DE112014007345B4

DE112014007345B4 - Verfahren zum Schalten eines Fluidstrahlentkokungswerkzeugs zwischen einem Bohrbetriebsmodus und einem Schneidbetriebsmodus

Info

Publication number: DE112014007345B4
Application number: DE112014007345.8T
Authority: DE
Inventors: Daniel O. Arzuaga; Jagadish Janardhan
Original assignee: Flowserve Management Co
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: CN106103654B; BR112016011944A2; BR112016011944A8; CN106103654A; DE112014005371B4; BR112016011944B1; DE112014005371T5; WO2015077740A1; MX2016006737A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) zwischen einem Bohrbetriebsmodus und einem Schneidbetriebsmodus mit folgenden Schritten: Ausgestalten des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200), so dass es umfasst: einen Einlass (42) zum Aufnehmen von unter Druck stehendem Entkokungsfluid; eine Mehrzahl von Auslässen (304A, 304B), die mit mindestens einer Bohrdüse (204B) und mindestens eine Schneiddüse (204A) verbunden sind, so dass mindestens eine davon mit dem Einlass (42) in Fluidverbindung steht; eine Modusschaltvorrichtung (1), die ausgestaltet ist, um das Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) zwischen dem Bohr- und Schneidmodus durch ein drehbares Ventil (40) einzustellen, welches ausgestaltet ist, um das unter Druck stehende Entkokungsfluid entweder zu der mindestens einen Bohrdüse (204B) oder der mindestens einen Schneiddüse (204A) zu leiten; einen Schmiermittelströmungspfad, der ausgestaltet ist, um Schmierfluid zwischen benachbarten Abschnitten des drehbaren Ventils (40) und des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) bereitzustellen; und strömungsmäßiges Koppeln des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) mit einer Quelle des unter Druck stehenden Entkokungsfluids; und Einstellen der Modusschaltvorrichtung (1) durch selektives Drehen und axiales Verschieben des Ventils (40) derart, dass eine Werkzeugeingriffsoberfläche (46) des Ventils (40) vorübergehend von einer benachbarten, sich nicht drehenden Oberfläche (24) als Reaktion auf eine Druckveränderung des unter Druck stehenden Entkokungsfluids abgehoben wird, um während mindestens eines Zeitabschnitts vor einer Drehbewegung des Ventils (40) einen reibungsvermindernden axialen Spalt (G1) zwischen der Werkzeugeingriffsoberfläche (46) und der sich nicht drehenden Oberfläche (24) herbeizuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs zwischen einem Bohrbetriebsmodus und einem Schneidbetriebsmodus.
HINTERGRUND
In herkömmlichen Erdölraffinerievorgängen wird Rohöl zu Benzin, Dieselkraftstoff, Kerosin, Schmiermitteln oder dergleichen verarbeitet. Es ist gängige Praxis, dass schwere Kohlenwasserstoffrückstands-Nebenprodukte durch ein als verzögertes Verkoken bekanntes thermisches Crackingverfahren weiterverwertet werden. In einem verzögerten Verkokungsvorgang werden schwere Kohlenwasserstoffe (Öl) durch Öfen gepumpt, in denen sie auf ihrem Weg zu zylindrischen Gefäßen, die als Verkokungstrommeln bekannt sind und ganze 9 m (30 Feet) im Durchmesser und (43 m (140 Feet) in der Höhe messen und typischerweise ausgestaltet sind, um paarweise zu arbeiten, auf eine hohe Temperatur (zum Beispiel zwischen 480 °C und 540 °C (900 °F und 1000 °F)) erhitzt werden. In der Verkokungstrommel setzt das erhitzte Öl seine wertvollen Kohlenwasserstoffdämpfe frei, die dann Destillationstürmen zugeführt werden, wo sie Kondensat bilden (darunter unter anderem Gas, Naphta und Gasöle), welches zu nützlicheren Produkten weiterverarbeitet werden kann, wobei durch das Zusammenwirken von Temperatur und Verweilzeit fester Petrolkoks zurückbleibt. Dieser Koksrückstand muss zur Entfernung aus dem Gefäß zerkleinert werden, und dies wird bevorzugt durch Verwenden eines Entkokungs-(oder Koksschneide-)werkzeugs in Verbindung mit einem Entkokungsfluid, wie etwa Hochdruckwasser, bewerkstelligt.
Ein derartiges Werkzeug kann eine Reihe von Düsen zum Entfernen von Koks, wie zum Beispiel einen Bohreinsatz mit sowohl Bohr- als auch Schneiddüsen, beinhalten. Das Entkokungswerkzeug kann durch eine Öffnung im Oberteil des Gefäßes in das Gefäß abgesenkt werden und die Hochdruckwasserzufuhr kann in das Entkokungswerkzeug eingeführt werden, um den gewünschten Düsen des Entkokungswerkzeugs Entkokungsfluid zuzuführen.
Aus der DE 11 2010 004 638 T5 ist eine Vorrichtung bekannt, die auf eine Druckänderung in einem Entkokungsfluid rotatorisch und translatorisch. Dadurch wirkt die Vorrichtung so mit einem Entkokungswerkzeug zusammen, dass das Entkokungsfluid in einer ersten Betriebsbedingung einen Bohrmodus mit einem oder mehreren Bohrdüsen des Werkzeuges etabliert und in einer zweiten Betriebsbedingung einen Schneidmodus mit einer oder mehreren der Schneiddüsen des Werkzeuges etabliert.
Die US 2012 / 0 199 672 A1 lehrt ein Fluidstrahl-Entkokungswerkzeug mit einer Umlenkplatte, einem Umlenkkörper, mehreren Strömungskanälen und einer Schaltvorrichtung. Die Strömungskanäle sind Kanäle zum Klarspülen (Befreien des Werkzeugs, wenn es durch eine kollabierende Koksschicht gefangen ist), zum Bohren und zum Schneiden und weisen jeweils eine Düse auf. Bei einem Umschalten von einem Bohrmodus in einen Schneidmodus wird eine drehbare Ventilplatte durch eine Modusschaltvorrichtung gedreht und so Durchlässe in der Ventilplatte den unterschiedlichen Kanälen in einem Umlenkkörper für den Bohrmodus und den Schneidmodus zugeordnet wird. Nachteilig dabei ist die existierende Reibung zwischen der drehbaren Ventilplatte und der Gegenfläche am Umlenkkörper von Nachteil. Um diese herabzusetzen, wird nach dieser Schrift ein Öl genutzt, welches an sich zur Dämpfung vorgesehen ist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, das Umschalten zwischen den verschiedenen Modi weiterstgehen weiter zu verbessen, insbesondere den Schaltvorgang zuverlässiger zu machen.
KURZFASSUNG
Zur Lösung dieses Problems weist das erfindungsgemäße Verfahren die Verfahrensschritte des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Durch die Ausbildung des Spaltes zwischen der Werkzeugeingriffsoberfläche und der sich nicht drehenden Oberfläche während zumindest einem Teil des Zeitabschnitts des Schaltvorgangs wird gegenüber dem Stand der Technik nach der US 2012 / 0 199 672 A1 Reibung weiter erheblich herabgesetzt und damit der Schaltvorgang erleichtert und zuverlässiger.
Ein umfassenderes Verständnis dieser und zusätzlicher Merkmale, die durch die hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt werden, ergibt sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen besitzen veranschaulichenden und beispielhaften Charakter und sind nicht dazu gedacht, den durch die Ansprüche definierten Gegenstand einzuschränken. Die folgende detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen wird in Zusammenschau mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen ein gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen versehen ist. Es zeigt:

1 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht eines Entkokungswerkzeugs mit einer Modusschaltvorrichtung gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
2A-2C zeigen schematisch die Modusschaltvorrichtung von 1 in einem drucklosen Zustand gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
3A-3C zeigen schematisch die Modusschaltvorrichtung von 1 in einem teilweise druckbeaufschlagten Zustand gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
4A-4D zeigen schematisch die Modusschaltvorrichtung von 1 in einem vollständig druckbeaufschlagten Zustand gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Modusschaltvorrichtung in einem drucklosen Zustand gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
6 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf die Modusschaltvorrichtung von 1, die die Platzierung von Lochplatten in einer Gruppe von in der Umlenkplatte gebildeten, paarweise angeordneten axialen Durchgängen hervorhebt; und
7A und 7B zeigen das Vorhandensein von Öl als ein Dämpfungsfluid in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen einer Schaltvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter allgemeiner Bezugnahme auf 1 ist ein Abschnitt eines Entkokungswerkzeugs 200 schematisch gezeigt. Das Entkokungswerkzeug 200 kann einen Fluidzuführpfad 202 zum Zuführen von Entkokungsfluid zu einer oder mehreren Schneiddüsen 204A oder Bohrdüsen 204B über eine Modusschaltvorrichtung 1 umfassen. Demgemäß kann die Modusschaltvorrichtung 1 zum selektiven Leiten von Entkokungsfluid zu irgendeiner der einen oder mehreren Schneiddüsen 204A und Bohrdüsen 204B betrieben werden. Schaltmechanismen wie zum Beispiel ein AutoShift™ von Flowserve Corporation aus Irving, TX, USA, können zum selektiven Leiten des Stroms zu den gewünschten Schneiddüsen, d.h. entweder den Schneiddüsen oder den Bohrdüsen, verwendet werden, je nachdem, in welchem Teil des Entkokungsvorgangs sich das Werkzeug zu diesem Zeitpunkt befindet. Konkret kann das Entkokungsfluid mit Druck beaufschlagt werden und veranlasst werden, als Reaktion auf den einen oder den anderen eines Bohrbetriebsmodus oder eines Schneidbetriebsmodus durch eine oder mehrere der Düsen 204A, 204B hindurchzutreten. Details bezüglich Anordnung und Betrieb von Düse und Kanal sind dem US-Patent 6,644,567 zu entnehmen, das dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung gehört und dessen relevante Abschnitte durch Verweis hierin mit einbezogen werden.
