JP2008196487A - スクリューポンプロータ及び滑り流を減少させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリューポンプ用のポンプロータを提供する。
【解決手段】本ポンプロータは、シャフトと、該シャフトの外表面の一部分上に配置されかつその少なくとも１つのネジ山がその端部部分上に配置された溝を含む第1の組のネジ山と、溝上に配置されたシールとを含み、リングシールは、溝から外向きに突出しかつスクリューポンプのライナの内表面に当接するように構成され、また溝は、ロータが撓んだ時にリングシールが少なくとも1つのネジ山に対して半径方向に移動するのを可能にするような寸法にされるようになっている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはスクリューポンプに関し、より具体的には、改良型のスクリューポンプロータ及びスクリューポンプ内の滑り流を減少させる方法に関する。

石油及びガスの探査において、坑口から遠く離れた処理及び／又は貯蔵施設（坑口の近くに新たな処理施設を建設する代わりに）に流体（石油、水、ガス及び異質固形物）を輸送する必要性があることは、よく知られている。これらの坑口流体の生成を助けるためにツインスクリューポンプが益々多用されるようになってきており、坑口出口における圧力を低下させることによって生産量を増大させると同時に、生産を停止する前に最終油層圧力を低下させるのを可能にすることによって油層のより大きな完全回復が得られる。

図１は、従来型のツインスクリューポンプ１０を示している。この図は、単にツインスクリューポンプの主要構成要素を示すために提示したものであり、本明細書に開示した発明を何らかの意味で限定するものと見なすべきではない。図示するように、ツインスクリューポンプ１０は、締嵌めケーシング又はポンプハウジング１６内に配置された２つのロータ１２及び１４を有する。各ロータは、シャフト１８Ａ及び１８Ｂを有し、これらのシャフトは、その全長の少なくとも一部分において１つ又はそれ以上の外向きに延びるネジ山の組２０を備える。シャフト１８Ａ及び１８Ｂは、全体としてロータエンクロージャ又はライナ１９と呼ばれる２つの重なり合った円筒形エンクロージャ内で軸方向に延びる。２つのロータ１２、１４は、互いに接触しないが、絡み合った対向型スクリューのネジ山を有する。ポンプ１０は、ロータ１２及び１４を回転させる電動機（図示せず）によって駆動されることが多い。シャフトの１つ上の駆動歯車２２は他方のシャフト上の第２の歯車と噛み合って、ポンプ電動機がロータ１２を回転させた時に、ロータ１４は、同一速度であるが反対方向に回転する。作動中に、粒子状物質を含む坑口流体が、入口２４においてポンプ１０内に吸い込まれる。ロータ１２及び１４が回転すると、ネジ山２０、より正確には隣接するネジ山２０間に形成されたロータチャンバ２６は、ロータシャフト１８Ａ及び１８Ｂに沿って出口チャンバ２８に向けて坑口流体を移動させ、出口チャンバ２８は、ロータの中心部における最大圧力の箇所であり、そこから、坑口流体は、最終的にはポンプ１０の出口３０より吐出される。ロータチャンバ２６は、完全には密封されていないが、正常作動状態においては、ロータ１２、１４間及び各ロータとロータエンクロージャ１９との間に存在する通常の間隙空間は、輸送流体で満たされる。これらの間隙空間内の輸送流体の液体部分は、隣接するチャンバ間での圧送流体の漏れを制限する働きをする。ロータの出口側から入口に向って逆流する流体の量は、ポンプ滑り流を表しており、これはポンプの体積効率を低下させることが知られている。図２に示し、また直ぐ上で説明したように、ポンプ滑り流（図２に矢印で示す）は、各ロータ及びロータエンクロージャ１９間で発生する可能性がある。当業者には解るように、その他の滑り経路としては、スクリュー先端と隣接するロータとの間及び面と面との間における滑りが含まれる。

当業者には解るように、従来型のツインスクリュー多相ポンプは、大きな課題に直面している。例えば、下記の例示的な問題について考察してみよう。まず第１に、段当たりの圧力上昇が一定であると仮定すると、総圧力上昇要求量が増大した場合には、ロータの長さは増大させなくてはならず、その結果、加わる圧力荷重の下でのロータの撓みが増大し、それによってライナ内でスクリューのより偏った整列が生じて、接触及び摩擦を生じない場合には、スクリューロータとポンプライナとの間に過度な滑り流が生じることになる。第２に、ポンプ滑り流が増大すると、滑り流内に捕捉された砂粒子が、ポンプ内に、特にジェッティングと呼ばれる現象によってロータ先端において侵食／磨耗の増大をもたらす。そのような侵食／磨耗によりさらに、間隙輪郭の悪化及びポンプ滑り流の増大が生じる。最後に、輸送流体が高いガス体積分率を有する場合における作動期間の間に、ポンプから流出する流れの温度は、加圧時に生じた熱によって上昇して、様々なポンプ部品の熱膨張の変動により最終ポンプ段内の間隙を減少させ、それによって壊滅的な焼付きを引き起こす可能性がある。
米国特許第５，７７９，４５１号公報 米国特許第５，７３８，５０５号公報 米国特許第６，４０６，２８１号公報

