CH635659A5 - ALTERNATIVE PISTON PUMP. - Google Patents
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Description
La présente invention est relative à une pompe à piston alternatif. The present invention relates to a reciprocating piston pump.
Bien que les pompes à piston soient appréciées en raison de leurs caractéristiques volumétriques, l'utilisation de la plupart des pompes de ce type n'est pas recommandée à des pressions dépassant nettement 138 MPa. En fait, même à des s Although piston pumps are appreciated for their volumetric characteristics, the use of most pumps of this type is not recommended at pressures clearly exceeding 138 MPa. In fact, even at s
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pressions inférieures, les garnitures à bagues d'étanchéité flexibles que l'on utilise généralement dans des installations de ce genre ont tout au plus une durée en service assez limitée et évidemment se détériorent encore plus rapidement à des vitesses plus élevées de pompage et/ou lorsqu'on les utilise avec des fluides agressifs du point de vue chimique. A des températures opératoires nettement supérieures à 138 MPa, les défaillances par fissurations dues à la fatigue se produisant même pour les pièces métalliques des pompes créent un problème supplémentaire limitant encore plus la durée en service d'installation de ce genre. at lower pressures, the flexible sealing ring packings that are generally used in installations of this kind have at most a fairly limited service life and obviously deteriorate even more rapidly at higher pumping speeds and / or when used with chemically aggressive fluids. At operating temperatures well above 138 MPa, fatigue failure cracking occurring even for metallic parts of pumps creates an additional problem further limiting the service life of such installations.
En conséquence, il existe de nombreuses applications à haute pression et/ou à fluide corrosif, pour lesquelles l'utilisation d'une pompe à piston alternatif serait d'un grand intérêt économique alors qu'elle ne l'est pas en raison de la durée en service anormalement courte et des coûts d'entretien prohibitifs qui y sont associés. Consequently, there are many high pressure and / or corrosive fluid applications, for which the use of a reciprocating piston pump would be of great economic interest when it is not because of the abnormally short service life and prohibitive maintenance costs associated with it.
Le but de la présente invention est d'améliorer la durabilité et la durée en service des pompes à piston alternatif à des pressions dépassant largement 138 MPa. The object of the present invention is to improve the durability and service life of reciprocating piston pumps at pressures far exceeding 138 MPa.
La pompe faisant l'objet de la présente invention est définie par la revendication indépendante 1. The pump which is the subject of the present invention is defined by independent claim 1.
Pour assurer à cette pompe une résistance maximale à la fatigue, ce qui est d'importance vitale pour prolonger la durée en service aux pressions les plus élevées envisagées, le logement monobloc devrait être soumis à des traitements d'autofrettage comprenant l'application de pressions internes suffisantes pour amorcer une déformation ou un écrouissage partiel d'au moins les couches internes de métal entourant l'âme et la chambre de travail sous pression. To ensure maximum resistance to fatigue for this pump, which is of vital importance to extend the service life at the highest pressures envisaged, the monobloc housing should be subjected to autofrettage treatments including the application of pressures sufficient internal to initiate a partial deformation or work hardening of at least the internal layers of metal surrounding the core and the working chamber under pressure.
La durée en service des moyens d'étachéité élémentaires sera généralement nettement améliorée par l'utilisation d'un refroidissement par liquide forcé circulant dans une chemise annulaire entourant le logement monobloc prévu pour ces moyens d'étanchéité, l'amélioration résultante étant particulièrement importante lorsqu'on opère à des pressions très élevées et/ou à des vitesses de pompage très élevées également. Toutefois, les moyens d'étanchéité à la pression les plus efficaces à utiliser dans le cadre de la présente invention, en particulier aux pressions très élevées envisagées, sont, d'après ce que l'on a trouvé, les moyens d'étanchéité du type général décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.834.715, impliquant un fluide d'étanchéité sous pression qui est distribué grâce à une bague à joue creusée dans une série d'éléments formant bagues d'étanchéité, dont certains ont une forme de chevron ou une autre forme transversale, créant un profil concave orienté vers la bague à joue creusée. Bien qu'une explication détaillée des possibilités d'application de diverses caractéristiques et variantes de ce brevet aux nécessités particulières de la présente invention soient données dans la description plus détaillée suivante, on peut signaler ici que l'un des avantages les plus intéressants réside dans le degré exceptionnellement élevé d'amélioration de la durée en service de ce type préféré, à fluide sous pression, de moyens d'étanchéité, que l'on atteint par application de ce refroidissement par liquide forcé circulant dans la chemise annulaire entourant le logement monobloc. The service life of the elementary sealing means will generally be significantly improved by the use of forced liquid cooling circulating in an annular jacket surrounding the one-piece housing provided for these sealing means, the resulting improvement being particularly significant when 'We operate at very high pressures and / or very high pumping speeds as well. However, the most effective pressure sealing means to be used in the context of the present invention, in particular at the very high pressures envisaged, are, as has been found, the sealing means of the general type described in US Patent No. 3,834,715, involving a pressurized sealing fluid which is distributed by a cheek ring hollowed out in a series of elements forming sealing rings, some of which have a chevron or other transverse shape, creating a concave profile oriented towards the hollow cheek ring. Although a detailed explanation of the possibilities of application of various features and variants of this patent to the particular needs of the present invention are given in the following more detailed description, it may be pointed out here that one of the most interesting advantages lies in the exceptionally high degree of improvement in the service life of this preferred type, with pressurized fluid, of sealing means, which is achieved by application of this cooling by forced liquid circulating in the annular jacket surrounding the one-piece housing .