Bezugnehmend in kollektiver Weise auf 2A-4D sind Ansichten gezeigt, die der Modusschaltvorrichtung 1 in verschiedenen Druckbeaufschlagungsphasen entsprechen. In einer Ausführungsform kann die Modusschaltvorrichtung 1 Zuführkanäle 22A, 22B für den Durchfluss von Entkokungsfluid durch den Umlenkkörper 20 und zu den Düsengruppen umfassen. Zum Beispiel können die Kanäle 22A um die axiale Abmessung eines Umlenkkörpers 20 diametral entgegengesetzt zueinander sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Entkokungsfluid, das eine perforierte Umlenkplatte 40 durch axiale Durchgänge 42 betritt, und den Schneiddüsen 204A zu fördern, während eine andere Gruppe von Kanälen 22B verwendet werden kann, um eine Fluidverbindung zwischen dem Entkokungsfluid, das die Umlenkplatte 40 durch axiale Durchgänge 42 betritt, und den Bohrdüsen 204B zu fördern; genau wie die ersten Kanäle 22A können die zweiten Kanäle 22B diametral entgegengesetzt zueinander in der Umlenkplatte 40 platziert sein. Die axialen Kanäle 22A, 22B können an einer oberen Fläche 24 des Umlenkkörpers 20 enden. Ein Vorspannelement 10 kann als ein unterer Abschnitt eines Umlenkkörpers 20 der Modusschaltvorrichtung 1 ausgebildet oder an diesem montiert sein. Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Modusschaltvorrichtung 1 mit irgendeiner Anzahl von Durchgängen und entsprechenden Kanälen zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Fluid zu irgendeiner Anzahl von Düsen bestückt sein; die vorliegende Ausführungsform zeigt jeweils zwei davon. Die Durchlässe können derart ausgestaltet sein, dass druckbeaufschlagtes Fluid, das die obere Fläche 24 des Umlenkkörpers 20 durchquert, zu irgendeiner Untergruppe der einen oder mehreren Düsen 204A, 204B geleitet werden kann (1). Überdies kann mindestens einer der Fluiddurchgänge, die durch das Zusammenwirken von axialen Durchgängen 42 und Kanälen 22A, 22B gebildet werden, derart verwendet werden, dass beim Zuführen des Entkokungsfluids durch die jeweiligen Kanäle (vorliegend als Kanäle 22B gezeigt) eine Fluidverbindung hergestellt wird, so dass das Fluid zur Druckbeaufschlagung der Oberflächen anderer Bauteile (wie etwa des Kolbens 140, der nachstehend in Verbindung mit 2A, 3A und 4A erwähnt wird) verwendet werden kann, um eine selektive Bewegung solcher Bauteile zu erleichtern.
Eine Steuerstange (hierin auch als Umlenkplattenwelle bezeichnet, die aus einer unteren Welle und einer oberen Welle besteht) 30 ist eine drehbare Welle, die die Umlenkplatte 40 mit dem Vorspannelement 10 koppelt, so dass Druckveränderungen (d.h. Druckentlastungen und erneute Druckbeaufschlagungen), die auf das Vorspannelement 10 aufgebracht werden, selektiv eine Drehung der Umlenkplatte 40 bewirken können. Drehungen der Umlenkplatte 40 können zum Umschalten zwischen dem vorgenannten Bohr- und Schneidmodus genutzt werden, und zwar indem selektiv dem gewünschten Durchlass des Umlenkkörpers 20 druckbeaufschlagtes Fluid zur Verfügung gestellt wird. Die Steuerstange 30 kann aus einem oberen und unteren Abschnitt hergestellt sein, die zusammengefügt werden, oder kann einstückig gefertigt werden.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Umlenkplatte 40 eine im Allgemeinen zylindrische Form um ihre Rotationsachse R definieren und kann paarweise angeordnete axiale Durchgänge 42 beinhalten, die in Öffnungen an den oberen Flächen 44 und unteren Flächen 46 der Umlenkplatte 40 enden. Auf diese Weise wirkt die Umlenkplatte 40 wie ein Ventil zwischen dem Fluidzuführpfad 202 (1) und den Gruppen von Bohr- und Schneiddüsen. Bei dem geeigneten Drehungsgrad (beispielsweise neunzig Grad bei einer mit zwei solchen axialen Durchgängen 42 und entsprechenden Öffnungen ausgestalteten Umlenkplatte 40) kann ein Strömungspfad mit den Kanälen gebildet werden, die zu der einen oder der anderen der Gruppen von Bohr- und Schneiddüsen führen. Somit wird je nachdem, ob die Modusschaltvorrichtung 1 gerade einem Bohrbetriebsmodus oder einem Schneidbetriebsmodus Entkokungsfluid zuführt, eine druckbeaufschlagte Entkokungsfluidquelle, die die Oberseite der Umlenkplatte 40 betritt, durch die Einwirkung des Vorspannelement 10 durch axiale Durchgänge 42 und die eine oder die andere Gruppe von Kanälen zu einer entsprechenden Gruppe von Bohrdüsen und Schneiddüsen geführt.
Da die Entkokungsfluiddrücke relativ hoch sein können (z.B. einige MPa), kann über jenen Abschnitten der Umlenkplatte 40, die zum Blockieren des Durchflusses zu den ungenutzten (und daher relativ drucklosen) Kanälen 22A, 22B verwendet werden, eine erhebliche Druckdifferenz gebildet werden. Obgleich das Vorspannelement 10 dazu vorgesehen sein kann, um ein Schalten während der drucklosen Betriebsphase zu bewerkstelligen, um Reibungskräfte zwischen diesen zu verringern, kann ein solcher Reibungskontakt dennoch vorliegen (zum Beispiel zwischen der unteren Fläche 46 der Umlenkplatte 40 und der benachbarten oberen Fläche 24 des Umlenkkörpers 20 des Entkokungswerkzeugs 200, in der die die Kanäle 22A, 22B definiert sind). Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um diese Reibungskräfte zu verringern, indem die Umlenkplatte 40 während Druckschwankungs- und/oder Spitzendruck-Bedingungen von der oberen Fläche 24 des Umlenkkörpers 20 weggehoben wird (z.B. wenn sich der auf die Umlenkplatte 40 aufgebrachte Druck von einem relativ hohen Zustand zu einem relativ niedrigen Zustand ändert, wenn sich der auf die Umlenkplatte 40 aufgebrachte Druck von einem relativ niedrigen Zustand zu einem relativ hohen Zustand ändert, wenn sich der auf die Umlenkplatte 40 aufgebrachte Druck in einem relativ hohen Zustand befindet, wenn sich der auf die Umlenkplatte 40 aufgebrachte Druck in einem relativ niedrigen Zustand befindet oder sich zu einem relativ niedrigen Zustand ändert, oder Kombinationen daraus).