従って、ポンプ滑り流を最少化又は排除するポンプロータを開発して、短いロータ長さを有する高差圧ブースト多相ポンプを得ることは望ましいと言える。さらに、ロータの端縁部とポンプケーシングとの間をより良好に密封することもまた、間隙内の固体粒子侵食／磨耗の低減を保証することになる。最後に、高いガス体積分率の流体をブースティングした時に発生する可能性があるような熱膨張差に適応する能力を有することもまた、壊滅的焼付きの可能性を減少させることができる。

上に要約した必要性及び当技術分野で公知のその他の必要性のうちの1つ又はそれ以上は、スクリューポンプ用のポンプロータによって対処され、本ロータは、シャフトと、該シャフトの外表面の一部分上に配置されかつその少なくとも１つのネジ山がその端部部分上に配置された溝を含む第1の組のネジ山と、溝上に配置されたリングシールとを含む。

本開示した発明の別の態様では、ツインスクリューポンプを開示しており、本ツインスクリューポンプは、入口及び出口を有するケーシングと、該ケーシングの内側に配置されたライナと、該ライナの内側に配置された２つのロータとを含み、各ロータは、シャフトと、該シャフトの外表面の一部分上に配置されかつその少なくとも１つのネジ山がその端部部分上に配置された溝を含む１組のネジ山と、溝上に配置されたリングシールとを有する。

スクリューポンプ内の滑り流を減少させる方法もまた、開示した本発明の実施形態の範囲内にあり、スクリューポンプは、低圧入口及び高圧出口を有するケーシングと、該ケーシングの内側に配置されたライナと、該ライナの内側に配置されかつシャフト及び該シャフトの外表面の一部分上に配置された第1の組のネジ山を有するロータとを有し、そのような方法は、第1の組のネジ山の少なくとも１つのネジ山の端部部分上に溝を形成する段階と、溝上にリングシールを配置して、該リングシールが、溝から外向きに突出しかつスクリューポンプのライナの内表面に当接するように構成され、該溝が、ロータが撓んだ時にリングシールが少なくとも1つのネジ山に対して半径方向に移動するのを可能にするような寸法にされ、また該リングシールが、高圧出口から低圧入口への滑り流を減少させるように構成されるようにする段階とを含む。

上記の簡潔な記述は、以下の詳細な記述をより一層よく理解することができるように、また当技術分野に対する本発明の貢献度を一層よく理解することができるように、本発明の特徴をかなり十分に述べている。以下において記述するまた特許請求の範囲の主題となる本発明のその他の特徴が存在することは言うまでもない。

この点に関して、本発明の幾つかの好ましい実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用が以下の説明において述べ或いは図面において示した構造の細部及び構成要素の配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、その他の実施形態も可能であり、また様々な方法で実施及び実行することができる。また、本明細書において使用した語句及び用語は、説明のためのものであって、限定として見なすべきではないことを理解されたい。

従って、本開示がそれに基礎を置いている概念は、本発明の幾つかの目的を果たすためのその他の構造、方法及びシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることが、当業者には分かるであろう。従って、特許請求の範囲は、それらが本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱しない限り、そのような均等な構造を含むものと見なすことが重要である。

さらに、記載した要約書の目的は、米国特許商標局並びに一般大衆、特に特許又は法律用語若しくは語句に精通していない当技術分野に関わる科学者、技術者及び専門家が、手早い閲覧によって本出願の技術的開示の性質及び本質を迅速に判定するのを可能にすることである。従って、要約書は、本発明又は本出願を定めようとするものではなく、本発明又は本出願は、特許請求の範囲によってのみ判定され、また要約書は、あらゆる意味で本発明の技術的範囲について限定することを意図するものでもない。

本発明及びその付随した利点の多くについてのより完全な理解は、添付図面と関連させて以下の詳細な説明を参照することによって本発明が一層よく理解された時に、容易に得られるであろう。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同一又は対応する部分を示している図面を参照して、本開示した発明によるポンプロータの幾つかの実施形態について説明する。本開示した発明の有利な態様の１つは、ポンプ滑り流を最少化及び／又は排除し、従ってロータ撓み（偏向）に適応しながらより高い段当たり圧力上昇をもたらす回転段間リングシール又はブラシシールを使用することである。