L'invention poura être mieux comprise encore grâce à la description suivante donnée à titre d'exemple et avec référence au dessin annexé. The invention can be better understood thanks to the following description given by way of example and with reference to the attached drawing.
La figure unique est une vue en coupe, prise suivant son axe de symétrie, d'une pompe à piston selon l'invention. The single figure is a sectional view, taken along its axis of symmetry, of a piston pump according to the invention.
La figure montre dans sa totalité et sans coupe, un long piston cylindrique 1 représenté dans une position où il se situe à courte distance du point le plus avant (représenté par le contour en pointillé 2) atteint par l'extrémité avant de ce piston durant le mouvement alternatif (la position la plus arrière atteinte au cours de la course étant indiquée de façon correspondante par le contour en pointillé 2'). Ce piston 1 est réalisé en carbure de tungstène ou en un autre matériau dur, résistant à l'abrasion. La partie arrière du piston 1, qui reste aisément accessible pour une connexion à un mécanisme de commande approprié, est pourvue d'un collier ou d'un étrier 4 (représenté en coupe). The figure shows in its entirety and without section, a long cylindrical piston 1 shown in a position where it is located a short distance from the most forward point (represented by the dotted outline 2) reached by the front end of this piston during the reciprocating movement (the rearmost position reached during the race being correspondingly indicated by the dotted outline 2 '). This piston 1 is made of tungsten carbide or another hard material, resistant to abrasion. The rear part of the piston 1, which remains easily accessible for connection to an appropriate control mechanism, is provided with a collar or a stirrup 4 (shown in section).
La partie active du piston 1 agit à l'intérieur d'un logement monobloc cylindrique épais 5, dont les principales chambres de travail sous pression sont la chambre 6 et la chambre 7 qui sont axiales et uniformes. La chambre 6, qui est prévue dans la partie avant du logement 5, a une longueur excédant la course du piston 1 et un diamètre intérieur qui n'est que légèrement supérieur à celui de ce piston. Pour assurer un montage à glissement uniforme, la chambre 6 et la chambre 7 sont effectivement concentriques et alignées de manière coaxiale, en présentant un fini superficiel très poli (par exemple non supérieur à 0,4 micron). Le fini superficiel de la chambre 6 et de la chambre 7 est de préférence d'environ 0,2 micron. De même, la surface externe de la partie active du piston 1 est exceptionnellement lisse, c'est-à-dire d'un fini au mons environ égal à celui de la chambre et de préférence encore meilleur (par exemple non supéreur à environ 0,1 micron). La chambre 7 est d'un diamètre supérieur à celui de la chambre 6 de manière à créer un espace pour une garniture d'étanchéité annulaire 10 qui sert de joint pour la pression, entre le piston 1 et le logement 5. The active part of the piston 1 acts inside a thick cylindrical monobloc housing 5, the main pressure working chambers of which are chamber 6 and chamber 7 which are axial and uniform. The chamber 6, which is provided in the front part of the housing 5, has a length exceeding the stroke of the piston 1 and an internal diameter which is only slightly greater than that of this piston. To ensure a uniform sliding assembly, the chamber 6 and the chamber 7 are effectively concentric and coaxially aligned, having a highly polished surface finish (for example not more than 0.4 micron). The surface finish of chamber 6 and chamber 7 is preferably about 0.2 microns. Likewise, the external surface of the active part of the piston 1 is exceptionally smooth, that is to say with a finish at least equal to that of the chamber and preferably even better (for example not greater than about 0 , 1 micron). The chamber 7 has a diameter greater than that of the chamber 6 so as to create a space for an annular seal 10 which serves as a seal for the pressure, between the piston 1 and the housing 5.
La garniture d'étanchéité 10 comprend une bague à joue creusée 12 et une série de bagues coopérant entre elles 11,13 et 14, à l'une et l'autre extrémité de la bague 12, en formant ainsi deux séries distinctes de bagues de garniture. La série avant, dans cette forme de réalisation, comporte trois bagues individuelles 11 ayant une section d'allure générale en V ou en chevron, tandis que la série arrière comporte quatre bagues 11 de ce genre, toutes ces bagues du type en chevron étant disposées de manière que leur face extrême concave soit orientée vers la bague 12. Dans ce type préféré de dispositif de garniture, chacune des séries susdites de bagues devrait comporter au moins deux bagues en chevron 11 montées entre un chapeau annulaire médian 13 et un chapeau annulaire extrême 14, ces chapeaux présentant une surface radiale plane à leur extrémité opposée aux bagues en chevron. The seal 10 includes a hollow cheek ring 12 and a series of cooperating rings 11, 13 and 14, at one and the other end of the ring 12, thereby forming two separate series of rings. garnish. The front series, in this embodiment, comprises three individual rings 11 having a generally V-shaped or chevron-shaped section, while the rear series comprises four rings 11 of this kind, all these rings of the chevron type being arranged so that their concave end face is oriented towards the ring 12. In this preferred type of packing device, each of the above series of rings should comprise at least two chevron rings 11 mounted between a median annular cap 13 and an extreme annular cap 14, these caps having a planar radial surface at their end opposite to the chevron rings.
