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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Spülpumpe zum
Einsatz bei Spülungen
von Tiefbohrbohrlöchern,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Kolbenpumpen, auch solche Spülpumpen,
sind allgemein bekannt.
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Das
Einpressen einer Spülflüssigkeit
Spülung
durch eine solche Pumpe beim Niederbringen von Bohrungen in einen
Bohrstrang oder ein Bohrloch verfolgt mehrere Ziele. Es dient dem
Austragen von abgebautem Bohrklein oder Abraum, dem Kühlen und
Schmieren eines an der Bohrlochsohle befindlichen Bohrwerkzeuges
oder dessen Antriebs. Ein im Bohrloch erzeugter Druck muss zudem
einen Ausgleich mit den im umliegenden Gestein befindlichen Gasen
und Flüssigkeiten
schaffen.
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Zum
Erzeugen des nötigen
Volumenstroms, der im Bereich von 3000 l/min liegt und zum Erzeugen
des erforderlichen Druckes, der maximal 500 bar betragen kann, sind äußerst leistungsstarke
Pumpen erforderlich.
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Zum
Stand der Technik gehören
Pumpen, die den erforderlichen Druck und Volumenstrom über die
Bewegung eines oder mehrerer Verdrängern (Kolben) erzeugen, welche
einen sich periodisch verändernden,
nach außen
abgedichteten Arbeitsraum schaffen.
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Diese
Hubkolbenmaschinen setzen die rotierende Bewegung einer Drehantriebseinrichtung über einen
Kurbeltrieb in eine axiale Bewegung, die den Kolben bewegt, um.
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Um
die hohen Belastungen aufnehmen zu können, wird beim Kurbeltrieb
die Erzeugung der axialen Bewegung durch einen Kreuzkopf gewährleistet,
der in einer entsprechenden Bahn, bezeichnet als Kreuzkopfbahn,
geführt
wird und sämtliche
Normalkräfte,
die naturgemäß bei einem
Kurbeltrieb entstehen, übernimmt.
Auf der einen Seite ist er mit einem Pleuel und auf der anderen
mit einem Kolben verbunden. Durch diese Funktion trägt der Kreuzkopf
zur Gewährleistung
eines ruhigen und sicheren Laufes des Kolbens bei.
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Nachteilig
bei dieser bekannten Kolbenpumpe ist jedoch, dass durch Führungsspielraum
zwischen dem Kreuzkopf und der Kreuzkopfbahn, die eine obere und
eine untere Kreuzkopfbahn umfasst, der Lauf des Kolbens ungünstig beeinflusst
sein kann, so dass sich dies auf alle Dichtungen und Führungselemente
auswirkt, die sich zwischen Kreuzkopf und Kolben befinden, und somit
der Verschleiß dieser
Elemente erhöht
wird.
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Insbesondere
liegt bei Wartung oder Austausch des Kolbens das volle Gewicht einer
Kolbenstange auf einer Kolbenstangendichtung auf.
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Nach
dem Stand der Technik wird ein großzügiger Spielraum zwischen Kreuzkopf
und zumindest einer Kreuzkopfbahn bestehen gelassen, um einen Ausfall
der Pumpe durch Verkeilen ausschließen zu können, und somit die daraus
resultierende eingeschränkte
Führungsmöglichkeit
hingenommen.
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Ist
der Spielraum zwischen Kreuzkopf und Kreuzkopfbahn zu groß, wird
der Kreuzkopf nicht mehr sauber geführt.
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Zu
geringer Spielraum führt
dazu, dass der Kreuzkopf in seiner Bewegung behindert wird und sich
nicht mehr in der Kreuzkopfbahn bewegen kann.
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Zudem
kann ein zu geringer Spielraum dazu führen, dass sich der Kreuzkopf
bei etwa im Betrieb auftretender Wärmeausdehnung der verwendeten Materialien
verkeilt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe mit
einem verbessertem Kreuzkopfführungssystem
zu realisieren, bei dem der Abstand zwischen Kreuzkopf und Kreuzkopfbahn verringert
wird, so dass der Lauf des Kolbens verbessert wird, ohne dass es
zu einem Verkeilen des Kreuzkopfes kommen kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu ist bei Kolbenpumpen, insbesondere Spülpumpen zum Einsatz beim Spülen von
Tiefbohrbohrlöchern,
gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass die obere Kreuzkopfbahn durch ein längenveränderliches,
insbesondere mechanisches, pneumatisches oder hydraulisches, Element
(variables Distanzelement) vertikal verschiebbar gelagert ist und
dadurch an den Kreuzkopf angepresst wird.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die obere Kreuzkopfbahn
durch das längenveränderliche
Element, also ein in seiner axialen Ausdehnung variables Element,
an den Kreuzkopf anpressbar ist, wodurch die Führung des Kreuzkopfes und somit auch
der Lauf des Kolbens verbessert werden. Zudem werden, da der Kreuzkopf
durch das längenveränderliche
Element besser in einer horizontalen Position und mit diesem eine Kolbenstange
in einer ebenfalls horizontalen Position gehalten werden können, bei
Wartung oder Austausch des Kolbens die Dichtungen an Kolben und
Kolbenstange entlastet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei
verwendete Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind
nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen Schutzes
für die
Merkmalskombinationen der rückbezogenen
Unteransprüche
zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der
Ansprüche
bei einer näheren
Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch
davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden
Ansprüchen
nicht vorhanden ist.