図３〜図５は、本開示した発明の実施形態による、それぞれロータ４０の断面図、図３のネジ山の１つの先端の断面図、及びリングシール６０を示している。本開示全体を通して、「リングシール」、「ピストンリングシール」、「ブラシシール」、「段間シール」、「分割リングシール」又は「シール」という用語は、互換可能なものとして使用することにする。図３に示すように、ロータ４０は、シャフト４２を含み、シャフト４２の周辺部上には複数のネジ山４４が配置される。ネジ山４４の先端４６には、溝４８が設けられ、溝４８内部にはリングシール６０が配置される。１つの実施形態では、リングシール６０は、それが取付けられかつ正常な作動状態にある時には、外向きにバネ付勢されてポンプライナ５１の内表面４９に当接するように設計される。作動中、ロータが回転しかつポンプの両側間に次第に増大する圧力プロフィールが発生すると、弾性リングシール６０のバネ作用並びにロータ４０の回転により生じたリングシール６０への遠心荷重によってリングシール６０の外表面５０がポンプライナ５１の内表面４９に対して押し付けられると共に、リングシール６０の一側と他側との圧力差により、リングシール６０の側面５２が溝４８の内表面５４に押し付けられることによって、ポンプ滑り流の排除及び／又は最少化が達成される。図示するように、シールは、ロータ上に取付けられて（シールがステータ上に配置されるガスタービン／蒸気タービンの従来型の他の用途とは異なり）、ツインスクリューポンプの連続した圧力上昇段間に回転シールを形成する。

リングシール６０は、構造が螺旋状であり、ロータ４０の螺旋ネジ山４４のあらゆる特定の円周方向変位量をカバーする長さを有することができる。図５は、ネジ山４４の全周をカバーするリングシール６０を示している。

加えて、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、溝４８及びリングシール６０の寸法は、ロータがポンプライナと整列している時に（図６Ａにリングシール６０の外端縁部によって示すように）またロータがライナに対して偏向している時に（図６Ｂ）、ポンプライナ５１の内表面４９に対するリングシール６０の外表面５０の接触が達成されるように選択される。図６Ａ及び図６Ｂには、十分に偏向するリングシール６０がスクリューネジ山４４の先端における４８内に配置された状態で、スクリュー先端包絡線６２を示している。

当業者には解るように、ツインスクリュー構造を有するポンプでは、ロータの撓み（偏向）は、ロータ長さの３乗として変化する。従って、圧力上昇が増大した時にロータがそれに比例して撓みまたそのことは対応してあらゆる壊滅的な摩擦を防止するための大きな円周方向間隙を必要とするので、段当たりの圧力上昇は、ロータと周囲のライナとの間に十分な間隙を設ける必要があることによって制限されてきた。現在の方法は、圧力上昇を段当たり約６〜８ｂａｒに制限しており、より高い圧力上昇を達成するためには、かなり大きな撓みを有するより長いロータが必要である。生じるポンプ滑り流を本発明のリングシールによって減少及び／又は排除することで、段当たり圧力上昇が増大して、所望の総圧力上昇を得るためにより短いロータを設計することが可能になる。

従って、本開示した発明によるポンプロータ４０は、ロータ及びケーシング間のポンプ滑り流を最少化及び／又は排除し、それにより、短いロータ長さを有する高圧力差ブースト多相ポンプを形成する。加えて、ロータ端縁部とポンプケーシングとの間をより良好に密封することによってもまた、ロータ先端の固体粒子侵食／磨耗の低減を保証すると共に、高いガス体積分率を有する流体をポンプ輸送する時に熱膨張不一致に対する許容差をもたらし、従って壊滅的な焼付きの可能性をも減少させることになる。加えて、高いガス体積分率のスラグが坑口流れ内に存在する場合のツインスクリューポンプの給送作動は、可変速度駆動及び間隙制御論理を使用することによって高めることができる。