Bezugnehmend in kollektiver Weise auf 2A-2C kann das Vorspannelement 10 in einer Ausführungsform eine oder mehrere axiale Federn 100 in Form von axial ausgerichteten Scheiben umfassen, die sich zwischen jeweiligen Oberflächen einer unteren Abdeckplatte 105 und einer Steuerstangenhülse 110 befinden und mit diesen in Berührung stehen. Die eine oder mehreren axialen Federn 100 können die Umlenkplatte 40 in einer abgehobenen Position relativ zu der Modusschaltvorrichtung 1 vorspannen. Beispielsweise, wie in 2B gezeigt, kann die Umlenkplatte 40 derart in eine abgehobene Position vorgespannt sein, dass ein axiales Spiel oder ein axialer Spalt G1 zwischen der oberen Fläche 24 des Umlenkkörpers 20 und der unteren Fläche 46 der Umlenkplatte 40 gebildet wird. Der Spalt G1 kann irgendein Abstand sein, der ausreicht, um den Umlenkkörper 20 räumlich von der Umlenkplatte 40 zu trennen, d.h. der Spalt G1 bringt den Umlenkkörper 20 und die Umlenkplatte 40 außer Berührung. Genauer gesagt, bewirken die axialen Hubfedern 100, dass die Größe des Spaltes G1 mit dem Strom und Druck des Entkokungsfluids kompatibel ist.
Um die Umlenkplatte 40 in eine abgehobene Position in Bezug auf den Umlenkkörper 20 zu bringen, kann die obere Fläche der Steuerstangenhülse 110 in axialer Berührung mit einer unteren Fläche einer Betätigungshülse 120 stehen, in der eine spiralförmige Nut 122 definiert ist. Ein Betätigungsstift (auch als Führungsstift bezeichnet) 125 kann innerhalb eines Betätigungsstiftträgers 130 derart gesichert sein, dass die im Allgemeinen lineare Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Betätigungsstiftes 125 - durch dessen Zusammenwirken mit der um die Rotationsachse R der Betätigungshülse 120 gebildeten spiralförmigen Nut 122 - die Betätigungshülse 120 mit einer Drehbewegung beaufschlagen kann. Ebenso bedeutsam ist, dass die Betätigungshülse 120 unter Verwendung eines Sperrklinkenmechanismus 147, der es der Hülse 120 ermöglicht, die Stange 30 selektiv zu drehen, mit der Steuerstange 30 zusammenwirkt. Somit ist die Hülse 120 zusammen mit der Steuerstange (d.h. Welle) 30 durch eine Sperrzahn-Sperrklinken-Anordnung in dem Sperrklinkenmechanismus 147 mit der Umlenkplatte 40 verbunden. Auf diese Weise drehen sich die Hülse 120, die Steuerstange 30 und die Umlenkplatte 40 als Reaktion auf einen Anstieg des Entkokungsfluiddrucks, mit dem die obere Fläche des Kolbens 140 beaufschlagt wird (was der im Allgemeinen nach unten gerichteten Bewegung des Betätigungsstiftes 125 und des Trägers 130 als Reaktion auf den Anstieg des Fluiddrucks entsprechen würde), gleichzeitig mit dem radial federvorgespannten selektiven Eingriff des Sperrklinkenmechanismus 147. Im Gegensatz dazu dreht sich nur die Hülse 120 als Reaktion auf eine Abnahme des angelegten Entkokungsfluiddrucks, da sich der Sperrklinkenmechanismus 147 von der Hülse 120 lösen würde, um eine taktende Drehung der Stange 30 und der Umlenkplatte 40 zu vermeiden. Dementsprechend erfolgt die Drehung der Stange 30 um eine solche Achse als Reaktion auf die axiale Abwärtsbewegung des Betätigungsstiftes 125, während dieser die spiralförmige Nut 122 durchläuft. Natürlich kann je nach der Ausrichtung der spiralförmigen Nut 122 in Verbindung mit dem Sperrklinkenmechanismus 147 dafür gesorgt werden, dass die gewünschte Drehrichtung der Betätigungshülse 120, Steuerstange 30 und Umlenkplatte 40 eine Richtung entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn ist. Indem in der vorliegenden Erfindung das Schalten vorzugsweise während einer Druckbeaufschlagung veranlasst wird, besteht ein bestimmter realisierbarer Vorteil darin, dass axiale Federn mit verringerter Steifigkeit verwendet werden können.
Der Eingriff des Sperrklinkenmechanismus 147 mit der Sperrklinke 124, die mit der Betätigungshülse 120 gekoppelt ist, um die Steuerstange 30 selektiv zu drehen, kann sicherstellen, dass die Drehkraft, mit der die Betätigungshülse 120 durch den Betätigungsstift 125 beaufschlagt wird, während des geeigneten Schritts aus dem Druckbeaufschlagungs- und Druckentlastungsschritt auf die Steuerstange 30 und die Umlenkplatte 40 übertragen wird. Demgemäß kann der Sperrklinkenmechanismus 147 als ein mit der Steuerstange 30 zusammenwirkender Positioniermechanismus wirken, um ein präzises Takten der Umlenkplatte 40 in die gewünschte Richtung sicherzustellen. Beispielsweise kann die Umlenkplatte 40 für eine Modusumstellvorrichtung 1 mit einem Paar von Kanälen (wie etwa den gezeigten Kanälen 22A, 22B) für jeden des Bohr- und des Schneidmodus in 90-Grad-Schritten getaktet sein.
Überdies (wie vorstehend in Verbindung mit der Ausrichtung der spiralförmigen Nuten 122 in der Betätigungshülse 120 erörtert) kann der Sperrklinkenmechanismus 147 ausgestaltet sein, um die Betätigungshülse 120 zu veranlassen, mit der Steuerstange 30 in Eingriff zu treten, wenn sich die Betätigungshülse in eine Richtung dreht, und nicht mit der Steuerstange 30 in Eingriff zu treten, wenn sich die Betätigungshülse in eine andere Richtung dreht. Demgemäß, wie oben erwähnt, kann der Sperrklinkenmechanismus 147 dahingehend wirken, dass er die Steuerstange 30 veranlasst, sich nur während eines Teils des Druckbeaufschlagungs-/Druckentlastungszyklus zu drehen. Konkret könnten die spiralförmigen Nuten 122 in Situationen, in denen es als bevorzugt erachtet wird, die Umlenkplatte 40 bei Druckbeaufschlagung zum Drehen zu bringen, in einer derartigen Ausrichtung (zum Beispiel so, dass sie eine rechtsgängige Spiralform definieren) in der Betätigungshülse 120 platziert werden, dass die Aufwärtsbewegung des Betätigungsstiftes 125, die mit der Druckentlasung des Fluids einhergeht, gegen eine obere Fläche der spiralförmigen Nut 122 drückt. Ebenso könnten die spiralförmigen Nuten 122, wenn es als bevorzugt erachtet würde, die Umlenkplatte 40 bei Druckentlastung zum Drehen zu bringen, so in der Betätigungshülse 120 platziert werden, dass sie eine linksgängige Spiralform definieren, so dass die Abwärtsbewegung des Betätigungsstiftes 125, die mit der Druckbeaufschlagung einhergeht, gegen eine untere Fläche der spiralförmigen Nut 122 drückt. Es versteht sich, dass - ungeachtet der Richtung der in der Betätigungshülse gebildeten spiralförmigen Nuten 122 - letztlich die Ausrichtung des Sperrklinkenmechanismus 147 bestimmt, wann die Drehung der Steuerstange 30 und Umlenkplatte 40 stattfindet, da der Eingriff von federbelasteten Sperrklinken (nicht gezeigt) mit entsprechenden Klinkenradzähnen (nicht gezeigt) des Sperrklinkenmechanismus 147 zum Zusammenwirken mit der einen oder der anderen der vorgenannten Aufwärts- und Abwärtsbewegungen, die mit einer Fluiddruckbeaufschlagung oder -druckentlastung einhergehen, gebracht werden kann. Ferner ist die Ausgestaltung der Betätigungshülse 120 mit spiralförmigen Nuten 122, die innerhalb der Betätigungshülse 120 als eine rechtsgängige Spiralform oder eine linksgängige Spiralform ausgerichtet sind, lediglich eine Frage der bevorzugten Gestaltung, die in Verbindung mit der Ausrichtung des Sperrklinkenmechanismus 147 zu wählen ist.
Wie vorstehend erörtert, mag es zu bevorzugen sein, die Umlenkplatte 40 bei Druckbeaufschlagung (und nicht bei Druckentlastung) zum Drehen zu bringen. Während für gewöhnlich ein solches auf eine Druckbeaufschlagung hin erfolgendes Schalten aufgrund der erhöhten Reibungskräfte zwischen den benachbarten Oberflächen, die relativ zueinander zum Drehen gebracht werden, erschwert werden mag, hilft die Einbeziehung der Anhebewirkung der axialen Federn 100 - wenn sie in Verbindung mit dem übrigen Schaltmechanismus 1 zum Erzeugen des vorgenannten Spalts G1 verwendet wird - nicht nur dabei, Verschleiß an der Umlenkplatte 40 zu vermeiden, sondern kann auch verwendet werden, um der Wirkung der Druckbeaufschlagung entgegenzusteuern, wodurch eine viel genauere Kontrolle über die Bewegung der Steuerstange 30 und Umlenkplatte 40 ermöglicht wird, was wiederum eine bessere Kontrolle über das Führen des Entkokungsfluids durch eine oder beide der Schneid- und Bohrdüsen bewirken kann. Somit kann ein Schalten während einer Druckbeaufschlagung vorteilhaft sein, da die Schaltfedern 135 (auch als Schalt-Vorspannelemente oder noch einfacher Vorspannelemente bezeichnet) keine extrem hohe Steifigkeit erfordern, wodurch die Kräfte auf den Betätigungsstiftträger 130 und den Betätigungsstift 125 verringert werden, was wiederum eine einfachere Gestaltung des Werkzeugs 200 ermöglicht.