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Bevorzugt
ist das längenveränderliche
Element der oberen Kreuzkopfbahn zugeordnet, so dass das Gewicht
des Kreuzkopfes keine zusätzliche
Kraft auf das längenveränderliche
Element ausübt.
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Wenn
die obere Kreuzkopfbahn beweglich an einem Führungselement gelagert ist,
ergibt sich vorteilhaft, dass nur eine vertikale Bewegung der Kreuzkopfbahn
möglich
ist. Dadurch können
Bewegungsmöglichkeiten
der Kreuzkopfbahn in Richtung der Bewegungsrichtung des Kreuzkopfes
reduziert werden, die zum Beispiel bei einer Montage der Kreuzkopfbahn
nur an einer Schraubenfeder möglich sind
und die zu den Kreuzkopf behindernden Bewegungen der Kreuzkopfbahn
führen
können.
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Vorteilhaft
ist ebenfalls, dass sich, wenn das längenveränderliche Element eine Schraubenfeder ist,
Wartung und Austausch des längenveränderlichen
Elements einfach gestalten.
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Bevorzugt
ist dabei die oder jede Schraubenfeder jeweils einem Führungselement
in konzentrischer Anordnung zugeordnet, da auf diese Weise eine
Lagefixierung einer Schraubenfeder erzielbar ist. Außerdem können so
die zur bisherigen Befestigung der Kreuzkopfbahn mittels Schrauben
vorgesehenen Gewindebohrungen genutzt werden. Zudem entsteht bei
der Verwendung mehrerer Schraubenfedern eine gleichmäßige Verteilung
der auf die Kreuzkopfbahn wirkenden Federkräfte.
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Wenn
als längenveränderliches
Element ein Reservoir fungiert, in das ein Medium einleitbar ist, ergibt
sich im Vergleich zur Verwendung einer Schraubenfeder eine alternative
Ausführungsform, die
zudem noch den Vorteil hat, dass sich die Kraft, die mit dem längenveränderlichen
Element ausübbar ist,
leicht anpassen lässt,
indem das Volumen des einleitbaren Mediums in dem Reservoir verändert wird,
wobei als Medium Druckluft oder Hydrauliköl verwendbar ist. Dadurch kann
auch während
des Betriebs der Pumpe eine beim Anpressen der oberen Kreuzkopfbahn
an den Kreuzkopf wirksame Kraft zu dessen optimaler Führung angepasst
werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Einander
entsprechende Gegenstände
oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das
oder jedes Ausführungsbeispiel
ist nicht als Einschränkung
der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden
Offenbarung zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich,
insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder
Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung
von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung
und Ausführungsformen
sowie den Ansprüchen
beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw.
Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick
auf die Lösung
der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu
einem neuen Gegenstand führen.
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Darin
zeigen
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1 eine
Kolbenpumpe in einer Seitenansicht im Vollschnitt,
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2 eine
Detailansicht einiger Bestandteile derselben Kolbenpumpe in einer
räumlichen
Darstellung und
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3a und 3b eine
Detailansicht der Kolbenpumpe mit verschiedenen Merkmalen gemäß der Erfindung
in einer teilgeschnittenen Ansicht von links.
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1 zeigt
als Beispiel für
eine Kolbenpumpe eine bekannte Spülpumpe 10, wie sie
beim Spülen
von Tiefbohrbohrlöchern
Verwendung finden kann. Diese umfasst eine Drehantriebseinrichtung 12,
die mit einer in einem Gehäuse 14 liegenden
Kurbelwelle 16 wirkverbunden ist. Deren Bewegung wird auf
ein oder mehrere Pleuel 18 übertragen. Diese sind in einem
Kreuzkopf 20 drehbar gelagert und erzeugen so eine axiale
Bewegung eines von einer Kolbenstange 22 geführten Kolbens 24.