Les bagues de garniture 11,13 et 14 sont formées d'une matière plastique inerte, par exemple en un polymère hydrocarboné fluoré, tel que du «Téflon», renforcée par une matière de charge solide finement subdivisée, de point de fusion plus élevé, caractérisée par une meilleure conductivité thermique et une meilleure résistance à la chaleur, par exemple du graphite, du disulfure de molybdène, des poudres métalliques, des fibres de verre, du noir de carbone, etc. Suivant une forme de réalisation préférée mais facultative de la présente invention, les chapeaux annulaires 13 et 14 sont formés de «Téflon» renforcé par une poudre de cuivre, tandis que les bagues en chevron 11 sont en «Téflon» à charge de graphite, de manière à obtenir une combinaison équilibrée d'aptitude au glissement, de flexibilité et de stabilité thermique. The packing rings 11, 13 and 14 are formed from an inert plastic material, for example from a fluorinated hydrocarbon polymer, such as "Teflon", reinforced by a finely subdivided solid filler material, of higher melting point, characterized by better thermal conductivity and better heat resistance, for example graphite, molybdenum disulfide, metal powders, glass fibers, carbon black, etc. According to a preferred but optional embodiment of the present invention, the annular caps 13 and 14 are formed of “Teflon” reinforced with copper powder, while the chevron rings 11 are made of “Teflon” loaded with graphite, so as to obtain a balanced combination of sliding ability, flexibility and thermal stability.
Des bagues d'espacement en forme de bloc 15 et 16 constituent les éléments terminaux de la garniture d'étanchéité 10 et, tout comme la bague à joue creusée 12, elles sont fabriquées en métal ou en une autre matière dure, non flexible, Block-shaped spacing rings 15 and 16 constitute the end elements of the seal 10 and, like the hollow cheek ring 12, they are made of metal or another hard, non-flexible material,
afin de supporter les bagues de garniture flexibles et d'aider à maintenir leur alignement mutuel uniforme ainsi que la concentricité de l'ensemble complet, y compris du piston alternatif. En outre, la bague d'espacement arrière 16, qui constitue une caractéristique essentielle même dans la construction fondamentale et minimale des moyens d'étanchéité, sert également d'élément de contact à glissement, libre, to support the flexible packing rings and help maintain their uniform mutual alignment as well as the concentricity of the complete assembly, including the reciprocating piston. In addition, the rear spacer ring 16, which is an essential characteristic even in the basic and minimal construction of the sealing means, also serves as a sliding contact element, free,
contre la bague de garniture flexible finale des moyens against the final flexible packing ring means
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d'étanchéité (c'est-à-dire le couvercle annulaire 14 dans la construction illustrée). Ceci assure une transmission uniforme d'une poussée axiale, orientée vers l'avant, envisagée pour reprendre tout jeu qui pourrait se développer dans les moyens d'étanchéité annulaires du fait d'une déformation de compression, d'une déformation élastique ou d'autres changements de dimensions dans les bagues de garniture flexibles. sealing (that is to say the annular cover 14 in the illustrated construction). This ensures a uniform transmission of an axial thrust, oriented towards the front, envisaged to take up any play which could develop in the annular sealing means due to a compression deformation, an elastic deformation or other size changes in flexible packing rings.
Une telle poussée axiale est obtenue par l'avancement du manchon annulaire 18 à pas de vis externe, au fur et à mesure que ce manchon est vissé dans une section taraudée correspondante 9 existant à l'extrémité arrière du logement 5, les dimensions relatives étant telles que la face extrême radiale 19 existant à l'avant du manchon 18 entre en contact avec la bague d'espacement 16 bien avant de coopérer totalement avec la section taraudée 9. Such axial thrust is obtained by advancing the annular sleeve 18 with an external screw pitch, as and when this sleeve is screwed into a corresponding tapped section 9 existing at the rear end of the housing 5, the relative dimensions being such that the radial end face 19 existing at the front of the sleeve 18 comes into contact with the spacer ring 16 well before fully cooperating with the threaded section 9.
