DE102007040997A1 - Regelbares Druckminderventil und Verwendung desselben zur Erzeugung von Druckänderungssignalen - Google Patents

Regelbares Druckminderventil und Verwendung desselben zur Erzeugung von Druckänderungssignalen Download PDF

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Abstract

Ein regelbares Druckminderventil (1) mit einem Gehäuse (2), das einen sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Innenraum (3) mit einer Einlassöffnung (15) und einer Auslassöffnung (17) hat, wobei die Einlassöffnung (15) und die Auslassöffnung (17) in axialem Abstand voneinander in den Innenraum (3) münden und wobei der Innenraum (3) zwischen den Mündungen der Einlassöffnung (15) und der Auslassöffnung (17) wenigstens eine ringförmige Wand (11) mit einer zylindrischen Ventilbohrung (20) aufweist, hat einen in dem Innenraum (3) angeordneten, axial bewegbaren Ventilkörper (4), der sich durch die Ventilbohrung (20) erstreckt und einen in der Ventilbohrung (20) geführten, kolbenartigen Abschnitt (29) aufweist, durch den die Ventilbohrung (20) verschließbar ist. Der kolbenartige Abschnitt (29) weist wenigstens eine Regelausnehmung (45) auf, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe (46) begrenzt wird, die mit einem Rand der Ventilbohrung (20) eine regelbare Ventilöffnung bildet. Druckminderventil (1) eignet sich besonders zur Erzeugung von nach untertage übertragbaren Druckänderungssignalen in einer an ein Bohrgestänge angeschlossenen Vorlaufleitung einer Spülungspumpe, wobei die Einlassöffnung (15) des Druckminderventils (1) mit einer von der Vorlaufleitung der Spülungspumpe abgezweigten Bypassleitung und die Auslassöffnung (16, 17 oder 18) mit einer zu einem Spülungstank führenden Rücklaufleitung verbunden werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein regelbares Druckminderventil zur Herabsetzung des Drucks von Flüssigkeiten, insbesondere zur Herabsetzung des Drucks der Bohrspülung in einer an ein Bohrgestänge angeschlossenen Zulaufleitung einer Spülungspumpe.
  • Aus DE 1 107 471 A ist ein mehrstufiges, regelbares Druckminderventil zur Druckherabsetzung von Flüssigkeiten bekannt, das vornehmlich für Speisewasser oder die Einspritzung von Wasserdampf bestimmt ist. Das Druckminderventil hat ein Gehäuse mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Innenraum, einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung und mit mehreren, zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung angeordneten, durch Gehäuseausnehmungen voneinander getrennten, ringförmigen Wänden, die koaxiale Ventilöffnungen enthalten. Durch die Ventilöffnungen erstreckt sich eine Spindel, die in den Ventilöffnungen kolbenartig geführt ist und in Längsrichtung der Spindel verlaufende Ausfräsungen aufweist, welche die Regelcharakteristik bestimmen. Die bekannte Gestaltung des Druckminderventils ist nur für reines Wasser geeignet, da sich Schmutzpartikel in den Ausfräsungen anlagern und die Bewegbarkeit der Spindel beeinträchtigen können. Die sich in Längsrichtung erstreckenden Ausfräsungen schränken außerdem den Regelbereich erheblich ein.
  • Andere, beispielsweise aus DE 32 15 224 A1 und DE 37 44 730 C1 , bekannte Druckminderventile haben einen in einer Gehäusebohrung axial beweglich angeordneten Ventilkolben mit ringförmigen Ausnehmungen, durch den radial in die Ventilbohrung mündende Ventilöffnungen freigebbar sind. Zur Energieherabsetzung durch Verwirbelung sind die Ventilöffnungen im Gehäuse zusätzlich von ringförmig angeordneten Drosseleinrichtungen umgeben. Auch diese Ventil gestaltungen eignen sich nur für reine Flüssigkeiten, die die engen Drosselöffnungen nicht zusetzen können.
  • Es ist weiterhin aus EP 0 744 527 B1 eine Vorrichtung zur Übertragung von obertägig vorliegenden Informationen an einen untertage in einem Bohrloch befindlichen Informationsempfänger bekannt, bei der an die Vorlaufleitung einer mit konstanter Leistung angetriebenen Spülungspumpe eine in den Spülungstank mündende Abzweigleitung angeschlossen ist, in die ein von einem Druckmittelantrieb betätigbares Absperrorgan eingeschaltet ist. Dem Absperrorgan ist stromab eine Drossel nachgeordnet, welche die Druckenergie des bei geöffnetem Absperrorgan aus der Vorlaufleitung entweichenden Spülungsmittels herabsetzt. Zur Übermittlung von Informationen an einen untertägigen Informationsempfänger wird während des ununterbrochenen Bohrbetriebs das Absperrorgan im Öffnungssinne betätigt, wodurch der Volumenstrom des Spülungsmittels im Bohrstrang verringert wird. Die Änderung des Volumenstroms über der Zeit bildet ein Signal, das von dem Informationsempfänger untertage erfasst werden kann. Entsprechend der Betätigung und Ausgestaltung des Absperrorgans kann den Volumenstromänderungen ein pulsförmiger Verlauf gegeben werden, und durch Variation des Pulsverlaufs können als digitale Folge codierte Signale erzeugt werden, die zur Steuerung von Komponenten des Untertagesystems dienen.
