DE1965295C3 - Dichtungsanordnung für die Welle des Elektromotors eines tauchfähigen Aggregats - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für die Welle des Elektromotors eines aus elektrischem Antriebsmotor und Pumpe bestehenden, tauchfähigen Aggregats, bestehend aus einem rohrförmigen Gehäuse, durch das sich die Welle koaxial erstreckt und das am unteren Ende durch eine einen Flüssigkeitsdurchgang zum Motor aufweisenden Trennwand und am oberen Ende durch eine eine Wellendichtung aufweisende Trennwand abgeschlossen ist und somit einen mit einer Trennflüssigkeit gefüllten Ringraum bildet, wobei die Wellendichtung aus drei mittels Ringdichtungen gebildeten Sperrkammern besteht, die jeweils über kurz (bzw. dicht) über der unteren Trennwand in gleicher Höhe mündende Steigrohre mit dem mit der Trennflüssigkeit gefüllten Ringraum in Verbindung stehen und deren oberste Sperrkammer zur Pumpe hin offen und von der umgebenden Bohrlochflüssigkeit unmittelbar beaufschlagt ist.

Eine derartige, aus der US-PS 31 82 214 bekannte Dichtungsanordnung dient dazu, die im Motor enthaltene Flüssigkeit zum Schmieren und Kühlen desselben durch die Trennflüssigkeit von der aus einem Bohrloch gepumpten Flüssigkeit zu trennen. Diese Flüssigkeiten ändern ihre Volumina je nach der im Bohrloch herrschenden Temperatur und in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors. Bei laufendem Motor dehnt sich die Motorflüssigkeit infolge Erwärmung aus, während sie sich bei Stillstand wieder zusammenzieht.

Bei der bekannten Dichtungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, ist der über der Wellendichtung lie-

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gende, Bohrlochflüssigkeit enthaltende Raum übet einen, die Wellendichtung in axialer Richtung durchsei zenden exzentrisch angeordneten Kanal an ein Steigrohr angeschlossen, das mit einer öffnuig dicht übei der Trennwand in den Ringraum mündet. An Stelle des einen Kanals und eines Steigrohrs können auch mehrere vorgesehen sein. Im unteren Teil des Ringraums ist eine Trennflüssigkeit eingebracht, während der obere Teil desselben mit Motorflüssigkeit gefüllt ist Eine durch Temperaturunterschiede der Motorflüssigkeil bewirkte Ausdehnung bzw. Zusammenziehung derselben wird durch Fallen des Trennspiegels im Ringraum und Steigen des Trennspiegels in dem mit der Bohrlochflüssigkeit in Verbindung stehenden Steigrohr bzw. dem Rohrbündel oder umgekehrt ausgeglichen. Hierbei hat sich gezeigt, daß es von größter Bedeutung ist, ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen in dem das untere Ende des Ringraums mit der Bohrlochflüssigkeit verbindenden Steigrohr und dem Kanal in der Wellendichtung vorzusehen. Es ist wichtig, daß dieses Volumen ausreichend groß bemessen ist, um eine Bewegung des Trennspnegels zwischen der Trennflüssigkeit und der Bohrlochflüssigkeit aus dem Steigrohr heraus und in den mit der Motorflüssigkeit in Verbindung stehenden Ringraum hinein zu verhindern. Zu diesem Zweck wurde bei der bekannten Dichtungsanordnung ein verhall nismäßig großer Durchmesser für das Steigrohr und den Kanal bzw. das Rohrbündel vorgesehen, was je doch letztlich immer noch zu keinen befriedigenden Ergebnissen führte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zu schaffen, bei der trotz einfachem Aufbau ausreichend große Ausgieichsräume für die Flüssigkeiten vorhanden sind, die gewährleisten, daß der Trennspiegel zwischen der Trennflüssigkeit und der Motorflüssigkeit bzw. der Bohrlochflüssigkeit mit Sicherheit innerhalb der vorgegebenen Grenzen gehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte Dichtungsanordnung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das mit der obersten Sperrkammer in Verbindung stehende Steigrohr derart angeordnet ist, daß es die Welle koaxial umgibt und den mit der Trennflüssigkeit gefüllten Ringraum in einen inneren Abschnitt, in welchen die anderen Steigrohre sowie der zum Motor gehende Flüssigkeitsdurchgang münden, und einen äußeren Abschnitt unterteilt, mit welchem die oberste Sperrkammer in Verbindung steht.

Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Unterteilung des Ringraumes in einen inneren und einen äußeren Abschnitt, die konzentrisch zueinander und zur Weilt angeordnet sind, sind ausreichend große Ausgleichsräume .für die Flüssigkeiten geschaffen, so daß ein Eindringen der Bohrlochflüssigkeit in den zum Motor gehenden Flüssigkeitsdurchgang bzw. ein Eindringen der Motorflüssigkeit in den äußeren Abschnitt in jedem Falle vermieden wird. Auf diese Weise wird auch bei maximaler Kontraktion der Motorflüssigkeit das Eindringen der Bohrlochflüssigkeit entlang der Antriebswelle in den Motor wirksam verhindert, eine ausreichende Expansions- und Kontraktionsmöglichkeit für die Motorflüssigkeit geschaffen und über eine längere Betriebszeit die Ausbildung und Beibehaltung eines Trennspiegels zwischen der Trennflüssigkeit und der umgebenden Bohrlochflüssigkeit gewährleistet. Gegenüber der bekannten Anordnung ist die erfindungsgemäß ausgebildete Dichtungsanordnung wesentlich vereinfacht.

Ergänzend zum Stand der Technik sei noch auf die US-PS 27 83 400 verwiesen, aus der eine Dichtungsanordnung bekannt ist, welche ein koaxial angeordnetes Steigrohr aufweist, das den Ringraum in einen inneren und einen äußeren Abschnitt unteneilt. Abgesehen davon, daß bei dieser Dichtungsanordnung zwei derartige hintereinander angeordnete Ringräume vorhanden sind, mündet hierbei der zum Motor gehende Flüssigkeitsdurchgang in den äußeren Abschnitt, während ein mit dem über der Dichtungsanordnung liegenden, Bohrlochflüssigkeit enthaltenen Raum in Verbindung stehendes Rohr in den inneren Abschnitt einmündet. Das Einfüllen der Trennflüssigkeit wird durch das in den inneren Abschnitt mündende Rohr und nicht wie bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung über eine im unteren Endbereich des Ringraumes angeordnete ventilgesicherte Einfüllöffnung vorgenommen. Diese Anordnung besitzt den Nachteil, daß eine genaue Bemessung der einzubringenden Trennflüssigkeitsmenge entsprechend der maximalen Expansion und Kon-Traktion der Motorflüssigkeit und damit ein komplizierter Einfüilvorgang erforderlich ist, da bei nicht genau bemessener Trennflüssigkeitsmenge ein relativ hohes Gefahrenmoment des Vermischens der Motorflüssigkeit mit der Bohrlochflüssigkeit bzw. des Eindringens der Bohrlochflüssigkeit in den zum Motor gehenden Flüssigkeitsdurchgang besteht. Obwohl daher bei der Anordnung der US-PS 27 83 400 bereits ein koaxial angeordnetes Steigrohr Anwendung findet, können damit nicht die in Verbindung mit der US-PS 31 82 214 hinsichtlich nicht ausreichender Ausgleichsräume aufgezeigten Nachteile vermieden werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß die Volumina des inneren und des äußeren Abschnittes gleich groß sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen bruchstückhaften Axialschnitt der Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung im wesentlichen entlang der Linie 1-1 der F i g. 3,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Dichtungsanordnung der Fig. I, wobei einige Elemente der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind und

F i g. 3 einen Querschnitt der Dichtungsanordnung der F i g. 1, entlang der Linie 2-2 der F i g. 1.

In den Zeichnungen ist eine allgemein mit 11 bezeichnete Dichtungsanordnung für die Welle eines Tauchpumpenmotors gemäß der Erfindung gezeigt. Die Dichtungsanordnung 11 befindet sich zwischen der Tauchpumpe 13 und eiern Tauchpumpenmotor 15 und soll das Eindringen der umgebenden Bohrlochflüssigkeit entlang der Welle 17 in den Pumpenmoior 15 verhindern. Außerdem soll sie die Volumenänderungen des zur Küh.ung und Schmierung des Motors dienenden Öls infolge der bei Betrieb und Stillstand des Motors bedingten Temperaturänderungen aufnehmen.

Die Dichtungsanordnung 11 weist ein Rohrgehäuse 19 auf, dessen oberes Ende durch eine Dichtungsvorrichtung 21, und dessen unteres Ende durch eine Trennwand 23 abgeschlossen ist. Ein zweites Rohrgehäuse 25 erstreckt sich von der Trennwand 23 abwärts und isl mit einem Anschlußstück 26 für den Motor 15 verbunden. Diese Teile sind sämtlich koaxial ausgerichtet, umgeben die Welle 17 und sind auf eine geeignete Befestigungsweise wie z. B. vermittels der dargestellten Ver- <\s schraubung oder durch Schweißung od. dgl. flüssigkeitsdicht miteinander verbunden.