Die eine oder mehreren Schaltfedern 135 des Vorspannelements 10 können benutzt werden, um sicherzustellen, dass sich der Betätigungsstiftträger 130 bei Druckumkehr nach oben bewegt. In einer Ausführungsform stehen die eine oder mehreren Schaltfedern 135 mit der unteren Abdeckplatte 105 und einem Kolben 140 in Eingriff. Der Kolben 140 kann derart mit dem Betätigungsstiftträger 130 in Eingriff stehen, dass sich der Kolben 140 und der Betätigungsstiftträger 130 gleichzeitig bewegen. Die eine oder mehreren Schaltfedern 135 können den Kolben 140 derart mit einer Kraft beaufschlagen, dass der Kolben 140 und der Betätigungsstiftträger 130 weg von der unteren Abdeckplatte 105 vorgespannt werden.
Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Umlenkplatte 40 vor dem Drehen der Umlenkplatte 40 in eine abgehobene Position bewegt werden, um den Spalt G1 zwischen der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20 zu erzeugen. Konkret kann ein Teil des Entkokungsfluids benutzt werden, um den Kolben 140 mit einer der einen oder den mehreren Schaltfedern 135 entgegenwirkenden Kraft zu beaufschlagen. Wenn die durch das Entkokungsfluid zugeführte Druckkraft größer ist als die Kraft, die durch die eine oder mehreren Schaltfedern 135 zugeführt wird, können die eine oder mehreren Schaltfedern 135 durch den Druck, mit dem der Kolben 140 durch das Entkokungsfluid beaufschlagt wird, komprimiert werden. Umgekehrt können die eine oder mehreren Schaltfedern 135 dekomprimiert werden, indem sie den Entkokungsfluiddruck überwinden, wenn die durch das Entkokungsfluid zugeführte Druckkraft geringer ist als die Kraft, die durch die eine oder mehreren Schaltfedern 135 zugeführt wird. Demgemäß lässt sich die Bewegung des Kolbens 140 und somit der Betätigungshülse 120 durch den Druck des Entkokungsfluids steuern, wobei das auf eine Druckbeaufschlagung hin erfolgende Schalten oder das auf eine Druckentlastung hin erfolgende Schalten sowie die Drehrichtung durch die Ausgestaltung des Sperrklinkenmechanismus 147 und der spiralförmigen Nute 122 vorgegeben werden, wie vorstehend erörtert.
Neben dem Bewirken einer selektiven Drehung der Steuerstange 30 kann die Betätigungshülse 120 (bei Aufnahme einer von dem Betätigungsstiftträger 130 stammenden abwärts gerichteten Kraft, welcher wiederum auf die abwärts gerichtete Kraft anspricht, mit der er durch den Kolben 140 auf eine ähnliche Weise, jedoch getrennt von jener beaufschlagt wird, mit der die Schaltfedern 135 beaufschlagt werden) ausgestaltet sein, um die axialen Federn 100 mit Kraft zu beaufschlagen. In einer Ausführungsform kann die Steuerstangenhülse 110 in axialer Berührung mit der Betätigungshülse 120 stehen. Die axialen Federn 100 können zwischen der unteren Abdeckplatte 105 und der Steuerstangenhülse 110 angeordnet sein. Demgemäß können die axialen Federn 100 zwischen der unteren Abdeckplatte 105 und der Steuerstangenhülse 110 komprimiert sein und diese mit Kraft beaufschlagen; diese Federn 100 geben vor, ob ein Spalt G1 zwischen der unteren Fläche der Umlenkplatte 40 und der benachbarten oberen Fläche des Umlenkkörpers 20 gebildet ist.
Die Steuerstange 30 kann ausgestaltet sein, um mit der Steuerstangenhülse 110 zusammenzuwirken. In einer Ausführungsform kann die Steuerstange 30 einen Kragenabschnitt 32 umfassen, der mit der Steuerstangenhülse 110 in Eingriff steht. Demgemäß können sich die Steuerstange 30 und die Steuerstangenhülse 110 gleichzeitig bewegen. Konkret können die axialen Federn 100 komprimiert werden und die Steuerstangenhülse 110 kann sich in Richtung der unteren Abdeckplatte 105 bewegen, wenn eine auf die Steuerstangenhülse 110 ausgeübte Kraft, die der Kraft entgegenwirkt, welche durch die axialen Federn 100 auf die Steuerstangenhülse 110 ausgeübt wird, zunimmt. Umgekehrt können die axialen Federn 100 entkomprimiert werden, was wiederum bewirkt, dass die Steuerstangenhülse 110 aufwärts, weg von der unteren Abdeckplatte 105, bewegt wird, wenn eine auf die Steuerstangenhülse 110 ausgeübte Kraft, die der Kraft entgegenwirkt, welche durch die axialen Federn 100 auf die Steuerstangenhülse 110 ausgeübt wird, abnimmt. In Ausführungsformen, in denen die Steuerstange 30 mit der Steuerstangenhülse 110 in Eingriff steht, kann die axiale Position der Steuerstange 30 und somit der Spalt G1 durch die axiale Position der Betätigungshülse 120 gesteuert werden.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Position der Betätigungshülse 120 durch die Stärke des ausgeübten Drucks, der durch das Entkokungsfluid zugeführt wird, gesteuert werden. Überdies können die axiale Position der Steuerstange 30 und die relative Größe des Spalts G1 in Ausführungsformen, in denen die Betätigungshülse 120 mit der Steuerstangenhülse 110 in Eingriff stehen kann, durch die Stärke des durch das Entkokungsfluid zugeführten Drucks gesteuert werden.
Die 2A-2C zeigen beispielhaft die Modusschaltvorrichtung 1 in einem relativ drucklosen Zustand. Konkret wird dem Kolben 140 von dem Entkokungsfluid ein relativ niedriger Druck in Abwärtsrichtung zugeführt, so dass eine aufwärts gerichtete Kraft der axialen Federn 100 diese in einem generell unkomprimierten Zustand belässt. Somit reicht die von der Schaltfeder (oder Federn) 135 zugeführte Federkraft aus, um den Kolben 140 in einer relativ hohen Position zu halten, d.h. relativ nahe an einer unteren Fläche des Umlenkkörpers 20. Zusätzlich befindet sich der Betätigungsstiftträger 130 an einer relativ hohen Position, so dass auf ihn eine geringe (oder keine) abwärts gerichtete Kraft durch die Betätigungshülse 120 ausgeübt wird. Somit besitzen die axialen Federn 100 - die in diesem Zustand relativ unbelastet sind - ausreichend Federkraft, um die Steuerstangenhülse 110 und die Betätigungshülse 120 nach oben in Richtung des Schaltkörpers 107 zu drängen. Überdies besitzen die axialen Federn 100 in dem relativ unkomprimierten Zustand genügend Federkraft, um die Steuerstange 30 in vertikaler Richtung zu drängen, um den (im Einzelnen in 2B gezeigten) Spalt G1 zwischen der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20 zu bilden.
Ebenso zeigen 3A-3C die Modusschaltvorrichtung 1 in einem moderat druckbeaufschlagten Zustand, in dem die axialen Federn 100 aus dem in 2A-2C gezeigten relativ unkomprimierten Zustand in einen Zustand übergehen, in dem sie durch Erhöhen des Drucks des Entkokungsfluids auf den Kolben 140 relativ komprimiert sind. Konkret kann der Kolben 140 nach unten gedrängt werden, was wiederum den Betätigungsstiftträger 130 nach unten drückt, während die Schaltfeder 135 komprimiert wird. Eine solche Abwärtsbewegung des Betätigungsstiftträgers 130 kann die Betätigungshülse 120 veranlassen, sich unter dem Einfluss des Betätigungsstiftes 125, welcher mit den Wänden der in der Betätigungshülse 120 gebildeten spiralförmigen Nut 122 zusammenwirkt, zu drehen. Die Steuerstange 30 kann während dieses Teils des Druckbeaufschlagungszyklus, d.h. wenn der Druck erhöht wird, gedreht werden. Beispielsweise kann der Sperrklinkenmechanismus 147 ausgestaltet sein, um mit der Sperrklinke 124 der Betätigungshülse 120 zu verrasten und die Steuerstange 30 zum Drehen zu veranlassen, während der Spalt G1 (der noch für kurze Zeit aus dem in 2A-2C oben gezeigten relativ unkomprimierten Zustand verbleibt) weiterhin die Umlenkplatte 40 und den Umlenkkörper 20 trennt. Demgemäß kann der Sperrklinkenmechanismus 147 ausgestaltet sein, um die Steuerstange zu veranlassen, sich unter einem Anstieg des Drucks mit der Betätigungshülse 120 zu drehen. In einigen Ausführungsformen kann die in der Betätigungshülse 120 gebildete spiralförmige Nut 122 ausgestaltet sein, um die Umlenkplatte 40 zu veranlassen, sich in im Wesentlichen gleichen Schritten zu drehen, wie beispielsweise in einer Ausführungsform um 90°.