  • Die Umsetzung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Signalerzeugung bereitet in der Praxis jedoch erhebliche Schwierigkeiten, weil je nach Betrieb einer Bohranlage die Bedingungen in der Vorlaufleitung der Spülungspumpe sehr unterschiedlich sein können. Bei geringer Bohrtiefe ist der Spülungsdruck am Bohrkopf in der Regel verhältnismäßig niedrig, der Volumenstrom hingegen recht groß. Zur Erzielung von für die Signalübertragung geeigneten Volumenstromänderungen muss daher mit niedrigem Druck ein verhältnismäßig großer Bypassstrom in den Tank geleitet werden. Bei großer Bohrtiefe ist der Spülungsdruck am Bohrkopf zwangsläufig sehr hoch, der Volumenstrom jedoch in der Regel relativ klein. Hierbei besteht das Problem, trotz des hohen Drucks nur einen begrenzten Volumenstrom durch die Bypassleitung in den Spülungstank entweichen zu lassen, wobei eine entsprechende Druckenergie des abgezweigten Bypassstroms herabgesetzt werden muss. Zwischenzustände zwischen den genannten Extremen müssen von der zur Signalerzeugung vorgesehenen Absperreinrichtung ebenfalls beherrscht werden können.
  • Ein weiteres Problem stellt die unvermeidliche Belastung der Bohrspülung mit abrasiven Feststoffpartikeln dar, die einerseits einen sehr hohen Verschleiß der Absperr- und Drosseleinrichtung verursachen können, andererseits aber auch zur Verstopfung und dadurch bedingt Ausfall der Absperr- und Drosseleinrichtungen führen können.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein regelbares Druckminderventil zu schaffen, welches zur Herabsetzung des Drucks einer zum Tiefbohren verwendeten Bohrspülung geeignet ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Druckminderventil zu schaffen, welches die Steuerung des Volumenstroms in einer Bypassleitung ermöglicht, die von einer eine Spülungspumpe mit einem Bohrstrang verbindenden Vorlaufleitung abgezweigt ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Druckminderventil zu schaffen, welches eine stufenlose Regelung des von dem Druckminderventil durchgelassenen Volumenstroms ermöglicht. Weiteres Ziel der Erfindung ist es, das Druckminderventil so zu gestalten, dass es verschleißunempfindlich ist und dass es in seiner Funktion durch in der Bohrspülung enthaltene Feststoffpartikel nicht beeinträchtigt wird.
  • Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung ein regelbares Druckminderventil vor mit einem Gehäuse, das einen sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Innenraum mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung hat, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in axialem Abstand voneinander in den Innenraum münden und wobei der Innenraum zwischen den Mündungen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung wenigstens eine ringförmige Wand mit einer zylindrischen Ventilbohrung aufweist, und mit einem in dem Innenraum angeordneten, axial bewegbaren Ventilkörper, der sich durch die Ventilbohrung erstreckt und einen in der Ventilbohrung geführten, kolbenartigen Abschnitt hat, durch den die Ventilbohrung verschließbar ist, wobei der kolbenartige Abschnitt wenigstens eine Regelausnehmung aufweist, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe begrenzt wird, die mit dem Rand der Ventilbohrung eine regelbare Ventilöffnung bildet.
  • Das Druckminderventil nach der Erfindung ermöglicht eine präzise Regelung des Öffnungsquerschnitts, wobei die Regelcharakteristik in weiten Grenzen beliebig sein kann. Auch im Bereich kleiner Öffnungsquerschnitte ist eine Regelung möglich. Die Regelcharakteristik kann außerdem durch den Verlauf der Regelstufe beeinflusst werden. Für die Auslegung des Antriebs zur Ventilbetätigung kann dies vorteilhaft sein. Eine für die Signalerzeugung vorteilhafte Regelcharakteristik kann erreicht werden, wenn der Verlauf der Regelstufe in der Abwicklung dem Kurvenverlauf einer Sinusfunktion oder einer Exponentialfunktion entspricht. Die Regelstufe des Druckminderventils verläuft vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig zur Mantelfläche des kolbenartigen Abschnitts. Die Ansammlung von Ablagerungen und die Bildung eines Filterkuchens wird dadurch vermieden. Außerdem trägt dies zur genauen Regelung bei.
  • Vorzugsweise weist der kolbenartige Abschnitt des Ventilkörpers mehrere, insbesondere zwei Regelausnehmungen auf, wobei die Regelausnehmungen in Umfangsrichtung nebeneinander liegen und insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet und angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich in den Offenstellungen des Druckminderventils ein Druckausgleich in radialer Richtung, so dass die Reibkräfte zwischen Ventilkörper und Gehäuse klein bleiben.
  • Die Regelstufe kann nach der Erfindung so ausgestaltet sein, dass die sich bildende Ventilöffnung einen möglichst kompakten Öffnungsquerschnitt hat. Ein kompakter Öffnungsquerschnitt zeichnet sich dadurch aus, dass sein Umfang im Verhältnis zur Querschnittsfläche klein ist, Idealfall wäre ein kreisförmiger Öffnungsquerschnitt. Durch einen kompakten Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung wird einer Verstopfung durch Feststoffpartikel im Druckmedium und der Bildung von Filterkuchen wirksam begegnet.
  • Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Regelstufe zwei divergierende Abschnitte hat, die sich von einer Stelle in Durchflussrichtung erstrecken. Hierdurch wird ein kompakter Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung gebildet. Vorzugsweise sind die divergierenden Abschnitte in Bezug auf eine die Längsachse enthaltende Symmetrieebene symmetrisch und treffen an der Symmetrieebene zusammen. Durch eine solche symmetrische Gestaltung werden auf den Ventilkörper einwirkende Drehmomente vermieden. Weiterhin hat sich diese Gestaltung für die Herabsetzung von Druckenergie durch Verwirbelung als besonders wirksam erwiesen.
  • In den Offenstellungen des Druckminderventils können hydrodynamische Kräfte dazu führen, dass der Ventilkörper dazu angeregt wird, zu schwingen. Um dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der kolbenartige Abschnitt des Ventilkörpers über seinen gesamten Regelhub in der Ventilbohrung geführt ist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Rand der Ventilbohrung von einer sich an die Ventilbohrung anschließenden Kegelfläche gebildet ist. Hierdurch wird die Strömung in den Offenstellungen des Ventils radial nach innen gelenkt und ein dem Strömungsverlauf entgegengerichteter Wirbel erzeugt, der die Energieherabsetzung begünstigt.
  • Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist das Druckminderventil mehrere, hintereinander geschaltete Druckminderstufen auf, wobei jede Druckminderstufe wenigstens eine ringförmige Wand mit einer zylindrischen Ventil bohrung und einen in der Ventilbohrung geführten, kolbenartigen Abschnitt des Ventilkörpers aufweist, durch den die Ventilbohrung verschließbar ist und wobei der kolbenartige Abschnitt oder die Ventilbohrung wenigstens eine Regelausnehmung haben, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe begrenzt wird. Durch eine solche Gestaltung kann die Druckreduzierung auf mehrere Drosselstellen gleichmäßig verteilt und vor allem bei größeren Druckdifferenzen Beanspruchung und Verschleiß der einzelnen Stufen klein gehalten werden. Weiterhin wird das Regelverhalten bei hohen Drücken und kleinen Durchlassmengen durch mehrere, hintereinander geschaltete Stufen verbessert.
  • Die Anpassung an sehr unterschiedliche Betriebsbedingungen kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erweitert werden, dass das Druckminderventil mehrere Gruppen von hintereinander geschalteten Druckminderstufen aufweist, wobei stromab einer jeden Gruppe eine verschließbare Auslassöffnung vorgesehen ist. Hierdurch kann, je nachdem welche der Auslassöffnungen freigegeben wird, das Druckminderventil mit einer anderen Zahl von hintereinander geschalteten Druckminderstufen betrieben werden. Die Zahl der Druckminderstufen der einzelnen Gruppen kann verschieden groß sein und mit dem Abstand der Gruppe von der Einlassöffnung wachsen. Auf diese Weise lässt sich mit wenigen Gruppen eine die Gruppenzahl übersteigende Zahl von unterschiedlichen Betriebsbedingungen realisieren.
  • Eine vorteilhafte Gestaltung des Druckminderventils kann erfindungsgemäß darin bestehen, dass das Gehäuse aus ringförmigen Gehäuseabschnitten zusammengesetzt ist, wobei ein erster ringförmiger Gehäuseabschnitt zur Aufnahme einer ringförmigen Wand mit zylindrischer Ventilbohrung ausgebildet ist und ein zweiter ringförmiger Gehäuseabschnitt eine radiale Anschlussöffnung aufweist. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die ringförmige Wand mit zylindrischer Ventilbohrung als separates Einsetzteil ausgebildet ist und insbesondere aus einem besonders verschleißfestem Material hergestellt ist. Zur Bildung eines Gehäuses können erste und zweite ringförmige Gehäuseabschnitte zwischen Endplatten angeordnet sein, die durch stabförmige Elemente miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, mit wenigen, einheitlichen Bauteilen Gehäuse von Druckminderventilen verschiedener Ausgestaltung und Zahl an Druckminderstufen herzustellen.
  • Der Ventilkörper des Drosselventils weist nach der Erfindung eine zentrale Längsbohrung auf, die mit der Einlassöffnung des Gehäuses verbunden ist. Hierdurch wird eine druckbedingte Aufweitung des Gehäuses durch eine gleich gerichtete Aufweitung des Ventilkörpers teilweise kompensiert, so dass der Gleitspalt zwischen der Ventilbohrung und dem kolbenartigen Abschnitt des Ventilkörpers auch bei hohen Eingangsdrücken keine wesentliche und für das Betriebsverhalten nachteilige Erweiterung erfährt.
  • Vorzugsweise ist weiterhin der Ventilkörper so ausgebildet, dass er in axialer Richtung im Wesentlichen druckausgeglichen ist, damit die erforderlichen Stellkräfte auch bei sehr hohen Drücken klein bleiben können. Der Ventilkörper kann weiterhin aus einer Ventilspindel und auf dieser befestigten Ventilhülsen gebildet sein, wobei die Ventilhülsen jeweils einen kolbenartigen Abschnitt bilden. Die Ventilhülsen können hierbei aus einem besonders harten und verschleißfesten Material bestehen.