On se fie normalement plus au dispositif de connexion réglable, constitué par ce montage vissé du manchon 18 dans l'extrémité arrière du logement 5 dans le cas de la construction élémentaire fondamentale des bagues d'étanchéité que dans le cas du type préféré, à fluide sous pression, illustré dans le cas présent. C'est ainsi que, dans le cas de la construction fondamentale, il peut s'avérer avantageux d'appliquer une poussée axiale suffisante par le montage ci-dessus pour assurer une mise en forme suffisante par compression des bagues de garniture flexibles afin d'obtenir une étanchéité améliorée des surfaces en contact et de réduire ainsi toute fuite à travers les moyens d'étanchéité. Par contre, dans le dispositif d'étanchéité à fluide sous pression, les contre-pres-sions principales qui sont appliquées pour assurer des contacts d'étanchéité améliorés proviennent du fluide sous pression. Dans ce cas, par conséquent, la fonction principale du dispositif de connexion réglable est d'assurer le maintien d'un bon montage serré entre les bagues de garniture adjacentes afin d'obtenir une interaction appropriée entre elles. We normally rely more on the adjustable connection device, constituted by this screwed mounting of the sleeve 18 in the rear end of the housing 5 in the case of the basic elementary construction of the sealing rings than in the case of the preferred type, with fluid under pressure, illustrated in this case. Thus, in the case of the basic construction, it may prove advantageous to apply a sufficient axial thrust by the above assembly to ensure sufficient shaping by compression of the flexible packing rings in order to obtain improved sealing of the contacting surfaces and thus reduce any leakage through the sealing means. On the other hand, in the pressurized fluid sealing device, the main counter-pressures which are applied to ensure improved sealing contacts come from the pressurized fluid. In this case, therefore, the main function of the adjustable connection device is to maintain a good tight fit between the adjacent packing rings in order to obtain an appropriate interaction between them.
Le but du chapeau annulaire 12 est de distribuer le fluide sous pression de manière appropriée à travers l'intérieur des moyens d'étanchéité à la pression. A cette fin, une gorge peu profonde 22, assez large, est prévue dans la partie médiane du chapeau annulaire 12, avec plusieurs passages 24 (deux passages sont représentés) orientés vers l'intérieur, c'est-à-dire depuis la gorge 22 jusqu'à la périphérie externe du piston 1. Comme ce fluide sous pression doit être alimenté depuis l'extérieur de la pompe, un passage radial 8 traversant le logement 5 est prévu pour alimenter ce fluide sous pression. The purpose of the annular cap 12 is to distribute the pressurized fluid appropriately through the interior of the pressure sealing means. To this end, a fairly wide, shallow groove 22 is provided in the middle part of the annular cap 12, with several passages 24 (two passages are shown) oriented inward, that is to say from the groove 22 to the outer periphery of the piston 1. As this pressurized fluid must be supplied from outside the pump, a radial passage 8 passing through the housing 5 is provided to supply this pressurized fluid.
Tout autour du logement 5, est prévue une chemise annulaire concentrique 30, dont la paroi est sensiblement plus mince que celle du logement 5 mais est suffisamment épaisse pour que cette chemise présente une rigidité structurale stable sous les forces mécaniques à appliquer. Le diamètre interne de la chemise 30 est essentiellement uniforme dans sa partie médiane principale et ne dépasse que d'une faible fraction de cm le diamètre externe du corps principal du logement 5 (c'est-à-dire sur la totalité de la longueur de celui-ci sauf pour ce qui concerne une courte tête plus grande 28), en créant de la sorte un passage annulaire étroit 32 tout autour de la plus grande partie de ce logement 5. Toutefois, le diamètre interne de la chemise 30 est réduit aux points 31 et 33 pour former de courtes sections d'un diamètre interne qui est tout juste légèrement supérieur au diamètre externe du corps principal du logement 5 de manière à assurer pour cette chemise 30 un montage glissant étroit sur ce logement 5. Finalement, à son extrémité avant, la chemise 30 comporte également une tête agrandie 34, dont la partie avant est creusée de manière suffisante pour s'adapter sur la tête 28 du logement 5. All around the housing 5, a concentric annular jacket 30 is provided, the wall of which is substantially thinner than that of the housing 5 but is sufficiently thick for this jacket to have a stable structural rigidity under the mechanical forces to be applied. The internal diameter of the jacket 30 is essentially uniform in its main central part and only exceeds by a small fraction of cm the external diameter of the main body of the housing 5 (that is to say over the entire length of this except for a short larger head 28), thereby creating a narrow annular passage 32 all around the greater part of this housing 5. However, the internal diameter of the jacket 30 is reduced to points 31 and 33 to form short sections with an internal diameter which is just slightly greater than the external diameter of the main body of the housing 5 so as to ensure for this jacket 30 a narrow sliding mounting on this housing 5. Finally, at its front end, the jacket 30 also has an enlarged head 34, the front part of which is hollowed out sufficiently to fit on the head 28 of the housing 5.
La chemise 30 est de la sorte conçue pour pouvoir être installée en position active par un simple glissement sur le logement 5 depuis l'arrière en passant sur deux bagues toriques élastiques 21 prévues dans des logements 20 créés dans la périphérie externe du logement 5 au voisinage des sections à diamètre minimum de la chemise 30, de manière à former ainsi les joints périphériques nécessaires à l'une et l'autre extrémité du passage annulaire 32. Des trous taraudés 35 et 36 sont prévus dans la chemise 30 pour aboutir dans le passage susdit 32 au voisinage des extrémités arrière et avant de celui-ci, ces trous permettant des connexions d'admission et de sortie pour la circulation d'un fluide réfrigérant dans le passage 32. La chemise 30 est en outre modifiée par perçage d'une plus grande ouverture 38 se présentant en alignement concentrique avec la plus petite ouverture 8 prévue dans le logement 5, afin de permettre un accès approprié à cette ouverture 8 pour un fluide sous pression provenant d'une alimentation extérieure. The jacket 30 is of the kind designed to be able to be installed in the active position by a simple sliding on the housing 5 from the rear passing over two elastic O-rings 21 provided in housings 20 created in the external periphery of the housing 5 in the vicinity sections with minimum diameter of the jacket 30, so as to thus form the peripheral seals necessary for one and the other end of the annular passage 32. Tapped holes 35 and 36 are provided in the jacket 30 to end in the passage aforesaid 32 in the vicinity of the rear and front ends thereof, these holes allowing inlet and outlet connections for the circulation of a coolant in the passage 32. The jacket 30 is further modified by drilling a largest opening 38 in concentric alignment with the smallest opening 8 provided in the housing 5, in order to allow suitable access to this opening 8 for a pressurized fluid pro from external power.