Während die eine oder mehreren Schaltfedern 135 eine starke Vorspannung gegen den Betätigungsstiftträger 130 bereitstellen, um den Betätigungsstiftträger 130 und den Betätigungsstift 125 in ihrer obersten Position zu halten, sorgen die eine oder mehreren Schaltfedern 135 nicht direkt für das Abheben der Umlenkplatte 40 vor und/oder während der Drehung, die mit dem Modusschalten einhergeht. Wie vorstehend erörtert, können die axialen Federn 100 ausreichend Federkraft zuführen, um den Spalt G1 zu bilden, der die Umlenkplatte 40 und den Umlenkkörper 20 trennt. Überdies kann der Druck, bei dem das Schalten erfolgt, durch Verändern der Differenz der Federkonstanten der einen oder mehreren Schaltfedern 135 und der axialen Federn 100 eingestellt werden.
Bezugnehmend als Nächstes auf 7A und 7B in Verbindung mit den übrigen Zeichnungen wird ein Vergleich zwischen dem ölbasierten Dämpfungsansatz einer Schaltvorrichtung 301 aus dem Stand der Technik (zum Beispiel dem AutoShift™ aus aktueller Produktion, der dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört) und der vorliegenden Erfindung (welche die Verwendung von Öl zur Dämpfung vermeidet) aufgezeigt. Das Vorspannelement 310 ist auf eine generell ähnliche Weise wie jene von 1 an einen unteren Abschnitt eines Umlenkkörpers 320 montiert. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Vorrichtung aus dem Stand der Technik die Umlenkplatte 340 immer durch jeweilige obere und untere Berührungsflächen 346 und 324 mit dem Umlenkkörper 320 in Berührung steht. Wie nachstehend erörtert, helfen die resultierenden hohen Reibungskräfte dabei, sicherzustellen, dass das Schalten vorzugsweise nur während einer Druckentlastung erfolgt (wenn solche Kräfte signifikant verringert sind). 7A zeigt die Schaltvorrichtung 301 aus dem Stand der Technik in einem Zustand niedrigen Drucks; dies wird durch den Stiftträger 330 belegt, der den in dem Vorspannelement 310 gebildeten vertikal obersten Teil des Hohlraums (oder volumetrischen Bereichs R) einnimmt; in diesem Zustand befinden sich die Schaltfedern (d.h. Schaltvorspannelemente, Vorspannfedern oder dergleichen) 335 in einem relativ unkomprimierten Zustand. Öl (durch das gepunktete Muster gezeigt) füllt im Wesentlichen den volumetrischen Bereich R unterhalb des Stiftträgers 330 und den die Schaltfedern 135 umgebenden Raum. Die Menge Öl, die in dem Bereich R verwendet wird, ist größer als jene, die zum Schmieren der verschiedenen Bauteile des Vorspannelements 310 benötigt wird, um eine Dämpfungsfunktion (nachstehend beschrieben) zu erfüllen. Wie in der vorliegenden Erfindung, verfahren der Stift 325 und der Stiftträger 330 in einer vertikalen Aufwärts- und Abwärtsbewegung durch Zusammenwirken mit der spiralförmigen Betätigungshülse 380 und den Federn 335 als Reaktion auf Fluiddruckveränderungen, die auf den Kolben 370 aufgebracht werden.
Während einer Druckbeaufschlagung (d.h., wenn die Position des Stifts 325 und des Stiftträgers 330 von der obersten Position in 7A zu einer niedrigeren Position in 7B gelangt) wird die Kraft des erhöhten Fluiddrucks auf den Kolben 370 ausgeübt, der wiederum den Stiftträger 330 nach unten drückt, so dass die Schaltfedern 335 komprimiert werden. Die Beschaffenheit des Sperrklinkenmechanismus 347, sich in eine Richtung zu drehen, ist solcherart, dass auf den Druckbeaufschlagungsschritt und die damit verbundene Abwärtsbewegung des Stiftes 325 und Stiftträgers 330 der Sperrklinkenmechanismus 347 nicht zulässt, dass eine in der Hülse 380 vorliegende taktende Bewegung auf die Welle S übertragen wird, obgleich die Abwärtsbewegung des Stiftträgers 330 und des Stiftes 325 die Hülse 380 veranlasst, sich aufgrund des stiftaufnehmenden Pfades, der in ihrer spiralförmigen Nut 385 gebildet ist, zu drehen.
Somit dreht sich die Umlenkplatte 340 - die mit der Welle S in Drehzusammenwirkung steht - während einer Druckbeaufschlagung nicht, wodurch die Fluidverbindung zwischen den axialen Durchgängen 342 und den einen oder den anderen der Schneiddüsen 204A oder Bohrdüsen 204B unverändert belassen wird.
Während einer anschließenden Druckentlastung (d.h. weg von der Position von 7B und hin zu der Position von 7A) wollen die Federn 335 die Hülse 380 ausdehnen und drehen. Es sei darauf hingewiesen, dass in dem in 7B gezeigten Zustand die Schaltfedern 335 vollständig komprimiert sind und sich das Öl nun auf der Oberseite des Stiftträgers 330 innerhalb des Bereichs R befindet. Überdies erlaubt der Sperrklinkenbasierte Sperrklinkenmechanismus 347 einen Eingriff (d.h. mechanische Kopplung) zwischen der Umlenkplatte 340 (durch die obere und untere Welle S) und der Hülse 380. Nichtsdestotrotz sind in den frühesten Phasen der Druckentlastung die Reibungskräfte zwischen benachbarten Oberflächen 346 und 324 der Umlenkplatte 340 und des daran angrenzenden Umlenkkörpers 320 (aufgrund der Kräfte, die von dem druckbeaufschlagten Entkokungsfluid auf die Erstere aufgebracht werden) derart, dass eine Drehung der Hülse 380, Welle S und Umlenkplatte 340 noch nicht zugelassen wird. Infolgedessen verhindert das spiralförmige Zusammenwirken zwischen der Hülse 380 und dem Träger 330 sowie den Federn 335, dass sich die Gruppe aus diesen beiden Letzteren nach oben bewegt. Während der Druck von dem oben befindlichen Entkokungsfluid weiterhin abfällt, reicht die nach oben gerichtete Kraft der Federn 335 aus, um die Fluidkraft zu überwinden, wodurch die Verbindung und die zugehörige Oberflächenreibung zwischen der Umlenkplatte 340 und dem Umlenkkörper 320 gelockert wird; eine derartige Reibungsverringerung erlaubt eine relative Drehung zwischen der Umlenkplatte 340 und dem Umlenkkörper 320. Ferner sind die Federn 335, sobald sie sich zu dehnen beginnen, imstande, die Aufwärtsbewegung des Trägers 330 und die damit gekoppelte Drehung der Umlenkplatte 340 zu beschleunigen. Diese Beschleunigung wird durch das Vorhandensein von Öl auf der Oberseite des Trägers 330, welches die schnelle Aufwärtsbewegung des Trägers 330 dämpft, gesteuert; ohne eine solche Dämpfung neigt die angekoppelte Umlenkplatte 340 zum Überschalten, was wiederum zu einem Versatz zwischen den axialen Durchgängen 342 der Umlenkplatte 340 und den Strömungspfaden, die den Bohr- und Schneiddüsen in dem Umlenkkörper entsprechen, führt. Deshalb ist das Vorhandensein einer angemessenen Menge Öl in dem Kanister, der den Bereich R des Vorspannelements 310 bildet, wichtig, um ein genaues, konsistentes Schalten der Vorrichtung aus dem Stand der Technik von 7A und 7B sicherzustellen.