  • Die mehrteilige Gestaltung des Ventilkörpers ermöglicht auf einfach Weise die Anpassung des Ventilkörpers an unterschiedliche Ventilausführungen. Weiterhin können die Ventilhülsen als Automaten- oder Sinterteile kostengünstig hergestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Druckminderventil eignet sich bevorzugt zur Erzeugung von nach untertage übertragbaren Druckänderungssignalen in einer an ein Bohrgestänge angeschlossenen Vorlaufleitung einer Spülungspumpe, wobei die Einlassöffnung des Druckminderventils mit einer von der Vorlaufleitung der Spülungspumpe abgezweigten Bypassleitung und die Auslassöffnung mit einer zu einem Spülungstank führenden Rücklaufleitung verbunden werden. Die Betätigung des Ventilkörpers erfolgt hierbei vorzugsweise durch einen weggesteuerten, insbesondere pneumatischen Stellantrieb, der durch einen elektropneumatischen Stellungsregler steuerbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
  • 1 einen Längsschnitt durch ein Druckminderventil nach der Erfindung,
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Ventilhülse des Druckminderventils gemäß 1,
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Ventilkörpers des Druckminderventils gemäß 1,
  • 4 ein Diagramm des Verhältnisses von Volumenstrom zu Öffnungshub des Druckminderventils gemäß 1 und
  • 5 eine schematische Darstellung einer Tiefbohranlage mit einer Vorrichtung zur Signalerzeugung unter Verwendung des Druckminderventils gemäß 1,
  • Das in 1 dargestellte Druckminderventil 1 weist ein langgestrecktes Gehäuse 2 mit einem Innenraum 3 und einen in dem Innenraum 3 längs beweglich angeordneten und geführten Ventilkörper 4 auf. Das Gehäuse 2 ist aus ersten ringförmigen Gehäuseabschnitten 5 und zweiten ringförmigen Gehäuseabschnitten 6, 7 zusammengesetzt. Die Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 sind zwischen zwei Endplatten 8, 9 angeordnet, die durch mehrere stabförmige Elemente 10 miteinander verbunden sind. Die stabförmigen Elemente 10 erstrecken sich auf der Außenseite des Gehäuses 2 parallel zu seiner Längsmittelachse und pressen die ringförmigen Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 in axialer Richtung fest aneinander. Die ringförmigen Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 haben in ihren Stirnseiten nach außen offene Ringausnehmungen, die jeweils eine innerhalb der Gehäuseab schnitte 5, 6, 7 liegende Schulter bilden. In den einander zugekehrten Ringausnehmungen benachbarter erster Gehäuseabschnitte 5 und benachbarter erster und zweiter Gehäuseabschnitte 5, 6 bzw. 5, 7 ist jeweils eine als separates Einsatzteil ausgebildete ringförmige Wand 11 angeordnet. Die ringförmigen Wände 11 greifen hierbei jeweils in beide benachbarten Ringausnehmungen ein und zentrieren mit ihren ringförmigen Mantelflächen die Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 zueinander. In axialer Richtung stützen sich die ringförmigen Wände 11 an den Schultern der Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 ab und sie sind durch Dichtringe 12 gegenüber den Gehäuseabschnitten 5, 6, 7 abgedichtet.
  • Die zweiten ringförmigen Gehäuseabschnitte 6, 7 sind in axialer Richtung länger als die ersten Gehäuseabschnitte 5 und weisen jeweils eine in den Innenraum 3 mündende Anschlussöffnung 13 auf, die von einem sich radial nach außen erstreckenden Rohrstutzen 14 gebildet ist. Der Gehäuseabschnitt 7 ist an einem Ende des Gehäuses 2 unmittelbar angrenzend an die Endplatte 8 angeordnet und bildet den Einlass 15 des Druckminderventils 1. Am anderen Ende des Gehäuses 2 ist angrenzend an die Endplatte 9 ein Gehäuseabschnitt 6 zur Bildung eines ersten Auslasses 16 angeordnet. Beide Endplatten 8, 9 greifen zur Zentrierung mit Ringabschnitten 19 in die Ringausnehmungen der Gehäuseabschnitte 7, 6 ein und sind mittels Dichtringen 12 gegenüber den Gehäuseabschnitten 7, 6 abgedichtet. Zwei weitere Auslässe 17, 18 werden von Gehäuseabschnitten 6 gebildet, die zwischen Gehäuseabschnitten 5 angeordnet und durch Gehäuseabschnitte 5 voneinander getrennt sind. Hierbei ist eine solche Aufteilung gewählt, dass zwischen Einlass 15 und Auslass 17 zwei, zwischen Auslass 17 und Auslass 18 vier und zwischen Auslass 18 und Auslass 16 acht von Gehäuseabschnitten 5 gehaltene Wände 11 vorgesehen sind.
  • Alle Wände 11 sind gleich und haben eine zylindrische Ventilbohrung 20, eine sich zur Ventilbohrung 20 hin verjüngende Kegelfläche 21 auf ihrer Anströmseite und eine ebene Stirnfläche 22 auf ihrer Abströmseite. Durch die Kegelfläche 21 und einen sich an diese anschließenden Ringraum innerhalb der Gehäuse abschnitte 5, 6 werden auf den Anströmseiten der Wände 11 Ringkammern für den Durchtritt und die Verwirbelung des hindurchströmenden Mediums gebildet. Nur im einlassseitigen Gehäuseabschnitt 7 befindet sich auf der Anströmseite vor der Wand 11 anstelle eines Ringraums eine ringförmige Drosselscheibe 23.