Ein Lagerungsrohr 27, dessen Innendurchmesser

größer ist als der Durchmesser der Antriebswelle 1/, umgibt die Welle und bildet einen Ringdurchlaß 28. Das Rohr 27 ist an seinem unteren Ende innerhalb der Trennwand 23, und an seinem oberen Ende durch ein Gleitlager 29 gehalten, das an der Dichtungsvorrichtung 21 befestigt ist. Außerdem befinden sich entlang der Welle mehrere Lagerbuchsen 3J, die mit dem Lagerungsrohr 27 verbunden sind und zur Lagerung der Welle 17 dienen. Der Ringdurchlaß 28 steht über geeignete Kanäle mit der Motorflüssigkeit in Verbindung und die Lagerbuchsen 29 und 31 weisen entsprechend ausgebildete Nuten auf, die innerhalb des Ringdurchlasses 28 einen freien Durchgang der Motorflüssigkeit entlang der Welle gestatten. Die Außenfläche des Lagerungsrohrs 27 und die Innenfläche des Rohrgehäuses 19 bilden einen langgestreckten Ringraum 43, dessen oberes Ende durch die Dichtungsvorrichtung 21, und dessen unteres Ende durch die Trennwand 23 begrenzt ist.

Ein Durchlaß 44 stellt eine Verbindung zwischen dem Ringdurchlaß 28 und dem Ringraum 43 am oberen Ende desselben her. Der Ringraum 43 steht also mit dem Motor HO in unmittelbarer Flüssigkeitsverbindung. Auf die'.e Weise bewirkt eine durch Temperaturerhöhung bedingte Ausdehnung der Motorflüssigkeit, daß die Flüssigkeit durch den Ringdurchlaß 28 nach oben in den Ringraum 43 eintritt. Wenn sich die Motorflüssigkeit dagegen infolge einer Temperaturabnahme zusammenzieht, kann sie aus dem Ringraum 43 durch den Ringdurchlaß 28 nach unten zum Motor strömen.

Der Ringraum 43 ist durch ein Steigrohr 49, das konzentrisch zu dem Rohrgehäuse 19 und dem Lagerungsrohr 27 angeordnet ist, in einen inneren Abschnitt 45 und einen äußeren Abschnitt 47 unterteilt. Das Rohr 49 ist an der Dichtungsvorrichtung 21 befestigt, erstreckt sich nach unten und hat ein offenes Ende 50, das einen kleinen Abstand zur Trennwand 23 aufweist. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, steht der Ringdurchlaß 28 über einen Kanal 44 mit dem inneren Abschnitt 45 in Verbindung. Der innere und der äußere Abschnitt 45 bzw. 47 des Ringraums 43 stehen zwischen dem offenen unteren Ende des Steigrohres 49 und der Trennwand 23 miteinander in Verbindung. In den inneren Abschnitt 45 münden ebenfalls die beiden anderen Steigrohre 78,80.

Ein offenes oberes Ende 51 der Dichtungsvorrichtung 21 ist durch (nicht dargestellte) Mittel mit der Pumpe verbunden und steht außerdem in unmittelbarer Verbindung mit der umgebenden Bohilochflüssigkeit. Eine Schmutzkappe 53 ist um die Welle hei am angeordnet und verhindert das Eindringen von Verunreinigungen entlang der Welle 17.

Innerhalb der Dichtungsvorrichtung 21 sind mehrere Gleitringdichtungen 55, 56, 57 angeordnet, die die Welle umgeben und eine Abdichtung zwischen der umlaufenden Welle 17 und der nichtumlaufenden Dichtungsvorrichtung 21 bilden. Die oberste Dichtung verhindert das Eintreten von Umgebungsflüssigkeit, während die ar deren Dichtungen das Austreten von Motorflüssigkeit verhindern.

Eine Bohrung 75 in der Dichtungsvorrichtung 21 verbindet den Raum über den Dichtungen der Dichtungsvorrichtung mit dem oberen Ende der äußeren Kammer 47 des Ringraums 43.