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Vorrichtungen von 1 bis 6 ist die Gesamtwirkung der axialen Federn 100 auf das Abheben der Umlenkplatte 40 vor dem Drehen - in Verbindung mit dem automatisierten Schaltvorgang der Modusschaltvorrichtung 1 - derart, dass Reibung, die mit den Rotationskräften des Modusschaltens zusammenhängt, zwischen der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20 verringert wird. Dementsprechend wird Verschleiß, der andernfalls auftreten würde, wenn die Platten miteinander unter Druck in Berührung stehen, verringert. Ferner erlaubt eine solche verringerte Reibung die Realisierung der relativen Drehung zwischen den Platten mit weniger Kraft. Die verringerte Reibung kann auch eine flüssigere und genauere Drehung erleichtern, welche speziell in Ausgestaltungen hilfreich sein kann, in denen das Schalten auf eine Druckbeaufschlagung hin stattfindet (obwohl eine solche niedrigere Reibung auch in Ausgestaltungen des Schaltens im Anschluss an eine Druckentlastung hilfreich sein mag). Infolgedessen ist kein Öl zu Dämpfungszwecken erforderlich, was es dem Fluidstrahl-Entkokungswerkzeug ermöglicht, einen ölfreien (hierin auch bezeichnet als „schmiermittelfreien“) Betriebsmodus für eine solche Dämpfung zu nutzen. Dies kann die Konstruktion der Modusschaltvorrichtung 1 vereinfachen, indem die Art oder die Bedingungen des Zuführens von Öl oder eines ähnlichen Schmiermittels zwischen benachbarte Bauteilen, die sich relativ zueinander bewegen, abgeschafft oder verringert werden. Überdies entfällt selbst in Situationen, in denen Öl in dem Raumvolumen des Vorspannelement 10 um den Stift 125 und Träger 130 herum vorhanden sein mag, um eine ordnungsgemäße Schmierfunktion zu bewirken, das überschüssige Öl, das in den Vorrichtungen von 7A und 7B zum Dämpfen benötigt wird, wodurch der gesamte Betrieb des Vorspannelement 10 vereinfacht und die Notwendigkeit eines kostspieligen Schmiermittels verringert wird. Eine solche Ausgestaltung fördert einen ölfreien Betrieb, der mit der Vorrichtung aus dem Stand der Technik nicht möglich ist. Im vorliegenden Zusammenhang entspricht ein ölfreier Betriebsmodus der Möglichkeit, eine Werkzeugdämpfung ohne die Notwendigkeit eines Dämpfungsfluids wie etwa Öl zu erreichen; ein solcher Modus soll nicht implizieren, dass Öl für Schmierzwecke nicht erforderlich ist. Obgleich Öl nach wie vor erforderlich sein mag, um eine angemessene Schmierung von benachbarten Teilen zu fördern, die sich relativ zueinander bewegen, können somit die relevanten Teile eines Entkokungswerkzeugs, die für gewöhnlich Öl als ein Dämpfungsfluid erfordern mögen und die in Übereinstimmung mit der hierin offenbarten Erfindung ausgebildet sind, so vereinfacht werden, dass sie in Bezug auf solche Dämpfungsfluide ölfrei sind. Insbesondere haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass das Öl in existierenden Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugen regelmäßig (wobei die Häufigkeit vom Einsatzort abhängt) nachgefüllt („topped off“) werden muss, und dass eine wesentliche Ursache für den Ölverlust mit der Dämpfungsfunktion des Öls zusammenhängt. Dagegen beseitigen die Merkmale, die mit der in der vorliegenden Offenbarung erörterten Erfindung verbunden sind, dieses Erfordernis von Öl (und daher das „Topping-off“ von Öl oder ein ähnliches Nachfüllen) zu Dämpfungszwecken.
4A-4D zeigen, dass ein weiterer Druckanstieg dazu führt, dass der Kolben 140 und der Betätigungsstiftträger 130 einen erhöhten Druck auf die Betätigungshülse 120 derart ausüben, dass sich die Modusschaltvorrichtung 1 in einem völlig (oder stark) druckbeaufschlagten Zustand befindet, in dem der Druck groß genug ist, um die Betätigungshülse 120 abwärts in Richtung der Steuerstange 30 und der Steuerstangenhülse 110 zu drängen, während die Umlenkplatte 40 gleichzeitig auch die Steuerstange 30 gegen die Steuerstangenhülse 110 treibt. Demgemäß können die axialen Federn 100 komprimiert werden, wie schematisch in 4D gezeigt ist. Infolgedessen kann die Umlenkplatte 40 abwärts in Richtung des Umlenkkörpers 20 bewegt werden. In einer Ausführungsform können die untere Fläche 46 der Umlenkplatte 40 und die obere Fläche 24 des Umlenkkörpers 20 in Berührung gedrängt werden, wie schematisch in 4B gezeigt ist. Währenddessen kann ein anderer Spalt G2 zwischen der Betätigungshülse 120 und dem Schaltkörper 107 gebildet werden, wie schematisch in 4C gezeigt ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3A-3C können die axialen Federn 100, wenn der Druck abzunehmen beginnt, die Umlenkplatte 40 nach oben bewegen, um den Spalt G1 zu bilden (3B), während sie den Spalt G2 schließen, der sich über der Oberseite der Betätigungshülse 120 befand (4C). Ebenso können der Kolben 140, der Betätigungsstiftträger 130 und die Betätigungshülse 120 durch die axialen Federn 100 angehoben werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2A-2C veranlassen weitere Druckabsenkungen die Schaltfeder 135, den Betätigungsstiftträger 130 und den Kolben 140 nach oben zu drücken. Dies veranlasst wiederum die Betätigungshülse 120, sich (unter der Mitwirkung des Betätigungsstiftes 125 und der spiralförmigen Nut 122) in einer zu der Richtung R entgegengesetzten Richtung zu drehen. Der Sperrklinkenmechanismus 147, der sich zwischen der Steuerstange 30 und der Betätigungshülse 120 befindet, kann - dadurch, dass er während dieses Teils der Druckbeaufschlagungs-/Druckentlastungssequenz außer Eingriff gelangt - der Betätigungshülse 120 eine ungehinderte Drehung erlauben, ohne die Steuerstange 30 in Eingriff zu bringen. Demgemäß kann der Sperrklinkenmechanismus 147 ausgestaltet sein, um die Betätigungshülse 120 freizugeben, wenn sich die Betätigungshülse 120 während einer Druckabsenkung dreht.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuerstange 30 vorstehend zwar so beschrieben wird, dass sie sich während des Teils des Druckzyklus dreht, in dem der Druck zunimmt, und während des Teils des Druckzyklus unbeweglich bleibt, in dem der Druck abnimmt, doch kann die Steuerstange 30 während des Teils des Druckzyklus unbeweglich bleiben, in dem der Druck zunimmt, und sich während des Teils des Druckzyklus drehen, in dem der Druck abnimmt. Beispielsweise ist die Drehrichtung der Betätigungshülse 120 umkehrbar oder die Richtung des Sperrklinkenmechanismus 147 ist umkehrbar. Demgemäß kann die Umlenkplatte 40 während des Umschaltens zwischen Modi (z.B. Bohr- und Schneidmodus) in Bezug auf den Umlenkkörper 20 abgehoben werden, um Reibungskräfte zu verringern und gleichzeitig den mittleren Reparaturabstand (MTBR) des Entkokungswerkzeugs 200 und/oder der Modusschaltvorrichtung 1 zu verlängern.
Bezugnehmend auf 5 ist eine alternative Ausführungsform des Vorspannelements 210 schematisch gezeigt. Das Vorspannelement 210 kann eine untere Steuerstange 212 und eine obere Steuerstange 214 umfassen, die miteinander in Eingriff stehen und auf eine zu der Steuerstange 30 analoge Weise arbeiten (2A-4D). Konkret kann die untere Steuerstange 212 einen Sperrklinkenmechanismus 147 beinhalten, der mit einer Sperrklinke 124 der Betätigungshülse 120 zusammenwirkt, wie vorstehend beschrieben. Die obere Steuerstange 214 steht mit der Umlenkplatte 40 (in 5 nicht gezeigt) etwa über eine Verlängerungsstange in Eingriff. Demgemäß kann die Umlenkplatte 40 ausgestaltet sein, um durch die obere Steuerstange axial angehoben zu werden und sich um die Drehachse R zu drehen.
