Der weltweit stetig wachsende Bedarf an Erdöl und Erdgas erfordert zunehmend eine Förderung auch in seebedeckten und schwer zugänglichen Gebieten. Die dort eingesetzten Mehrphasen-Schraubenspindelpumpen müssen dabei besonders hohe Anforderungen an Standzeit und Zuverlässigkeit erfüllen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der wissenschaftlichen Analyse und der darauf begründeten Beschreibung der festigkeits- und gebrauchstauglichkeitsrelevanten Phänomene dieser Pumpenbauart, wobei der komponentenweise Rotor im Focus steht. Über die Ableitung projizierter Flächen zur Beschreibung der Förderschraubengeometrie entsteht ein Berechnungsmodell zur Bestimmung der auf die Förderschraube wirkenden hydraulischen Lasten. Darauf aufbauend wird ein mechanisches Modell des Rotors auf Basis einer schubweichen Formulierung des Biegebalkens zur Bestimmung der Durchbiegung des Rotors für eine optimierte Auslegung des Umfangsspaltes zwischen den Bauteilen entwickelt. Durch eine Analyse des Beanspruchungszustandes erfolgt anschließend die Bestimmung von Grenzwerten für die zur Montage der Rotoren aufzubringende Vorspannkraft. Ein auf Finiten Volumen basierendes thermisches Modell des Rotors ermöglicht die Berechnung der zeitabhängigen Temperaturverteilung im Rotor im Falle einer sprunghaften Temperaturänderung des Fördermediums. Die Kopplung mit einem mechanischen Modell erlaubt abschließend die Bestimmung der dadurch hervorgerufenen Vorspannkraftänderung.

    The steadily growing demand for crude oil and gas leads to the need for production in sea covered and barely accessible areas. The employed multiphase pumps have to fulfil high requirements concerning service life and reliability. The present work is therefore dealing with the scientific analysis and the description of relevant phenomena influencing the strength and service ability of this type of pump, whereas the research focuses on the engineered rotor. By means of projected areas the pressure distribution along the conveyor screw is at first transformed into radial forces. Based on that, a mechanical model of the rotor is derived, in order to determine the deflection and therefore to enable the dimensioning of the necessary clearance between the liner and the outer diameter of the screws. For an efficient calculation, the rotor is described by means of discrete beam elements based on the exact formulation of Timoshenko's beam theory. A following analysis of the stress state allows the determination of limit values for the pretension forces which have to be applied for the rotor assembly. A lumped heat capacity network model is then established to simulate the time dependent temperature distribution within the rotor caused by a sudden change of temperature of the conveyed fluid. Finally the calculated temperatures are linked to a mechanical model to derive the change in pretension force.


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