  • Der Ventilkörper 4 umfasst eine Ventilspindel 25, die sich in Längsrichtung des Innenraums 3 erstreckt und eine der Anzahl der Wände 11 entsprechende Anzahl Ventilhülsen 26 trägt. Die Ventilspindel 25 hat ein Betätigungsende 27, das sich durch eine abgestufte Zylinderbohrung 28 in der Endplatte 9 erstreckt und einen Kolbenabschnitt 29 bildet, der in der Zylinderbohrung 28 geführt und abgedichtet ist. Die Ventilhülsen 26 haben eine axiale Länge, die dem axialen Abstand der Wände 11 entspricht, und sind dort, wo sie im Wirkungsbereich der Wände 11 liegen, unmittelbar aneinander abgestützt. Die Ventilhülsen 26 sind mit Hilfe von Abstandshülsen 30 und einer am eingangsseitigen Spindelende angeordneten Gewindehülse 31 auf der Ventilspindel 25 in einer Lage fixiert, dass jede Ventilhülse 26 sich in der gleichen Position zu einer ihr zugeordneten Wand 11 befindet.
  • Die Gewindehülse 31 ist in einer Buchse 32 verschiebbar gelagert, die in einer endseitig geschlossenen Bohrung 33 in der Endplatte 8 angeordnet ist. Die Buchse 31 weist in ihrer Mantelfläche Längsnuten 34 auf, durch die das geschlossene Ende der Bohrung 33 mit dem Einlass 15 in Verbindung steht. Die Ventilspindel 25 ist weiterhin mit einer durchgehenden Längsbohrung 35 versehen, die innerhalb des Betätigungsendes 27 mit einem Stopfen 36 druckdicht verschlossen ist. Eine die Längsbohrung 35 kreuzende Querbohrung 37 mündet in einer Ringkammer 38, die sich auf der dem Betätigungsende 27 zugewandten Seite des Kolbenabschnitts 29 befindet und die nach außen von einer an der Endplatte 9 befestigten Buchse 39 begrenzt wird. in der Bohrung der Buchse 39 ist das Betätigungsende 27 der Ventilspindel 25 gedichtet und axial bewegbar geführt. Durch die beschriebene Anordnung ist die Ringkammer 38 mit dem Einlass 15 verbunden, so dass der Kolbenabschnitt 29 zur Erzielung eines Druckausgleichs mit dem Einlassdruck beaufschlagt werden kann.
  • Wie aus 2 zu ersehen, haben die Ventilhülsen 26 jeweils einen kolbenartigen Abschnitt 41 mit zylindrischer Mantelfläche 42, die sich zwischen den stirnseitigen Endflächen 43, 44 erstreckt. Der kolbenartige Abschnitt 41 weist zwei einander entgegengesetzte Regelausnehmungen 45 auf, die durch scharfkantige Regelstufen 46 von der Mantelfläche 42 abgesetzt sind. Der Boden der Regelausnehmungen 45 wird jeweils von einer koaxialen Zylinderfläche 47 begrenzt, die sich bis zur Endfläche 43 erstreckt und deren Krümmungsradius kleiner ist als der Krümmungsradius der Mantelfläche 42. Beide Regelausnehmungen 45 sind in Bezug auf eine zwischen ihnen liegende axiale Mittelebene und in Bezug auf eine zu dieser senkrechten axialen Mittelebene symmetrisch ausgebildet.
  • Die Regelstufe 46 jeder Regelausnehmung 45 hat zwei divergierende erste Abschnitte 48, die sich von einer nahe der Endfläche 44 liegenden Engstelle 49 aus in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstrecken. Die Abschnitte 48 verlaufen hierbei längs einer gekrümmten Bahn, deren Krümmung mit der Entfernung von der Engstelle 49 abnimmt. In der Abwicklung kann der Verlauf dieser Bahn einer Exponentialfunktion, einer Sinusfunktion oder einer anderen Gesetzmäßigkeit folgen. An die Abschnitte 48 schließen sich Abschnitte 50 der Regelstufe 46 an, die parallel zur Längsachse der Ventilhülse 26 verlaufen. Zwischen den Abschnitten 50 der beiden entgegengesetzten Regelausnehmungen 45 erstreckt sich ein schmaler, rippenförmiger Bereich 51 des Abschnitts 41, der zur Führung der Ventilhülse 26 in der Offenstellung des Druckminderventils dient. In radialer Richtung erstrecken sich die Regelstufen 46 im Wesentlichen senkrecht zu den Ebenen, die die Mantelfläche 42 und die Regelstufe 46 an den jeweiligen Stellen berühren. Hierdurch bildet die Regelstufe 46 mit der Mantelfläche 42 im gesamten Verlauf eine scharfe, im Wesentlichen rechtwinklige Regelkante. Durch diese Ausbildung der Regelkante wird eine genaue Regelung des Öffnungsquer schnitts im Druckminderventil ermöglicht und die Bildung von Filterkuchen und anderen störenden Ablagerungen vermieden.
