpe P1 ist eine ebenfalls vom Elektromotor
E angetriebene stufenlos regelbare Pumpe P= mit nur einer Förderrichtung vorgesehen,
die Öl aus einem Vorratsbehälter V ansaugt und über den Umsteuerschieber St, der
einen oder anderen Kolbenseite des Umsteuerkolbens U zuführt, je nach Stellung des
Umsteuerschiebers Stl. Damit wird in den Totpunkten des Arbeitskolbens K das Regelorgan
R aus der einen Schwenkstellung über die Nullage in diie entgegengesetzte Schwenkstellung
gedrückt und damit die Förderrichtung der Pumpe P, umgekehrt.
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Wenn die Pumpe P2, z. B. eine Zahnradpumpe, eine konstante Ölmenge
liefert, dann ist die Geschwindigheit, mit der der Umsteuerkolben U den Schwenkkörper
R verstellt, konstant. Die Fördermenge der Pumpe P1 ist linear abhängig von dem
Schwenkwinkel von R. Wenn auch durch gleichmäßiges Verschwen.ken von R die von P1
gefördert-,-Ölmenge gleichmäßig abnimmt bzw. später wieder gleichmäßig zunimmt,
so bedeutet das für den Arbeitskolben K eine konstante Verzögerung b:zw. Beschleunigung.
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Die Pumpe P, ist so auszubilden, daß ihre größte Fördermenge die größte
zulässige Beschleunigung des Gestänges nicht zu überschreiten gestattet. Diese Pumpe
kann ebenso wie die Antriebspumpe P1 als Axialkolbenpumpe AP nach Fig. 5 ausgebildet
und mit einer Handeimstellung H zur Regelung der Fördermenge versehen sein. Man
kann dann die Beschleunigung bzw. Verzögerung in den Totpunkten des Arbeitskolbens
K beliebig einstellen und diese Verzögerung und Beschleunigung nicht nur auf die
Nähe der Totpunkte beschränken und konstant halten, sondern auch innerhalb beliebiger
Grenzen den Erfordernissen dies Tiefpumpenbetriebes anpassen.
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Die Geschwindigkeit des Arbeitskolbens K ist durch die Ausschläge
des Regelorgans R gegeben, die durch Anschläge zu begrenzen sind.
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Zur Vermeidung einer Überbelastung des Antriebsmotors E bei Gestängeb:ruch
ist ferner erfindungsgemäß eine hydraulisch betätigte Sicherheitseinrichtung vorgesehen,
die bei einem durch Gestängebruch bedingten erhöhten Öldruck imArbeitszylinder Z
auf das Regelorgan R der Antriebspumpe PI einwirkt und deren Fördermenge verkleinert.
Nach Fig.6 wirkt der Öldruck des Arbeitszylinders auf einen Kolben K2, der bei erhöh.t,em
Öldruck im Arbeitszylinder bei Gestängebruch gegen den Druck einer Feder F2 einen
Weg s zurücklegt, durch welchen der Schwenkkörper R einen kleineren Schwenkwinkel
erhält, so daß die Fördermenge der Pumpe P1 vermindert wird, so daß damit die G@eschzvi!ndiglceit
des Kolbens K zurückgeht. ?@Tan kann den Kolben KZ auf die Feder F, bzw. deren Vorspannung
und' Charakteristik so aufeinander abstimmen, daß die Normalleistung des Elektromotors
E in jedem Augenblick fast völlig ausgenutzt oder nur .ganz wenig überschritten
wird.
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Tritt ein Gestängebruch auf der Seite Bein, wenn der Arbeitskolben
K auf der Seite A steht, dann wirkt nach A zu das gesamte Gestängegewicht der Seite
A, das gesamte Öl- bzw. Salzwassergewicht und die Reibung. Im praktischen Betrieb
wird die entsprechende Last zu ihrem Heben rund den dreifachen Öldruck erfordern
:gegenüber einem normalen Betrieb. Der Arbeitszylinder Z sowie auch die Antriebspumpe
P1 müssen also in ihrer Festigkeit diesem hohen Druck gewachsen sein. Die in den
Zuleitungen von der Pumpe P1 zu Zylinder Z anzuordnenden Sicherheitsventile 1J'h
erhalten eine entsprechende Einstellung. Unter der Wirkung des hohen Öldrucks im
Arbeitszylinder wird, wie vorbeschrieben, mittels Kolben. K2 .die Fördermenge der
Pumpe P1 verkleinert und damit der Motor i entlastet.
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Tritt der Gestängebruch auf der Seite B ein, wenn: der Kolbe K sich
vom Totpunkt B in Richtung _A bewegt, dann fördert die Pumpe P1 auf der Seite B
so, daß sie die abwärts gehende Bewegung der Sondenpumpe unterstützt. Der Kolben
K wird nun der Förderung der Pumpe P1 infolge der starken durch das holte Gewicht
auf Seite A hervorgerufenen Beschleunigung vorauslaufen. und das aus :der Seite
A des Arbeitszl,inders nach P1 zurückfließende Öl unter einen hohen Druck setzen,
der etwa das Doppelte des normalen Öldrucks betragen wird. Dann wird die Pumpe P1
nicht mehr als Pumpe, sondern als Ölmotor wirken, durch welchen der Elektromotor,
der zweckmäßig als Drehstromasynchronmotor ausgebildet ist, angetrieben wird. Der
Motor E läuft dann als Generator. Dabei wird die Sicherheitseinrichtung K2/F2 durch
den erhöhten Öldruck zeitig genug ansprechen können, um den Kolben K sanft aufzufangen,
ohne daß der Elektrogenerator überlastet wird. Die Trägheit des großen Gestänges
bewirkt bei der Abbremsung eine zulässige Drucksteigerung, die um so kleiner ist,
je schneller die Sicherheitseinrichtung K2 durch Verkleinern der Liefermenge der
Pumpe P1 die Ölentnahme aus dem Zylinder Z beschränkt.