Der Kreuzkopf 20 wird in einer oberen und unteren Kreuzkopfbahn 26, 28 axial
geführt
um Belastungen an einer Kolbenstangendichtung 30 und Kolbendichtung 32 gering
zu halten. Die obere Kreuzkopfbahn 26 ist über ein
oder mehrere Maschinenschrauben 34 einem vom Gehäuse 14 umgebenen,
den Kreuzkopf 20 und die Kreuzkopfbahn 26, 28 umfassenden
Innengehäuse 36 verbunden.
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2 zeigt
Bestandteile der in 1 gezeigten bekannten Spülpumpe 10 in
einer räumlichen Darstellung.
Dazu gehört
die Kurbelwelle 16, deren Bewegung sich über eine
Hauptlagereinheit 38 auf ein oder mehrere Pleuel 18 überträgt. Mit
Hilfe des Kreuzkopfes 20, an dem das Pleuel 18 durch
ein Gelenk 40 drehbar gelagert ist und der sämtliche
Normalkräfte,
die bei einem Kurbeltrieb entstehen, übernimmt, ist eine axiale Bewegung
des Kolbens 24 erzielbar. Auf der anderen Seite ist der
Kolben 24 über ein
Verbindungselement 42 lösbar
mit der Kolbenstange 22 verbunden.
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3a und 3b zeigen
eine Detailansicht eines Teilschnittes durch eine Spülpumpe 10 an der
in 1 gekennzeichneten Position gemäß der Erfindung.
Der Kreuzkopf 20 wird an seiner Ober- und Unterseite von
der oberen bzw. unteren Kreuzkopfbahn 26, 28 geführt. Dabei
ist zumindest eine der Kreuzkopfbahnen 26, 28 in
axialer Richtung an hier als Führungselement 44 fungierenden
Maschinenschrauben 34 durch ein längenveränderliches Element 46 beweglich
gelagert, so dass sie an eine Oberfläche des Kreuzkopfes 20 anpressbar
ist.
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In 3a und 3b ist
das längenveränderliche
Element 46 der oberen Kreuzkopfbahn 28 zugeordnet.
Das Führungselement 44,
an dem die obere Kreuzkopfbahn 26 beweglich gelagert ist,
ist am Innengehäuse 36 befestigt.
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Ein
Schraubenkopf 48 befindet sich an der oberen Kreuzkopfbahn 26 in
einem Sackloch 50. Die Bewegung der oberen Kreuzkopfbahn 26 axial
zum Führungselement 44 in
Richtung Innengehäuse 36 ist
durch die minimale Ausdehnung des längenveränderlichen Elements 46 einerseits
und durch die Tiefe des Sacklochs 50 andererseits begrenzt,
so dass ein Kontakt des Führungselements 44 mit
dem Kreuzkopf nicht möglich
ist.
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In 3a ist
als längenveränderliches
Element 46 eine Schraubenfeder 52 dargestellt.
Diese oder jede Schraubenfeder 52 ist jeweils einem Führungselement 44 in
konzentrischer Anordnung zugeordnet.
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In 3b wird
ein Reservoir 54, in das ein Medium einleitbar ist, als
längenveränderliches
Element 46 in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung anstelle
der in 3a dargestellten Schraubenfeder 52 verwendet.
Als Medium ist dabei Druckluft oder Hydrauliköl verwendbar, welches über eine
Zuleitung 56 zuführbar
ist. Die Zuleitung 56 führt zu
einem Druckluft- oder Hydraulikölbehältnis, welches
sich an anderer Stelle der Spülpumpe 10 befindet
und in 3b nicht dargestellt ist.
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Anstelle
des einzelnen in 3b in zentraler Lage über der
oberen Kreuzkopfbahn 26 dargestellten Reservoirs 54 können auch
mehrere dieser Reservoirs eingesetzt werden, die über die
dem Innengehäuse 36 zugewandte
Oberfläche
der oberen Kreuzkopfbahn 26 verteilt sind, z. B. derart,
dass jeder Ecke ein Reservoir zugeordnet ist.
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- 10
- Spülpumpe
- 12
- Drehantriebseinrichtung
- 14
- Gehäuse
- 16
- Kurbelwelle
- 18
- Pleuel
- 20
- Kreuzkopf
- 22
- Kolbenstange
- 24
- Kolben
- 26
- obere
Kreuzkopfbahn
- 28
- untere
Kreuzkopfbahn
- 30
- Kolbenstangendichtung
- 32
- Kolbendichtung
- 34
- Maschinenschrauben
- 36
- Innengehäuse
- 38
- Hauptlagereinheit
- 40
- Gelenk
- 42
- Verbindungselement
- 44
- Führungselement
- 46
- längenveränderliches
Element
- 48
- Schraubenkopf
- 50
- Sackloch
- 52
- Schraubenfeder
- 54
- Reservoir
- 56
- Zuleitung