Après que la chemise 30 a été glissée en place tout autour du logement 5, l'achèvement de l'ensemble décrit suppose l'installation de quelques éléments de connexion périphériques suivant les phases opératoires ci-après: After the jacket 30 has been slid into place all around the housing 5, the completion of the assembly described requires the installation of a few peripheral connection elements according to the following operating phases:
(1) la chemise 30 est glissée dans l'élément formant chapeau 40 de manière que celui-ci entoure totalement la tête agrandie 34 de la chemise 30 grâce à son passage axial avant 42 de dimensions appropriées et grâce à son ouverture arrière plus petite 44, alignée de manière concentrique; (1) the jacket 30 is slid into the cap member 40 so that the latter completely surrounds the enlarged head 34 of the shirt 30 thanks to its front axial passage 42 of appropriate dimensions and thanks to its smaller rear opening 44 , aligned concentrically;
(2) la partie formant nez de la tige de connexion 50 comportant le passage pour fluide 52 provenant de la chambre à soupape (non représentée) est introduite dans la cavité avant 29, de dimensions appropriée, prévue dans le logement 5, de manière que la face extrême d'allure conique 54 de ce nez puisse s'appuyer sur l'épaulement annulaire radial plat 3 prévu au fond de cette cavité 29; (2) the nose portion of the connection rod 50 comprising the passage for fluid 52 coming from the valve chamber (not shown) is introduced into the front cavity 29, of suitable dimensions, provided in the housing 5, so that the conical-looking end face 54 of this nose can rest on the flat radial annular shoulder 3 provided at the bottom of this cavity 29;
(3) le joint entre la tige de connexion 50 et le logement cylindrique 5 est rendu étanche et la chemise 30 est simultanément fixée en place par serrage, dans des trous taraudés 45 prévus dans le chapeau 40, d'une série de goujons (non réprésentés) traversant des trous symétriques 55 prévus dans un flasque 56 qui s'appuie contre l'épaulement d'allure conique 58 prévu sur la tige 50; (3) the joint between the connecting rod 50 and the cylindrical housing 5 is made watertight and the jacket 30 is simultaneously fixed in place by tightening, in tapped holes 45 provided in the cap 40, with a series of studs (not shown) passing through symmetrical holes 55 provided in a flange 56 which bears against the conical-shaped shoulder 58 provided on the rod 50;
(4) une alimentation de fluide de refroidissement (non représentée) peut être connectée à l'admission 35 et un système de décharge approprié pour ce fluide (non représenté) peut être connecté à la sortie 36; (4) a supply of cooling fluid (not shown) can be connected to the inlet 35 and a suitable discharge system for this fluid (not shown) can be connected to the outlet 36;
(5) enfin, pour rendre actif le type préféré à fluide sous pression de dispositif d'étanchéité, le système de débit pour ce fluide doit être complété en prévoyant une connexion étanche à la pression au passage 8 existant dans le logement 5 par l'intermédiaire de l'ouverture d'accès 38. Dans la présente forme de réalisation, ceci est réalisé grâce à l'utilisation d'un manchon auxiliaire 60 qui est adapté à glissement tout autour de la périphérie de la chemise 30 de manière que son ouverture taraudée radiale 62 soit en alignement concentrique avec l'ouverture d'accès 38 et le passage 8. Une tubulure cylindrique 66 présentant une partie avant agrandie 68 d'un diamètre qui n'est que légèrement inférieur à celui de l'ouverture 38 est introduite dans cette dernière de manière que sa face extrême à angle obtus 69 s'appuie sur la face plane 39 existant sur le logement 5 à l'extrémité externe du passage 8. Un écrou creux 70 entourant concentriquementla tubulure 66 grâces à sa cavité interne qui suit étroitement le contour de la zone d'épaulement 67 prévue à l'arrière de cette tubulure 66 est ensuite introduit dans l'ouverture taraudée 62 jusqu'à ce que l'on obtienne un joint étanche à haute pression entre la face extrême 69 et la face plane 39. Le joint à basse pression entre la chemise 30 et la tubulure 66 est obtenu grâce à une bague torique 65 montée dans une rainure périphérique 63 localisée dans la partie avant agrandie 68 de la tubulure 66, qui est entourée par la paroi de la chemise 30. (5) finally, to activate the preferred type of fluid under pressure of the sealing device, the flow system for this fluid must be completed by providing a pressure-tight connection to the passage 8 existing in the housing 5 by the intermediate of the access opening 38. In the present embodiment, this is achieved through the use of an auxiliary sleeve 60 which is adapted to slide all around the periphery of the jacket 30 so that its opening radial tapped 62 is in concentric alignment with the access opening 38 and the passage 8. A cylindrical tube 66 having an enlarged front part 68 with a diameter which is only slightly less than that of the opening 38 is introduced in the latter so that its obtuse angle end face 69 rests on the flat face 39 existing on the housing 5 at the outer end of the passage 8. A hollow nut 70 concentrically surrounding the tubing 66 thanks to its internal cavity closely follows the contour of the shoulder zone 67 provided at the rear of this tubing 66 is then introduced into the tapped opening 62 until a high pressure seal is obtained between the end face 69 and the flat face 39. The low pressure seal between the jacket 30 and the pipe 66 is obtained by means of an O-ring 65 mounted in a peripheral groove 63 located in the enlarged front part 68 of the pipe 66, which is surrounded by the wall of the shirt 30.