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Bei der Wirkungsweise der Sicherheitseinrichtung ist noch folgendes
zu beachten. Der Kolben K., muß das Regelorgan R auch gegen den Öldruck des Umsteuerkolbens
U verschwenken, so daß gegen diesen Öldruck eine ganz bestimmte Stellung des Kolbens
K2 erreicht wird. Die Zusammendrückung der Feder F2 ist maßgebend für diese,- Stellung
des Kolbens K2. Soll diese Zusammendrückung auch dann, wenn die Ölkräfte des Kolbens
U wirken, annähernd die gleiche sein, so muß die Kraft des Kolbens U im Verhältnis
zur Federkraft F2 und damit die Kraft des Kolbens K2 klein gehalten werden, d. h.
die Feder F2 nimmt große Dimensionen an, die eine praktische Ausführung erschweren.
Aus diesem Grund ist für die Sicherheitseinrichtung eine Vorsteuerung nach Fig.
7 vorgesehen, bei welcher ,eire Kolben K3, auf den der Öldruck des Arbeitszylinders
wirkt,
-gegen eine Feder F3 über einen Hebel Hb einen Vorstcuerkolben K4 verschiebt,
der mit geringem Widerstand in einem Nachlaufkolben K5 läuft. Dieser Nachlaufkolben
K5 tritt an Stelle des Kolbens K2. Da der Widerstand des Kolbens K4 sehr klein ist,
so wird auch die Feder F3 klein. Das Drucköl zur Betätigung der Vorsteuerung wird
dem Kreislauf der Pumpe P2 entnommen.
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Es ist nicht möglich, mit einem Kolben K3 für beide Seiten des Arbeitszylindiers
auszukommen, weil dann der Zylinder Z3 des Kolbens K3 über Rückschlagventile RV
an die beiden Zylinderseiten von Z angeschlossen werden müßte. Ein Rückfall bei
Nachlassen des Öldrucks im Zylinder Z aus dem Zylinder Z3 ist dann nicht möglich.
Aus diesem Grunde sind nach Fig. 8 zwei sich gemeinsam gegen eine Feder F3 abstützende
Kolben K3 vorgesehen, deren jeder von einer Zylinderseite auf Z b,-aufschlagt wird,
und zwar nicht über ein Rückschlagventil, sondern zweckmäßig über einen Stoßdämpfer
Std.
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Die beiden Kolben K3 stützen sich auf einem Ausgleichshebel
AH ab, der schwenkbar im Hebel Hb
angeordnet ist. Dann wirkt auf die
Feder F3 die Summe der Öldrücke beider Zylinderseiten, von denen die eine Zylinderseite
stets mit dem Förderdruck der Füllpumpe P3 (Fi.g. 6) belastet wird. Die Zusammendrückung
der Feder F3, deren Vorspannungdurch eine: Spindel od. dgl. einstellbar ist, wird
über Hebel Hb auf den Vorsteuerkolben K4 übertragen. Die Stoßdämpfer Std
verhindern das zu schnelle Zurückgehen der Kolben K3 bei abnehmendem Öldruck und
damit ein Pendeln der übrigen Kolben.
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Nach Fig. io ist die vorbeschriebene Sicherheitseinrichtung in doppelter
Anordnung vorgesehen, um mit je einem Nachfolgekolben K5 einen beweglichen Anschlag
für dien positiven und einen Anschlag für den negativen Schwenkwinkel von R der
Pumpe P1 zu «erhalten.
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Ferner ist eine ebenfalls vom erhöhten Öldruck im Arbeitszylinder
(bei Gestängebruch) betätigte Alarmvorrichtung vorgesehen. Nach Fig. g und io sind
zur Betätigung derAlarmvorrichtung zwei sich gemeinsam gegen eil-j2 Feder F6 abstützende
Kolben K6 vorgesehen, auf die je der Öldruck einer Seite des Arbeitszylinders wirkt.
Bei erhöhtem Öldruck bewirkt die gemeinsame Bewegung dier Kolben K, durch den Stößel
St die Betätigung einer akustischen oder optischen Vorrichtung.
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In Fig. io ist das Schaltschema der gesamten Antriebskolbenmaschine
nach der Erfindung mit den vorbeschriebenen Eintrichtungen dargestellt. Danach ist
zusätzlich zu dem vom Gestänge G betätigten Umsteuerschieber Sti noch ein von Hand
zu betätigender Steuerschieber St2 vorgesehen, mit dessen Hilfe es möglich ist,
unabhängig vom Umsteuerschieber Sti und-ohne Beeinflussung desselben die Bewegung
des Arbeitskolbens K zu steuern. Dieser zusätzliche Steuerschieber St. nst hauptsächlich
vorgesehen, um das Einfädelni des Gestänges bei Anschluß einer Sonde zu erleichtern.
Der Steuerschieber St2 ist so durch eine Feder, ein Gewicht od. dgl. belastet, daß
bei Loslassen des Bedienungshebels -der Schieber St2 in die normale Betriebslage
zurückgeht, derart, daß die Funktion des Steuerschiebers St, der Bewegung des Kolbens
K angepaßt und hierdurch der normale Betrieb gewährleistet wird.