Nachdem der Motor und die Dichtlingsvorrichtung mit Flüssigkeit gefüllt sind, die aus einem zur Schmierung und Kühlung des Motors dienenden öl besteht, wird durch ein Rückschlagventil und eine in der Trennwand 23 vorgesehene Einfüllöffnung eine Trennflüssig-

keil in das untere Ende des Ringraumcs 43 eingeführt, die eine größere spezifische Dichte als die zuvor eingefüllte Motorflüssigkeit hat und daher dazu neigt, das untere Ende des Ringraumes 43 auszufüllen. Vor dem Einfüllen der Trennflüssigkeit wird die in der Dichtungsvorrichtung 21 befindliche Entlüftungsöffnung geschlossen. Daher wird durch das Einführen der Trennflüssigkeit etwas Motorflüssigkeit in der äußeren Kammer 47 nach oben und durch die Bohrung 75 aus dem offenen Ende 51 der Dichtungsvorrichtung 21 heraus verdrängt.

Die gewählte Trennflüssigkeit ist in der Motorflüssigkeit im wesentlichen nicht löslich, und infolge des Unterschiedes der spezifischen Dichten wird zwischen der Motorflüssigkeit und der Trennflüssigkeit ein Trennspiegel 83 (s. F i g. 2) gebildet. Durch weiteres Einfüllen von Trennflüssigkeit steigt der Trennspiegel 83 im Ringraum 43 bis zum offenen unteren Ende 50 des Steigrohres 49 an. Von diesem Punkt an wird die Trennflüssigkeit nur in den äußeren Abschnitt 47 des Ringraums 43 nach oben gedrückt, und keine Trennflüssigkeit gelangt in den inneren Abschnitt 45. Das Einfüllen von Trennflüssigkeit wird so lange fortgesetzt, bis diese den äußeren Abschnitt 47, die Bohrung 75 und den Raum über den Dichtungen vollständig ausgefüllt hat.

Wenn der Motor 15, die Pumpe 13 und die Dichtungsanordnung 11 in das Bohrloch abgesenkt werden, tritt infolge der höheren Temperatur am Ende eines Bohrloches im allgemeinen eine Temperaturerhöhung auf. Infolge dieser Temperaturerhöhung wird eine Ausdehnung der innerhalb des Motors 15 und der Dichtungsanordnung 11 enthaltenen Motorflüssigkeit und der in der Dichtungsanordnung U befindlichen Trennflüssigkeit hervorgerufen. Auf Grund dieser Flüssigkeitsausdehnung wird Flüssigkeit durch den äußeren Abschnitt 47, die Bohrung 75 und das offene Ende 51 nach außen abgegeben. Im Verlauf dieser Ausdehnung wird die innerhalb des inneren Abschnitts 45 des Ringraums 43 befindliche Motorflüssigkeit versuchen, die Grenzfläche zwischen der Motorflüssigkeit und der Trennflüssigkeit nach unten unter das offene untere Ende 50 des Steigrohres 49 zu drücken. Infolge des Unterschiedes der spezifischen Dichte zwischen den beiden Flüssigkeiten wird die Motorflüssigkeit durch die Trennflüssigkeit zum Steigen gebracht und steigt innerhalb des äußeren Abschnitts 47 durch die Bohrung 75 nach oben und tritt aus dem offenen oberen Ende 51 aus. Wenn die Temperatur des Motors und der Dichtungsanordnung in der sie umgebenden Flüssigkeit ein Gleichgewicht erreicht haben, stabilisiert sich die Ausdehnung des Öls, und die Abgabe von öl hört auf. Dann ist der Trennspiegel 83 praktisch mit dem offenen unteren Ende 50 des Steigrohres 49 ausgerichtet

Wenn der Motor in Betrieb gesetzt wird, findet eine weitere Temperaturerhöhung statt, durch weiche sich die Motorflüssigkeit weiter ausdehnt Die Motorflüssigkeit steigt wiederum durch den äußeren Abschnitt 47 des Ringraums 43 durch die Trennflüssigkeit und tritt am oberen Ende 51 aus. Wenn Motor und Dichtungsanordnung während des Betriebes ihre höchste Betriebstemperatur erreicht haben, hört die weitere Abgabe von Motorflüssigkeit auf, und der Trennspiegcl 83 wird wiederum mit dem offenen unteren Ende 50 des Steigrohres 49 ausgerichtet.