Comme on le mentionne dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 834 715, une bonne méthode empirique As mentioned in U.S. Patent No. 3,834,715, a good empirical method
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générale pour le fonctionnement du dispositif d'étanchéité à fluide sous pression du type préféré dans le cas présent consiste à alimenter le fluide sous pression à la garniture de joint à une contre-pression essentiellement égale à la pression à laquelle le fluide de travail ou actif est mis sous pression. En fait, dans la plupart des cas, on arrive à un rendement optimal lorsque la contre-pression se situe dans les limites de ± 10% de la pression opératoire des éléments de pompage. Toutefois, on peut parfois atteindre d'excellents résultats avec des différences supérieures à 10% pour ce qui concerne la contre-pression, en particulier du côté négatif. Le tout dépend beaucoup de la combinaison particulière de variables existant dans un cas particulier, par exemple la vitesse de pompage, le nombre, le type et la conception des bagues de la garniture d'étanchéité, les niveaux généraux de pression opératoire, etc. general for the operation of the pressurized fluid sealing device of the type preferred in the present case consists in supplying the pressurized fluid to the seal gasket at a back pressure essentially equal to the pressure at which the working or active fluid is pressurized. In fact, in most cases, optimal performance is achieved when the back pressure is within ± 10% of the operating pressure of the pumping elements. However, excellent results can sometimes be achieved with differences of more than 10% in terms of back pressure, particularly on the negative side. It all depends a lot on the particular combination of variables that exist in a particular case, for example pumping speed, number, type and design of packing rings, general operating pressure levels, etc.
Une autre caractéristique d'importance primordiale dans le cas de la présente invention est l'obtention d'améliorations remarquables dans la résistance à la fatigue à haute pression. On accordera par conséquent une attention spéciale à la discussion suivante des facteurs permettant d'atteindre ces améliorations, la plupart de ces facteurs étant en rapport avec la conception et la fabrication du logement cylindrique principal car il s'agit là de l'élément qui est exposé à la totalité des contraintes de fatigue maximales rencontrées dans des dispositifs de pompage à piston alternatif pour haute pression. Another characteristic of paramount importance in the case of the present invention is the obtaining of remarkable improvements in the resistance to fatigue at high pressure. Special consideration will therefore be given to the following discussion of the factors for achieving these improvements, most of which are related to the design and manufacture of the main cylindrical housing as this is the element which is exposed to all of the maximum fatigue stresses encountered in reciprocating piston pumping devices for high pressure.
La raison fondamentale pour laquelle une résistance améliorée à la fatigue est en définitive obtenue suivant la présente invention réside dans l'utilisation d'un logement cylindrique monobloc et unitaire à la fois pour le piston et pour les moyens d'étanchéité, en combinaison avec une chemise annulaire simple pour le réfrigérant liquide à courant forcé en vue de l'enlèvement aisé de la chaleur engendrée intérieurement, à travers les parois du logement. The fundamental reason why an improved resistance to fatigue is ultimately obtained according to the present invention lies in the use of a one-piece and unitary cylindrical housing both for the piston and for the sealing means, in combination with a simple annular jacket for forced current liquid refrigerant for easy removal of heat generated internally through the walls of the housing.