  • 3 zeigt einen Abschnitt des Ventilkörpers 4 mit mehreren, gleichsinnig hintereinander angeordneten Ventilhülsen 26. Die baugleichen Ventilhülsen 26 liegen mit ihren Endflächen 43, 44 aneinander und sind jeweils in einem Winkel von 90° gegeneinander verdreht angeordnet, so dass den Engstellen 49 einer Ventilhülse 26 jeweils die rippenförmigen Bereiche 51 der angrenzenden Ventilhülse 26 benachbart sind. Hierdurch wird die Führung des Ventilkörpers 4 in den Ventilbohrungen 20 der Wände 11 verbessert und das flüssige Medium, welches das Ventil in der Offenstellung durchströmt, wird zur Bildung von in Umfangsrichtung verlaufenden Teilströmen und damit zur stärkeren Verwirbelung gezwungen.
  • 1 zeigt das Druckminderventil 1 vorbereitet für eine Anwendung, bei der alle Druckminderstufen, die jeweils aus einer Wand 11 und einer Ventilhülse 26 bestehen, zum Einsatz kommen. Dies ist dann angebracht, wenn eine hohe Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass zu bewältigen ist. Damit alle Druckminderstufen nacheinander durchströmt werden, sind die Auslässe 17, 18 jeweils durch eine Deckelplatte 53 verschlossen. Alternativ könnten an den Auslässen auch Absperrventile vorgesehen sein.
  • Der Ventilkörper 4 ist in der Zeichnung in der Schließstellung dargestellt. In dieser Stellung befinden sich die Ventilhülsen 26 mit ihren an die angeströmten Endflächen 44 angrenzenden, ringförmig geschlossenen Bereichen innerhalb der Ventilbohrungen 20 der Wände 11.
  • Zum Öffnen des Druckminderventils 1 wird der Ventilkörper 4 in Richtung der Endplatte 8 bewegt. Hierbei treten zu Beginn des Öffnungshubs die Regelstufen 46 nur an den Stellen 49 aus den Ventilbohrungen 20 heraus, so dass jeweils zwei kleine kompakte Ventilöffnungen auf den Anströmseiten der Wände 11 gebildet werden, durch die das dem Einlass 15 zugeführte Druckmedium hindurchtreten und in die sich in Strömungsrichtung erweiternde Regelausnehmungen 45 einströmen kann. in den Regelausnehmungen 45 strömt das Druckmedium durch die Ventilbohrungen 20 zur Anströmseite der jeweils nächsten Wand und schließlich zum Auslass 16. Die Größe der gebildeten Ventilöffnungen ist an allen Wänden 11 gleich. Nach kurzer Öffnungszeit bildet sich an jeder Wand 11 ein im Wesentlichen gleiches Druckgefälle, welches dem Gesamtdruckgefälle zwischen dem Einlass 15 und dem Auslass 16 geteilt durch die Anzahl der Druckminderstufen entspricht. Wird der Ventilkörper weiter in Richtung der Endplatte 8 bewegt, so treten immer längere Abschnitte der Regelstufen 46 aus den Ventilbohrungen 20 heraus, wobei sich durch den divergierenden Verlauf der Regelstufen 46 die Ventilöffnungen für den Durchtritt des Druckmediums kontinuierlich vergrößern. Entsprechend der Vergrößerung der Ventilöffnungen wächst der Volumenstrom, der bei gegebenem Druckgefälle das Druckminderventil durchströmt. Der maximale Volumenstrom wird erreicht, wenn die divergierenden ersten Abschnitte 48 der Regelstufen 46 sich außerhalb der Ventilbohrungen 20 der Wände 11 befinden. Es zeigt sich somit, dass der Volumenstrom von dem Öffnungshub des Ventilkörpers 4 abhängig ist und durch gezielte Steuerung des Öffnungshubs verändert werden kann. Durch Änderung des Verlaufs der Regelstufen 46 kann außerdem das Verhältnis von Volumenstrom zu Öffnungshub variiert werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Volumenstroms bei gegebenem Druckgefälle ist durch die Auslässe 17 und 18 gegeben. Durch die Anordnung der Auslässe 17, 18 werden die vorhandenen Druckminderstufen in drei Gruppen unterschiedlicher Größe unterteilt, so dass auch eine kleinere Zahl von Druckminderstufen und damit eine geringere Drosselwirkung zur Anwendung gebracht werden kann. Wird beispielsweise der Auslass 16 verschlossen und stattdessen der Auslass 18 geöffnet, so werden anstelle von 14 Drosselstufen nur noch sechs durchströmt. Aufgrund des entsprechend geringeren Drosselwiderstands ergibt sich bei gleichem Eingangsdruck ein größerer, das Druckminderventil durchströmender Volumenstrom.
  • 4 zeigt eine Graphik, in der der Volumenstrom V, der das Druckminderventil 1 bei einem gegebenen Druckgefälle durchströmt, bei konstantem Druckgefälle zwischen Einlass und Auslass in Abhängigkeit von dem Öffnungshub H des Ventilkörpers 4 für die drei Auslässe 16, 17, 18 gezeigt ist. Es zeigt sich, dass z. B. bei Verwendung des Auslasses 17 der Volumenstrom mehr als das Doppelte des Volumenstroms beträgt, der sich bei Verwendung des Auslasses 16 ergibt.