Das Vorspannelement 210 kann ferner eine oder mehrere axiale Federn 218 umfassen, die zwischen der unteren Steuerstange 212 und der oberen Steuerstange 214 angeordnet sind. Die durch die axialen Federn 218 aufgebrachte Federkraft kann derart ausgestaltet sein, dass die obere Steuerstange 214 bei Entkokungsfluiddrücken von kleiner oder gleich einem vorbestimmten Druck angehoben werden kann. Die obere Steuerstange 214 kann um einen Spalt G3 über ihre niedrigste Position gehoben werden, was wiederum den Spalt G1 (2B) veranlasst, die Umlenkplatte 40 von dem Umlenkkörper 20 zu trennen (2A). Demgemäß kann die Federkonstante der axialen Federn 218 so eingestellt werden, dass der Spalt G3 bei einem vorbestimmten Druck gebildet wird, der niedriger ist als der Druck, der zum Komprimieren der Schaltfeder 135 benötigt wird. Konkret kann der vorbestimmte Druck auf irgendeinen Entkokungsfluiddruck eingestellt werden, der niedriger ist als der Entkokungsfluiddruck, der zum Bewegen des Kolbens 140 aus seiner obersten Position erforderlich ist. Somit können die axialen Federn 218 derart ausgestaltet sein, dass der Spalt G1 (2B) vor und während jeglicher Drehbewegung der Umlenkplatte 40 existiert (2A).
Es sollte nun verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen benutzt werden können, um ein Schalten zwischen Schneid- und Bohrmodi in einem Entkokungswerkzeug, das in Verkokungstrommeln der Ölraffinerie verwendet wird, zu verbessern. Axiale Federn können in Verbindung mit einem Schaltvorspannelement eingesetzt werden, um zu erlauben, dass Reibungskräfte zwischen benachbarten Oberflächen einer Strömungsumlenkplatte und des Körpers des Entkokungswerkzeugs durch die Erzeugung geringer axialer Spalten vor irgendeiner Drehbewegung zwischen diesen verringert/eliminiert werden. Indem das Modusumschalten stattfinden darf, während die Umlenkplatte und der Umlenkkörper getrennt sind, können Reibungskräfte, die aufgrund der relativen Drehbewegung zwischen den benachbarten Oberflächen der Umlenkplatte und dem Bereich des Werkzeugs um die Bohr- und Schneiddurchgänge auftreten, verringert werden, wodurch der Betrieb vereinfacht wird. Demgemäß kann Verschleiß während des Modusumschaltens entweder während einer Druckentlastung oder einer Druckbeaufschlagung verringert werden, um die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern. Darüber hinaus umfassen die Vorzüge der hierin beschriebenen Ausführungsformen ein flüssigeres Schalten, eine kompaktere Anordnung, ein Schalten bei hohen Drücken, verringerte Betriebszeit und erhöhte Zuverlässigkeit. In einer Form kann der Druck des Wassers, das durch das Werkzeug hindurchtritt, zwischen etwa 10 MPa und 35 MPa (1500 Pounds pro Quadratinch (psi) und einem erhöhten von etwa 5000 psi) (oder darüber) betragen. In einer Form kann ein solcher erhöhter Druck zwischen etwa 28 MPa bis 42 MPa (4000 und 6000 psi) betragen.
Demgemäß können die hierin beschriebenen Ausführungsformen (mit axialen Federn 100) es der Modusschaltvorrichtung 1 erlauben, ein Schalten bei höheren Restdrücken durchzuführen. Dies erlaubt wiederum die Durchführung des Schaltens in kürzerer Zeit und bedeutet insbesondere, dass das Entkokungswerkzeug-Ventil (DCV) lediglich bis zu einer „Vorfüll“-Position und nicht bis zu einer „Umgehungs“-Position gelangen muss, und dass dadurch die Lebensdauer des DCV erhöht werden kann.
Bezugnehmend als Nächstes im Detail auf 6 in Verbindung mit 2A bis 4C verdeutlicht eine perspektivische Draufsicht auf die Modusschaltvorrichtung 1, wie die Umlenkplatte 40 mit dem Umlenkkörper 20 zusammenwirkt, um eine Hochdruckströmung selektiv der einen oder der anderen der Schneid- oder Bohrdüsen 204A, 204B durch jeweilige Strömungspfade 304A und 304B zuzuführen. Bezeichnenderweise sind die axialen Durchgänge 42 der Umlenkplatte 40 in zwei Gruppen von zwei diametral entgegengesetzten Löchern derart um die Drehachse der Modusschaltvorrichtung 1 angeordnet, dass eine Gruppe zu dem Strömungspfad 304A führt, der den Schneiddüsen entspricht, während die andere Gruppe zu dem Strömungspfad 304B führt, der den Bohrdüsen entspricht. Diese paarweise angeordneten Durchgänge 42 sind ausgestaltet, um mit den axialen Kanälen 22 an dem Umlenkkörper 20 zu fluchten, wobei durch die Lochplatten 48 zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt das Durchströmen einer der beiden Gruppen eingeschränkt werden kann. Die Umlenkplatte 40 stellt sicher, dass der richtigen Gruppe aus den Schneiddüsen 204A oder den Bohrdüsen 204B ein uneingeschränkter druckbeaufschlagter Strom zur Verfügung gestellt wird. In Situationen, in denen der Fluidstrom durch die Bohrdüsen 204B erfolgt, könnten somit die Schneiddüsen 204A - die in dieser Phase kein Wasser benötigen - während des Betriebs der Modusschaltvorrichtung 1 vorübergehend blockiert werden. Um jegliche Blockierung zu verhindern, werden den Schneiddüsen 204A (durch die Lochplatten 48) bei verringertem Druck geringe Strömungsmengen zur Verfügung gestellt.
BEISPIEL
Beispielhaft wird ein fiktiver Betriebsablauf im Zusammenhang mit der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der Modusschaltvorrichtung 1 näher erörtert. Die folgende Erörterung basiert darauf, dass die taktende Bewegung der Modusschaltvorrichtung 1 auf eine Druckbeaufschlagung hin stattfindet, wobei sich nach Ansicht der vorliegenden Erfinder - wie vorstehend erwähnt - eine präzisere Kontrolle der Bewegung der Umlenkplatte 40 relativ zu dem Umlenkkörper 20 erreichen lässt.
Während der normalen Betriebsbedingung der in 4A gezeigten Modusschaltvorrichtung 1 führt ein typischer erhöhter Betriebsdruck (zum Beispiel zwischen etwa 28 MPa und 42 MPa (4000 und 6000 psi)) nicht zu einem Spalt zwischen der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20. Sowohl der Betätigungsstiftträger 130 als auch der Kolben 140 befinden sich ganz unten. Die Schaltfedern 135 und die axialen Federn 100 sind völlig komprimiert, während die Umlenkplatte 40 unbeweglich bleibt (d.h. sich nicht dreht). Ein Entkokungsfluidstrom erfolgt ungehindert durch fluchtende offene Löcher in der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20 zu den Schneiddüsen 204A, während die Lochplatte 48 einen Entkokungsfluidstrom zu den Bohrdüsen 204B einschränkt.
Während eines abnehmenden Druckregimes fällt der Entkokungsfluiddruck von diesem erhöhten Druck auf einen eher mittleren Bereich ab. Wie vorstehend erörtert, bildet sich noch kein Spalt zwischen der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20, und die Umlenkplatte 40 bleibt unbeweglich. Der Strom erfolgt weiterhin relativ ungehindert durch die fluchtenden Öffnungen in der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20 zu den Schneiddüsen 204A, während die Lochplatten 48 einen Strom zu den Bohrdüsen 204B einschränken.
Während einer weiteren Abnahme des Druckregimes muss sich noch kein Spalt unter der Umlenkplatte 40 bilden, während der Betätigungsstiftträger 130 und der Kolben 140 ganz oben bleiben. Die Schaltfedern 135 sind völlig unkomprimiert, während die axialen Federn 100 komprimiert bleiben und die Umlenkplatte 40 unbeweglich bleibt. Der Entkokungsfluidstrom erfolgt weiterhin relativ ungehindert durch die Schneiddüsen 204A durch die fluchtenden Öffnungen, während die Lochplatte 48 einen Strom zu den Bohrdüsen 204B einschränkt.
Während einer zusätzlichen Abnahme des Druckregimes schnellt die Umlenkplatte 40 nach oben und führt dabei zur Bildung des Spalts G1 zwischen der Umlenkplatte 40 und dem Umlenkkörper 20. Der Betätigungsstiftträger 130 und der Kolben 140 befinden sich ganz oben, so dass die axialen Federn 100 dekomprimiert werden. Das Vorhandensein des Spalts G1 - sowie das Entfernen der Lochplatten 48 von den axialen Durchgängen 42 - stellt sicher, dass das Entkokungsfluid nicht nur zu den Schneiddüsen 204A, sondern auch zu den Bohrdüsen 204B fließt, da das druckbeaufschlagte Entkokungsfluid über einen Weg durch sämtliche der in der Umlenkplatte 40 gebildeten axialen Durchgänge 42 verfügt.