D'autres caractéristiques étroitement apparentées et de grande importance dans la mise en œuvre du concept suivant l'invention sont les matériaux de construction et les procédés de fabrication du logement cylindrique. Les meilleurs matériaux de construction sont à cet effet les alliages à base de fer, de haute résistance à la traction, en particulier les alliages contenant des quantités importantes de chrome et une certaine quantité de nickel. Le concentration de chrome devrait de préférence être d'au moins environ 10% en poids et la teneur de nickel devrait être de préférence d'au moins environ 4% en poids. Ces matériaux apportent l'avantage supplémentaire d'une excellente résistance à la corrosion, qui contribue encore à l'intégrité à long terme sous des conditions d'utilisation sévères. Idéalement, l'alliage quelconque utilisé devrait être sous une forme fortement affinée, ne comportant pas d'impuretés et de matières étrangères séparées, afin d'éviter des discontinuités même faibles, qui pourraient servir de points d'amorçage de concentration d'efforts. En conséquence, la billette d'alliage au départ de laquelle le logement cylindrique est fabriqué devrait être produite par une technique telle qu'une refusion à arc sous vide ou sous laitier. Les alliages de ce genre à base de fer, contenant environ 11-19% de chrome et environ 3-9% de nickel à titre d'additifs principaux, constituent des alliages intéressants. Other characteristics closely related and of great importance in the implementation of the concept according to the invention are the construction materials and the methods of manufacturing the cylindrical housing. The best building materials for this purpose are iron-based alloys with high tensile strength, in particular alloys containing significant amounts of chromium and a certain amount of nickel. The chromium concentration should preferably be at least about 10% by weight and the nickel content should preferably be at least about 4% by weight. These materials provide the added benefit of excellent corrosion resistance, which further contributes to long-term integrity under severe conditions of use. Ideally, any alloy used should be in a highly refined form, containing no impurities and separate foreign matter, in order to avoid even slight discontinuities, which could serve as starting points for concentration of effort. Consequently, the alloy billet from which the cylindrical housing is made should be produced by a technique such as vacuum or slag arc reflow. Alloys of this kind based on iron, containing about 11-19% of chromium and about 3-9% of nickel as main additives, constitute interesting alloys.
On a également obtenu d'excellents résultats en partant d'alliages similaires contenant une petite quantité de molybdène et qui ont été soumis à un durcissement structural par un traitement thermique approprié. Un alliage idéal de ce genre contient environ 13% de chrome, environ 8% de nickel et environ 2% de molybdène, ainsi que 0,05% de carbone et de petites quantités d'autres constituants. Excellent results have also been obtained starting from similar alloys containing a small amount of molybdenum and which have been subjected to structural hardening by an appropriate heat treatment. An ideal alloy of this kind contains about 13% chromium, about 8% nickel and about 2% molybdenum, as well as 0.05% carbon and small amounts of other constituents.
Dans la fabrication du logement cylindrique, il est d'importance primordiale de créer un fini superficiel interne poli et lisse dans les chambres ou passages pour pression élevée, et ce comme on l'a déjà décrit. Il est également désirable d'éviter des coins à bord aigu dans les chambres à haute pression. In the manufacture of the cylindrical housing, it is of paramount importance to create a polished and smooth internal surface finish in the chambers or passages for high pressure, and this as already described. It is also desirable to avoid sharp edge corners in high pressure chambers.
Pour obtenir une résistance maximale à la fatigue, ces chambres à haute pression du logement devraient être soumises à un traitement d'autofrettage suffisant pour amorcer un fluage à froid ou une déformation élastique des couches limites de métal adjacentes des ouvertures et passages, ensuite la surface interne de ceux-ci ne devrait plus être perturbée par un usinage, une rectification, un polissage, etc. Il sera par conséquent évident que, dans des ensembles tels que celui illustré par le dessin, dans lesquels le diamètre externe de la garniture d'étanchéité 10 est beaucoup plus grand que le diamètre du piston, le traitement d'autofrettage devrait être réalisé en deux stades en raison de la grande différence de pression interne nécessaire pour provoquer une déformation élastique dans la zone entourant la chambre 6, comparativement à la zone entourant la chambre 7. To obtain maximum resistance to fatigue, these high-pressure chambers of the housing should be subjected to an autofrettement treatment sufficient to initiate cold creep or elastic deformation of the boundary metal layers adjacent to the openings and passages, then the surface internal of these should no longer be disturbed by machining, grinding, polishing, etc. It will therefore be obvious that, in assemblies such as that illustrated by the drawing, in which the external diameter of the seal 10 is much larger than the diameter of the piston, the autofrettage treatment should be carried out in two stages due to the large difference in internal pressure necessary to cause elastic deformation in the area surrounding chamber 6, compared to the area surrounding chamber 7.
En d'autres termes, dans la fabrication d'un logement cylindrique de ce type à très haute pression, il y a lieu de percer d'abord la chambre 6 à travers la totalité du corps du logement 5, puis après rectification et polissage d'au moins la partie avant de celui-ci, le traitement d'autofrettage nécessaire, à très haute pression, devrait être réalisé. Ensuite, après usinage de la chambre plus grande 7 dans la partie arrière, rectification et polissage de celle-ci de façon appropriée, et réalisation de tout autre usinage intérieur, tel que le passage radial 8, etc., le second traitement d'autofrettage à la plus basse pression nécessaire pour la section de logement 5 entourant la chambre 7 devrait alors être réalisé. In other words, in the manufacture of a cylindrical housing of this type at very high pressure, it is necessary to first pierce the chamber 6 through the entire body of the housing 5, then after grinding and polishing d 'At least the front part of it, the necessary autofrettage treatment, at very high pressure, should be carried out. Then, after machining the larger chamber 7 in the rear part, rectifying and polishing the latter in an appropriate manner, and carrying out any other internal machining, such as the radial passage 8, etc., the second autofrettage treatment at the lowest pressure necessary for the housing section 5 surrounding the chamber 7 should then be achieved.