  • 5 zeigt eine bevorzugte Anwendung des beschriebenen Druckminderventils in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Signalen, die bei Tiefbohranlagen mit Hilfe der Bohrspülung von übertage an einen untertage im Bohrloch befindlichen Empfänger übertragbar sind. Schematisch dargestellt sind ein Bohrturm 60, von dem aus sich ein Bohrstrang 61 in einem Bohrloch nach untertage zu einem Bohrmeißel 62 erstreckt. Der Bohrstrang 61 ist an die Vorlaufleitung 63 einer Spülungspumpe 64 angeschlossen, die aus einem Tank 65 Bohrspülung ansaugt und mit einem von der Bohrtiefe abhängigen Druck durch den Bohrstrang 61 zum Bohrmeißel 62 fördert. Die Bohrspülung tritt an dem Bohrmeißel 62 in das Bohrloch aus und strömt durch dieses zum Bohrturm 60 zurück, wo sie aufgefangen, gereinigt und in den Tank 65 zurückgeleitet wird. Von der Vorlaufleitung 63 zweigt eine Bypass-Leitung 66 ab, die durch ein Absperrventil 67 verschließbar ist. Die Bypass-Leitung 66 ist an eine Signalerzeugungsvorrichtung 70 angeschlossen, die in einem transportablen Behälter untergebracht ist. Die Signalerzeugungsvorrichtung 70 umfasst ein pneumatisch gesteuertes Eingangsventil 71, ein der beschriebenen Ausführung entsprechendes Druckminderventil 1, dessen Einlass 15 an den Ausgang des Eingangsventils 71 angeschlossen ist, einen pneumatischen Hubantrieb 72 zur Betätigung des Druckminderventils 1 und eine elektropneumatische Regel- und Steuereinrichtung 73, durch die das Eingangsventil 71 und der Hubantrieb 72 steuerbar sind. Die Regel- und Steuereinrichtung 73 ist an eine Druckluftversorgung 74 und über Leitungen 75, 76 an eine außerhalb des Behälters in einem nicht explosionsgefährdeten Bereich angeordnete, elektrische Steuerschaltung 77 angeschlossen, die mit einem Computer 78 ansteuerbar ist. Das Eingangsventil 71 ist an die Bypassleitung 66 angeschlossen und der Auslass 16 des Druckminderventils 1 ist mit einer zum Tank 65 führenden Rücklaufleitung 68 verbunden.
  • Um während des Bohrbetriebs Signale zu erzeugen, die von der Bohrspülung mit gewünschter Deutlichkeit an einen untertägigen Empfänger übertragen werden, werden das Absperrventil 67 und das Eingangsventil 71 geöffnet. Anschließend wird das Druckminderventil 1 durch die Regel- und Steuereinrichtung 73 und in Abhängigkeit von den Steuersignalen des Computers 78 und der Steuerschaltung 77 zeitgesteuert periodisch geöffnet und geschlossen. Beim Öffnen des Druckminderventils 1 entweicht ein Teilstrom aus der Vorlaufleitung 63 über die Bypassleitung 66 des Druckminderventils 1 und die Rücklaufleitung 68 in den Tank 65, so dass sich der zum Bohrstrang 61 geförderte Volumenstrom entsprechend verringert. Wegen des im Wesentlichen konstanten Strömungswiderstands des Bohrstrangs 61 und des Bohrmeißels 62 führt die Verringerung des zum Bohrstrang 61 geförderten Volumenstroms zu einer Druckänderung in der Vorlaufleitung 63, die von der Bohrspülung nach untertage übertragen wird. Durch die periodische Ansteuerung des Druckminderventils 1 in zeitlich festgelegter Folge können auf diese Weise Druckpulssignale zur Übertragung von Informationen nach untertage moduliert werden. Hierzu geeignete Modulationsverfahren sind bekannt.
  • Der Öffnungs- und Schließzyklus des Druckminderventils 1 wird zur Signalerzeugung vorzugsweise so gesteuert, dass die Volumenstromänderung und damit auch die Druckänderung einen sinusförmigen Verlauf erhält. Dieser Verlauf verursacht weniger Oberschwingungen und beeinträchtigt daher nicht eine gleichzeitig mögliche Signalübertragung in der Gegenrichtung, die mit einem höheren Frequenzband arbeitet. Neben einer sinusförmigen Öffnungs charakteristik sind aber auch zahlreiche andere Öffnungscharakteristiken, beispielsweise rechteckförmige oder trapezförmige Volumenstromänderungen über der Zeit mit dem beschriebenen Druckminderventil 1 möglich. In allen Fällen ist ein wesentlicher Vorteil des Druckminderventils seine Eigenschaft, den das Druckminderventil durchströmenden Volumenstrom in Abhängigkeit von dem Öffnungshub genau zu regeln und damit vorgegebene Signalformen in entsprechende Druckänderungen umzusetzen.