Während eines ansteigenden Druckregimes steigt der Entkokungsfluiddruck an, was dazu führt, dass der unter den im vorstehenden Absatz genannten Bedingungen gebildete Spalt G1 erhalten bleibt, während der Betätigungsstiftträger 130 und der Kolben 140 damit beginnen, sich nach unten zu bewegen. Die Kompression der Schaltfedern 135 beginnt (obwohl die axialen Federn 100 unkomprimiert bleiben), während sich die Umlenkplatte 40 unter dem kombinierten Einfluss der Steuerstange 30, des Betätigungsstiftes 125 und des Sperrklinkenmechanismus 147 auf die Nuten 122 und den Betätigungsstiftträger 130 zu drehen beginnt. Der Entkokungsfluidfluss verläuft sowohl zu den Schneid- als auch den Bohrdüsen 204A, 204B.
Während eines weiteren Anstiegs des Entkokungsfluiddruckregimes (zum Beispiel auf etwa 7 MPa und 42 MPa (1000 bis 6000 psi)) bleibt der unter der Umlenkplatte 40 vorhandene Spalt G1 erhalten, während sich der Betätigungsstiftträger 130 und der Kolben 140 an ihre unterste Position bewegt haben; in einer Form kann sich dies auf eine lineare Gesamtbewegung von etwa 19 mm (0,75 Inch) beziehen. Die Schaltfedern 135 werden komprimiert, während die Umlenkplatte ihre 90°-Drehung durchführt. Der Betätigungsstiftträger 130 steht durch die Betätigungshülse 120 derart mit der Steuerstangenhülse 110 in Berührung, dass sie zusammenwirken, um mit dem Komprimieren der axialen Federn 100 zu beginnen, die sich unterhalb der Steuerstangenhülse 110 befinden. Der Entkokungsfluidstrom verläuft weiterhin sowohl durch die Schneid- als auch die Bohrdüsen 204A, 204B.
Während eines zusätzlichen Anstiegs des Druckregimes (zum Beispiel auf etwa 14 MPa (2000 psi)) verschwindet der vormalige Spalt G1, während sowohl der Betätigungsstiftträger 130 als auch der Kolben 140 in ihrer untersten Position innerhalb des Werkzeuggehäuses aufsitzen. Die Schaltfedern 135 und die axialen Federn 100 sind ebenfalls vollständig komprimiert, während die Umlenkplatte 40 unbeweglich bleibt. Demzufolge ist jegliche Drehung der Umlenkplatte 40 relativ zu dem Umlenkkörper 20 erfolgt, während der Spalt G1 immer noch vorhanden war, wodurch jeglicher Verschleiß an den gegenüberliegend benachbarten Oberflächen 24 und 46 des jeweiligen aus Umlenkkörper 20 und Umlenkplatte 40 vermieden wird. Entkokungsfluid fließt ungehindert durch die fluchtenden offenen Löcher zu den Bohrdüsen 204B. Die Lochplatten 48 schränken den Strom des Entkokungsfluids zu den Schneiddüsen 204A ein.
Während des letzten Anstiegs des Druckregimes steigt der Entkokungsfluiddruck auf einen erhöhten Druck (wie zwischen etwa 28 MPa bis 42 MPa (4000 und 6000 psi)) an, wobei damit keine Veränderung des Zustands der Federn 135, 100 oder der Umlenkplatte 40 sowie des Stroms von Entkokungsfluid zu den Bohrdüsen 204B oder der Einschränkung des Stroms zu den Schneiddüsen 204A einhergeht.
Somit ist in einem bevorzugten Ansatz (bei dem das Schalten zwischen den Schneiddüsen 204A und den Bohrdüsen 204B auf eine Druckbeaufschlagung der Modusschaltvorrichtung 1 hin stattfinden kann) der Schmiermittelströmungspfad oder das Schmiermittelreservoir, der/das in einem Bereich des Vorspannelements 10 gebildet ist, welcher eine Relativbewegung des Betätigungsstiftes 125 und Betätigungsstiftträgers 130 erlaubt, derart ausgestaltet, dass sich ein überwiegender Teil eines darin befindlichen Öls oder ähnlichen Schmierfluids nicht in jenem Abschnitt des Bereichs befindet, der über dem Träger 30 liegt. Wie oben erwähnt, gilt eine solche Ausgestaltung im Rahmen der vorliegenden Erfindung als ölfrei, da damit die Notwendigkeit überschüssiger Öle für Dämpfungsfunktionen sowie andere von Schmierfunktionen verschiedene Funktionen vermieden wird. Da die Drehbewegung der Umlenkplatte 40 stattfindet, während der Spalt G1 noch vorhanden ist (unter Vermeidung von Oberflächenreibungskräften), lassen sich Versatzprobleme vermeiden, ohne auf das Vorhandensein eines Reservoirs angewiesen zu sein, das ein Dämpfungsfluid und ein ähnliches Fluid enthält und das in Verbindung mit den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik erwähnt wurde.

Claims

Verfahren zum Schalten eines Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) zwischen einem Bohrbetriebsmodus und einem Schneidbetriebsmodus mit folgenden Schritten: Ausgestalten des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200), so dass es umfasst: einen Einlass (42) zum Aufnehmen von unter Druck stehendem Entkokungsfluid; eine Mehrzahl von Auslässen (304A, 304B), die mit mindestens einer Bohrdüse (204B) und mindestens eine Schneiddüse (204A) verbunden sind, so dass mindestens eine davon mit dem Einlass (42) in Fluidverbindung steht; eine Modusschaltvorrichtung (1), die ausgestaltet ist, um das Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) zwischen dem Bohr- und Schneidmodus durch ein drehbares Ventil (40) einzustellen, welches ausgestaltet ist, um das unter Druck stehende Entkokungsfluid entweder zu der mindestens einen Bohrdüse (204B) oder der mindestens einen Schneiddüse (204A) zu leiten; und einen Schmiermittelströmungspfad, der ausgestaltet ist, um Schmierfluid zwischen benachbarten Abschnitten des drehbaren Ventils (40) und des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) bereitzustellen; strömungsmäßiges Koppeln des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) mit einer Quelle des unter Druck stehenden Entkokungsfluids; und Einstellen der Modusschaltvorrichtung (1) durch selektives Drehen und axiales Verschieben des Ventils (40) derart, dass eine Werkzeugeingriffsoberfläche (46) des Ventils (40) vorübergehend von einer benachbarten, sich nicht drehenden Oberfläche (24) als Reaktion auf eine Druckveränderung des unter Druck stehenden Entkokungsfluids abgehoben wird, um während mindestens eines Zeitabschnitts vor einer Drehbewegung des Ventils (40) einen reibungsvermindernden axialen Spalt (G1) zwischen der Werkzeugeingriffsoberfläche (46) und der sich nicht drehenden Oberfläche (24) herbeizuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmierfluid Öl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zufuhr des Öls zum Schmieren im Wesentlichen unvermindert bleibt, obgleich seine Zufuhr zur Dämpfung zwischen dem drehbaren Ventil (40) und einer Oberfläche (24) des Fluidstrahl-Entkokungswerkzeugs (200) im Wesentlichen entfällt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das axiale Verschieben des drehbaren Ventils (40) das Aktivieren eines federbasierten Vorspannelements (10) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das federbasierte Vorspannelement (10) das drehbare Ventil (40) durch eine drehbare Steuerstange (30) hebt, die dazwischen gekoppelt ist und damit axial ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Drehen das Verhindern einer Drehung während einer Druckentlastbewegung des Schaltmechanismus (1) und das Erleichtern einer Drehung während mindestens eines Teils einer Druckbeaufschlagbewegung des Schaltmechanismus (1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schmiermittelströmungspfad in einem Bereich der Vorspannvorrichtung (10) gebildet ist, der eine Relativbewegung mindestens eines aus einem Betätigungsstift (125) und Betätigungsstiftträger (130), welche den Schaltmechanismus (1) bilden, erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend das Anordnen von Schmierfluid in dem Schmiermittelströmungspfad, so dass sich ein überwiegender Teil des Schmierfluids nicht in einem Abschnitt des Bereichs befindet, der als ein Dämpfungsbereich zwischen dem mindestens einen aus einem Betätigungsstift (125) und Betätigungsstiftträger (130) während einer Druckentlastbewegung des mindestens einen aus einem Betätigungsstift (125) und Betätigungsstiftträger (130) wirken wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das axiale Verschieben und der reibungsvermindernde axiale Spalt (G1) durch mindestens eine axiale Feder (100) erzeugt werden, die mit einem Betätigungshülse (120) zusammenwirkt, welche spiralförmig mit dem Betätigungsstift (125) und/oder dem Betätigungsstiftträger (130) zusammenwirkt.