Wenn der Motor abgestellt wird, fällt die Temperatur innerhalb des Motors und der Dichtungsanordnung ungefähr auf die Temperatur der Bohrlochflüssigkeit ab, und das Volumen der Flüssigkeiten verringert sich. Wie F i g. 2 zeigt, die eine schematische Darstellung der Dichtungsanordnung der F i g. 1 ist, bewegt sich die Motorflüssigkeit bei einer Volumenabnahme innerhalb des Ringdurchlasses 28 nach unten. In dem inneren Abis schnitt 45 des Ringraums 43 findet eine entsprechende, nach oben gerichtete Bewegung der Motorflüssigkeit statt Dadurch wird wiederum der Trennspiegel 83 zwischen Motorflüssigkeit und Trennflüssigkeit in dem in neren Abschnitt 45 nach oben verlagert. Die Bohrloch- flüssigkeil tritt dann in das offene obere Ende 51 der Kammer 69 ein und gelangt durch die Bohrung 75 nach unten in den äußeren Abschnitt 47 des Ringraums 43 und bildet mit der Trennflüssigkeit einen unter dem Treibspiegel 83 liegenden Trennspiegel 85. Wenn der Motor 15 anschließend in oder außer Betrieb gesetzt wird, bewegt sich der Trennspiegel 85 innerhalb des äußeren Abschnitts 47 des Ringraums 43 nach oben oder nach unten. Gleichzeitig bewegt sich der Trennspiegel 83 zwischen der Motorflüssigkeit und der Trennflüssigkeit innerhalb des inneren Abschnitts 45 nach oben bzw. nach unten.

Das Volumen des äußeren Abschnitts 47 ist so bemessen, daß sich innerhalb des äußeren Abschnitts ausreichend viel Trennflüssigkeit befindet, um während des Stillstandes des Motors eine Bewegung des Trennspiegels 85 in den inneren Abschnitt 45 zu verhindern. Das Volumen des inneren Abschnitts 45 ist ebenfalls ausreichend groß bemessen, um bei Stillstand des Mo tors eine Bewegung des Trennspiegels 83 in den Ringdurchlaß 28 hinein zu verhindern.

In der hier dargestellten Ausführung sind die Volumina des inneren und des äußeren Abschnitts des Ring raums 43 angenähert gleich groß. Obwohl diese Anordnung gute Ergebnisse liefert, ist es lediglich erforder- lieh, daß die Volumina groß genug bemessen sind, daß die Bewegung des Trennspiegels 85 innerhalb des äu ßeren Abschnitts 47 und die Bewegung des Trennspiegels 83 innerhalb des inneren Abschnitts 45 liegt, wenn der Motor an- oder abgestellt ist

Durch die Erfindung ist somit eine Dichtungsanordnung für die Welle eines Tauchpumpenmotors geschaffen worden, der das Eindringen der umgebenden Flüssigkeit entlang der Antriebswelle in den Motor wirksam verhindert, die Ausdehnung und das Zusammen-SS ziehen der Schmier- und Kühlflüssigkeit für den Motor ermöglicht und außerdem für eine längere Betriebszeit die Ausbildung und Beibehaltung eines Trennspiegels zwischen einer Trennflüssigkeit und der umgebenden Bohrlochflüssigkeit gewährleistet

Hierzu 2 Blatt Zeich»

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Claims (2)

Patentansprüche: 1965

1. Dichtungsanordnung für die Welle des Elektromotors eines aus elektrischem Antriebsmotor und Pumpe bestehenden, tauchfähigen Aggregats, bestehend aus einem rohrförmigen Gehäuse, durch das sich die Welle koaxial erstreckt und das am unteren Ende durch eine einen Flüssigkeitsdurchgang zum Motor aufweisende Trennwand und am oberen Ende durch eine eine Wellendichtung aufweisende Trennwand abgeschlossen ist und somit einen mit einer Trennflüssigkeit gefüllten Ringraum bildet, wobei die Wellendichtung aus drei mittels Ringdichtungen gebildeten Sperrkammern besteht, die jeweils über kurz (bzw. dicht) über der unteren Trennwand in gleicher Höhe mündende Steigrohre mit dem mit der Trennflüssigkeit gefüllten Ringraum in Verbindung stehen und deren oberste Sperrkammer zur Pumpe hin offen und von der umgebenden Bohrlochflüssigkeit unmittelbar beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der obersten Sperrkammer (51) in Verbindung stehende Steigrohr (49) derart angeordnet ist, daß es die Welle (17) koaxial umgibt und den mit der Trennflüssigkeil gefüllten Ringraum (43) in einen inneren Abschnitt (45), in weichen die anderen Steigrohre (78, 80) sowie der zum Motor gehende Flüssigkeitsdurchgang (28) münden, und einen äußeren Abschnitt (47) unterteilt, mit welchem die oberste Sperrkammer (51) in Verbindung steht.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina des inneren (45) und des äußeren Abschnitts (47) gleich groß sind.