  • Ein weiterer, für die Verwendung zur Signalerzeugung beim Tiefbohren wesentliches Merkmal des Druckminderventils besteht darin, dass die Zahl der wirksamen Druckminderstufen durch die Wahl eines anderen Auslasses für den Anschluss der Rücklaufleitung 68 in idealer Weise an die unterschiedlichen Vorlaufdrücke und Fördermengen der Bohrspülungsförderung angepasst werden kann. Der Aufbau des Druckminderventils aus einer vergleichsweisen geringen Zahl baugleicher Bestandteile macht es darüber hinaus einfach, die vorhandene Zahl der Druckminderstufen zu verringern oder zu erhöhen und auch die Zahl der Auslässe oder die Zahl der einem Auslass zugeordneten Druckminderstufen zu verändern. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Druckminderventil an eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle mit wenig Aufwand angepasst werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (20)

  1. Regelbares Druckminderventil zur Herabsetzung des Drucks von Flüssigkeiten mit einem Gehäuse, das einen sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Innenraum mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung hat, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in axialem Abstand voneinander in den Innenraum münden und wobei der Innenraum zwischen den Mündungen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung wenigstens eine ringförmige Wand mit einer zylindrischen Ventilbohrung aufweist, und mit einem in dem Innenraum angeordneten, axial bewegbaren Ventilkörper, der sich durch die Ventilbohrung erstreckt und einen in der Ventilbohrung geführten, kolbenartigen Abschnitt hat, durch den die Ventilbohrung verschließbar ist, wobei der kolbenartige Abschnitt wenigstens eine Regelausnehmung aufweist, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe begrenzt wird, die mit einem Rand der Ventilbohrung eine regelbare Ventilöffnung bildet.
  2. Druckminderventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kolbenartige Abschnitt zwei Regelausnehmungen aufweist, wobei die Regelausnehmungen in Umfangsrichtung nebeneinander liegen und rotationssymmetrisch angeordnet sind.
  3. Druckminderventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstufe so ausgestaltet ist, dass die sich bildende Ventilöffnung einen kompakten Öffnungsquerschnitt hat.
  4. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstufe zwei divergierende und in Bezug auf eine die Längsachse enthaltende Symmetrieebene symmetrische Abschnitte hat, die an der Symmetrieebene zusammentreffen.
  5. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstufe einen Abschnitt aufweist, dessen Abwicklung dem Kurvenverlauf einer Sinusfunktion oder einer Exponentialfunktion entspricht.
  6. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kolbenartige Abschnitt des Ventilkörpers auf seinem gesamten Regelhub in der Ventilbohrung geführt ist.
  7. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Ventilbohrung von einer sich an die Ventilbohrung anschließenden Kegelfläche gebildet ist.
  8. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere, hintereinander geschaltete Druckminderstufen, wobei jede Druckminderstufe wenigstens eine ringförmige Wand mit einer zylindrischen Ventilbohrung und einen in der Ventilbohrung geführten, kolbenartigen Abschnitt des Ventilkörpers aufweist, durch den die Ventilbohrung verschließbar ist, und wobei der kolbenartige Abschnitt oder die Ventilbohrung wenigstens eine Regelausnehmung hat, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe begrenzt wird.
  9. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse mehrere Gruppen von hintereinander geschalteten Druckminderstufen und stromab einer jeden Gruppe eine verschließbare Auslassöffnung vorgesehen sind.
  10. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus ersten und zweiten ringförmigen Gehäuseabschnitten zusammengesetzt ist, wobei der erste ringförmige Gehäuseabschnitt eine ringförmige Wand mit zylindrischer Ventilbohrung und der zweite ringförmige Gehäuseabschnitt eine radiale Anschlussöffnung aufweist.
  11. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Wand mit zylindrischer Ventilbohrung als separates Einsetzteil ausgebildet und zwischen zwei ringförmigen Gehäuseabschnitten angeordnet ist.
  12. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Gehäuseabschnitte zwischen Endplatten angeordnet sind, die durch stabförmige Elemente miteinander verbunden sind.
  13. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper eine Längsbohrung hat, die mit der Einlassöffnung des Gehäuses verbunden ist.
  14. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper in axialer Richtung druckausgeglichen ist.
  15. Druckminderventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper eine Ventilspindel und auf der Ventilspindel befestigte Ventilhülsen aufweist, wobei die Ventilhülsen jeweils einen kolbenartigen Abschnitt bilden.
  16. Druckminderventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülsen aus einem besonders verschleißfesten Material bestehen.
  17. Einrichtung zur Erzeugung von nach untertage übertragbaren Druckänderungssignalen in einer an ein Bohrgestänge angeschlossenen Zulaufleitung einer Spülungspumpe unter Verwendung eines regelbaren Druckminderventils, wobei das Druckminderventil ein Gehäuse mit einem sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Innenraum, eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung hat, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in axialem Abstand voneinander in den Innenraum münden und wobei der Innenraum zwischen den Mündungen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung wenigstens eine ringförmige Wand mit einer zylindrischen Ventilbohrung aufweist, und mit einem in dem Innenraum angeordneten, axial bewegbaren Ventilkörper, der sich durch die Ventilbohrung erstreckt und einen in der Ventilbohrung geführten, kolbenartigen Abschnitt hat, durch den die Ventilbohrung verschließbar ist, wobei der kolbenartige Abschnitt oder die Ventilbohrung wenigstens eine Regelausnehmung aufweisen, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe begrenzt wird, die mit einem Rand der Ventilbohrung eine regelbare Ventilöffnung bildet, wobei die Einlassöffnung des Druckminderventils mit einer von der Zulaufleitung abgezweigten Bypassleitung und die Auslassöffnung mit einer zu einem Spülungstank führenden Tankleitung verbunden sind.
  18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper durch einen weggesteuerten Stellantrieb bewegbar ist.
  19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Stellantriebs durch einen insbesondere elektropneumatischen Stellungsregler erfolgt.
  20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Druckminderventils nach einem der Ansprüche 2 bis 16.
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