図７には、本発明のロータ７０の別の実施形態を示している。図示するように、ロータ７０が回転する時に、ピン７２は、リングシール６０を溝４８内部にかつ該溝４８に対して所定の位置に保持するために使用され、そのようなピン７２は、回転防止拘束体として作用する。図示するように、リングシール６０は、１回転毎に（又は、シールの円周方向長さに応じて、数回転毎又は数分の１回転毎に）配置されたピン７２によって所定の位置に保持される。加えて、１つよりも多い組のネジ山４４を有する実施形態では、ピン７２は、第２の組のネジ山４４にそれが配置されている円周方向位置とは反対側の円周方向位置において第1の組のネジ山４４内に配置されるか、或いはそうではなくてロータ７０が回転する時に適正な均衡を保証する最適な位置に配置される。各組のネジ山４４内に複数のリングを有する実施形態では、第1のピンは、リングシールの第1の端部に配置され、また第２のピンは、その第2の端部に配置にされる。次に第2のリングは、第1のリングの第2の端部を保持する第２のピンに当接して配置され、以下同様に配置される。上に説明したように、ポンプの作動の間に、シャフトは、撓んでピストンリング又はリングシール６０の側面に対して摩擦する。ピストンリングの外径は、ライナボアと接触した状態になり、従って密封を維持する。ライナボアとの接触（シール磨耗にも拘わらず）は、リングシールの外向きばね作用及び／又はロータが回転する時のリングへの遠心荷重によって維持される。

図８に示すように、本開示した発明による段間シールの別の形態は、スクリューロータ外径（ＯＤ）上に取付けられたブラシシール８０である。図示するように、段間ブラシシール８０は、それらの間にブリストルパック８６を保持するフロント及びバックプレート８２及び８４を含み、ブリストルパック８６は、ケーシング８８に当接して保持されてブラシの一側から他側への流れ通路を最少化する。

ライナボアと比べて低い熱膨張係数を有するロータ材料を使用することによって湿性ガス加圧状態におけるツインスクリューポンプの作動を可能にするロータ／ライナ境界面の熱設計もまた、本開示した発明の技術的範囲内にある。例えば、低い熱膨張係数を有するインバールのような特殊なロータ材料の使用により、ポンプが熱的加熱による最小の撓み量の範囲内でガススラグを給送し続けることが可能になる。本発明の別の実施形態では、リングシール６０の材料を該リングシールが犠牲摩耗構成要素となるのを可能にすると同時に定格設計圧力／流量状態を保証できるように選択することによって、より長い平均故障間隔つまりＭＴＢＦが達成される。

スクリューポンプ内の滑り流を減少させる方法もまた、開示した本発明の実施形態の技術的範囲内にあり、このスクリューポンプは、低圧入口及び高圧出口を有するケーシングと、該ケーシングの内側に配置されたライナと、該ライナの内側に配置されかつシャフト及び該シャフトの外表面の一部分上に配置された第1の組のネジ山を有するロータとを有する。そのような方法は、第1の組のネジ山の少なくとも１つのネジ山の端部部分上に溝を形成する段階と、溝上にリングシールを配置して、該リングシールが、溝から外向きに突出しかつスクリューポンプのライナの内表面に当接するように構成され、該溝が、ロータが撓んだ時にリングシールが第１の組のネジ山の少なくとも１つのネジ山に対して半径方向に移動するのを可能にするような寸法にされ、また該リングシールはが、高圧出口から低圧入口への滑り流を減少させるように構成されるようにする段階とを含む。

上記に関して、サイズ、作動の形態機能及び方式、組立体、使用法の様々な変化を含む本発明の部分の最適寸法関係は、当業者には容易に明らかかつ自明であると考えられ、従って図面に示しかつ明細書に記載したものと均等な全ての関係は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ包含されることを意図していることを理解されたい。

さらに、現時点で実用的でありかつ本発明の好ましい実施形態の幾つかであると考えられるものに関して、本発明を具体的にかつ詳細に図面に示しかつ上記に十分に説明してきたが、本明細書に記載した新規な教示、原理及び概念、並びに特許請求の範囲内に述べた主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更（例えば、それに限定されないが幾つかを挙げると、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び釣り合い、パラメータ値、取付け構成、材料の使用、並びに配向における変化のような）が可能であることは、本開示を検討した当業者には明らかであろう。従って、全てのそのような変更は、提出の特許請求の範囲に記載した本発明の技術的範囲内に含まれることになることを意図している。別の実施形態によると、あらゆる工程又は方法段階の順序又は配列は、変更することができ、或いは配列し直すことができる。特許請求の範囲において、あらゆる手段プラス機能クローズは、列記した機能を果たすものとして本明細書に記載した構造体及び構造的な均等物だけでなく均等な構造体をも保護することを意図している。特許請求の範囲に記載した本発明の実施形態の技術思想から逸脱することなく、好ましい及びその他の例示的な実施形態の設計、作動状態及び配置において、その他の置換え、修正、変更及び省略を行うことができる。従って、本発明の適正な技術的範囲は、特許請求の範囲の最も広い解釈によって全てのそのような変更及び均等物を包含するようにのみ決定されるべきである。