L'une des applications les plus prometteuses pour la pompe suivant la présente invention réside dans l'alimentation de solutions de catalyseur à des réacteurs de polymérisation fonctionnant à des très hautes presssions, normalement de 180 à 360 MPa. Dans de tels domaines d'utilisation en rapport avec des réactions chimiques, il est très désirable de prévoir un débit constant à une vitesse pouvant être contrôlée aisément et avec des pulsations minimales de pression. A de plus basses pressions, il semble que la combinaison des deux pompes décrites ci-dessus par l'intermédiaire d'un mécanisme de commande approprié conviendrait très bien. Toutefois, à des pressions de 180 MPa et plus, la compressibilité des liquides devient un facteur important de sorte qu'il est préférable de prévoir une combinaison de trois pompes ou plus. One of the most promising applications for the pump according to the present invention resides in the supply of catalyst solutions to polymerization reactors operating at very high pressures, normally from 180 to 360 MPa. In such fields of use in connection with chemical reactions, it is very desirable to provide a constant flow rate at a speed which can be easily controlled and with minimum pressure pulsations. At lower pressures, it seems that the combination of the two pumps described above via an appropriate control mechanism would be very suitable. However, at pressures of 180 MPa and above, the compressibility of liquids becomes an important factor, so it is preferable to provide a combination of three or more pumps.
A titre d'exemple, une combinaison de trois pompes d'égales dimensions, conçues chacune de la façon illustrée par le dessin en comportant un piston d'un diamètre de 9,5 mm, a été mise en fonctionnement au départ d'un vilebrequin commun créant une course de 10,16 cm pour chaque piston et assurant un angle différentiel de 60° entre les courses du piston 1 et du cylindre 5. L'ensemble résultant a été essayé dans le pompage d'une solution diluée de peroxydes organiques dans un solvant d'hexane, cette solution étant alimentée à une pression d'aspiration d'environ 1,13 MPa et débitée à une pression de réacteur d'environ 206,7 MPa, en utilisant un moteur à courant continu, à vitesse variable, relié à ce vilebrequin à l'intervention d'un engrenage de réduction permettant des vitesses de vilebrequin de 10 à 200 tours par minute. La performance résultante est excelente avec des vitesses de débit extrêmement précises, et une pulsation dans les pressions de débit dépassant rarement 3%, en particulier dans la gamme médiane des vitesses de fonctionnement du vilebrequin de 40 à 120 tours par minute, ce qui représente d'ailleurs la gamme la plus normale du point de vue pratique. By way of example, a combination of three pumps of equal dimensions, each designed as illustrated by the drawing, comprising a piston with a diameter of 9.5 mm, was put into operation from a crankshaft common creating a stroke of 10.16 cm for each piston and ensuring a differential angle of 60 ° between the strokes of piston 1 and cylinder 5. The resulting assembly was tried in pumping a dilute solution of organic peroxides in a hexane solvent, this solution being supplied at a suction pressure of approximately 1.13 MPa and delivered at a reactor pressure of approximately 206.7 MPa, using a direct current motor, at variable speed, connected to this crankshaft by means of a reduction gear allowing crankshaft speeds from 10 to 200 revolutions per minute. The resulting performance is excellent with extremely precise flow velocities, and a pulsation in flow pressures rarely exceeding 3%, particularly in the mid range of crankshaft operating speeds from 40 to 120 revolutions per minute, which represents d 'elsewhere the most normal range from a practical point of view.
Un type particulièrement approprié de moteur à vitesse variable pour ce service est un moteur shunt à courant continu dont la vitesse peut être modifiée en changeant la ten5 A particularly suitable type of variable speed motor for this service is a direct current shunt motor, the speed of which can be varied by changing the speed.
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sion de l'induit tout en maitenant constante la tension d'inducteur. La vitesse de ces moteurs peut être réglée de façon très précise grâce à l'utilisation de circuits électriques sensibles et à réaction, qui sont disponibles sur le marché. A titre d'exemple, un tel équipement de réglage de la vitesse est vendu par la société Reliance Electric Company sous la dénomination commerciale MAXPAK SOLID STATE DC V*S DRIVE. armature while keeping the inductor voltage constant. The speed of these motors can be adjusted very precisely through the use of sensitive and feedback electrical circuits, which are available on the market. For example, such speed control equipment is sold by Reliance Electric Company under the trade name MAXPAK SOLID STATE DC V * S DRIVE.
Bien que les pompes réalisées en plein accord avec les enseignements de la présente invention n'aient pas encore été utilisées de manière prolongée sur une période de temps suffisante pour estimer leur résistance finale à la fatigue, on n'a déterminé aucun signe de défaillance naissante au cours des s inspections préliminaires réalisées jusqu'à présent. En outre, il est déjà évident que la durée en service moyenne des garnitures d'étanchéité à la pression a été fortement accrue par l'utilisation du refroidissement à liquide forcé de la paroi du logement cylindrique. Although the pumps made in full accordance with the teachings of the present invention have not yet been used in an extended manner over a period of time sufficient to estimate their ultimate fatigue strength, no signs of emerging failure have been identified during the preliminary inspections carried out to date. Furthermore, it is already evident that the average service life of the pressure seals has been greatly increased by the use of forced liquid cooling of the wall of the cylindrical housing.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PL | Patent ceased |