従来型のツインスクリューポンプを示す図。 ロータ先端とライナとの間のポンプ滑り流経路を示す図。 本発明の実施形態によるロータの断面図。 図３のロータのロータ先端の拡大図。 図３及び図４のロータ上に配置されたリングシールを示す図。 ロータがライナと整列した状態における、ロータ上に取付けられたピストンリングシールに対する本発明によるロータのスクリュー先端包絡線を示す図。 ロータがライナに対して偏向した状態における、ロータ上に取付けられたピストンリングシールに対する本発明によるロータのスクリュー先端包絡線を示す図。 開示した本発明の別の実施形態によるロータの斜視図。 本発明の別の実施形態による別のロータシールの断面図。

符号の説明

１０ 従来型のツインスクリューポンプ
１２、１４ ロータ
１６ 締嵌めケーシング又はポンプハウジング
１８Ａ、１８Ｂ シャフト
１９ ロータエンクロージャ又はライナ
２０ 組のネジ山
２２ 駆動歯車
２４ 入口
２６ ロータチャンバ
２８ 出口チャンバ
３０ 出口
４０ ロータ
４２ シャフト
４４ ネジ山
４６ 先端
４８ 溝
５１ ポンプライナ
５２ 側面
５４ 内表面
６０ リングシール
６２ スクリュー先端包絡線
７０ ロータ
７２ ピン
８０ ブラシシール
８２ フロントプレート
８４ バックプレート
８６ ブリストルパック
８８ ケーシング

Claims (10)

1. スクリューポンプ用のポンプロータであって、
   シャフトと、
   前記シャフトの外表面の一部分上に配置されかつその少なくとも１つのネジ山がその端部部分上に配置された溝を含む第1の組のネジ山と、
   前記溝上に配置されたシールと、
   を含むポンプロータ。
2. 前記シールが、ブラシシールである、請求項１記載のポンプロータ。
3. 前記シールが、リングシールである、請求項１記載のポンプロータ。
4. 前記リングシールが、前記溝から外向きに突出しかつ前記スクリューポンプのライナの内表面に当接するように構成され、
   前記溝が、前記ロータが撓んだ時に前記リングシールが前記少なくとも1つのネジ山に対して半径方向に移動するのを可能にするような寸法にされる、
   請求項３記載のポンプロータ。
5. 前記リングシールが、前記シャフトと共に回転するように構成される、請求項３記載のポンプロータ。
6. 前記溝内に配置された第１及び第２のピンをさらに含み、
   前記リングシールの第１の端部が、前記第1のピンに当接するように配置され、
   前記リングシールの第２の端部が、前記第２のピンに当接するように配置される、
   請求項５記載のポンプロータ。
7. 前記シャフトの外表面の別の部分上に配置されかつその少なくとも１つのネジ山がその端部部分上に配置された溝を含みかつ前記第1の組とは別個である第２の組のネジ山、及び前記第２の組の少なくとも1つのネジ山の溝上に配置された第2のリングシールと、
   前記第１の組の少なくとも1つのネジ山の溝内に配置された、前記リングシールの第１の端部がそれに当接するように配置された第1のピン及び前記リングシールの第２の端部がそれに当接するように配置された第２のピンと、
   前記第２の組の少なくとも1つのネジ山の溝内に配置された、前記第２のリングシールの第１の端部がそれに当接するように配置された第３のピン及び前記第２のリングシールの第２の端部がそれに当接するように配置された第４のピンと、
   をさらに含む、請求項１記載のポンプロータ。
8. 前記第１及び第２のピンの円周方向位置と前記第３及び第４のピンの円周方向位置とが、互いに異なる、請求項７記載のポンプロータ。
9. 前記リングシールが、該ポンプロータの犠牲摩耗構成要素である、請求項３記載のポンプロータ。
10. 低圧入口及び高圧出口を有するケーシングと、前記ケーシングの内側に配置されたライナと、前記ライナの内側に配置されかつシャフト及び前記シャフトの外表面の一部分上に配置された第1の組のネジ山を有するロータとを有するスクリューポンプ内の滑り流を減少させる方法であって、
    前記第1の組のネジ山の各ネジ山の端部部分上に溝を形成する段階と、
    前記溝上にリングシールを配置して、前記リングシールが、前記溝から外向きに突出しかつ前記スクリューポンプのライナの内表面に当接するように構成され、前記溝が、前記ロータが撓んだ時に前記リングシールが前記第1の組のネジ山に対して半径方向に移動するのを可能にするような寸法にされ、また前記リングシールが、前記高圧出口から前記低圧入口への滑り流を減少させるように構成されるようにする段階と、
    を含む方法。

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