DE19949130A1 - Stufenhochdruckdichtung - Google Patents

Abstract

Die Abdichtung von Plungerpumpen vor allem bei hohen Drücken wird vorteilhafterweise dadurch bewerkstelligt, daß die Dichtung - sei es eine Packungs- oder Spaltdichtung - in Abschnitte aufgeteilt wird, wobei nach jedem Abschnitt der Zwischendruck geregelt bzw. gesteuert wird - z. B. über Überdruckventile - so daß der Druckabbau innerhalb der Dichtung (insgesamt betrachtet) in optimale Stufen eingeteilt werden kann. DOLLAR A Die optimale Aufteilung ist bei hohen Drücken - vor allem über 2000 bar - vorzugsweise etwa gleich. Bei Verschmutzungsgefahr und Einsatz einer Spaltdichtung erlauben gesteuerte Zwischendrücke zudem, daß mittels eines Puffers vor der letzten Stufe ein Rückströmen der Lackage beim Saughub (durch eine Spaltdichtung) - mittels des Zwischendrucks - in den Raum vor dem Plunger erreicht wird, wobei dieser Raum durch einen Zwischenkolben vom Arbeitsraum getrennt ist. Dieser Zwischenkolben kann bei einer ansonsten einstufigen Dichtung ober bei einer neuerdings ohnehin mehrstufigen Dichtung eingesetzt werden.

Description

1. Stand der Technik

Üblich sind Dichtungen für Hochdruckplungerpumpen als Packungs­ dichtungen, wobei mehrere Dichtringe hintereinander eingebaut sind und alternativ dazu Spaltdichtungen, wobei der Spalt zwischen Plunger und Gehäuse als Dichtung dient (innen beaufschlagte Dichtung) oder alternativ dazu eine außen beaufschlagte Dichtung, bei der der Spalt zwischen Plunger und einer sogenannten Kreisschale als Dichtung dient, wobei die Kreisschale außen mit dem Druck im Arbeitsraum beaufschlagt ist.

Bei Abdichtung mittels Packungen erfolgt der Druckabbau vorzugsweise in den letzten - d. h. auf einer Seite drucklosen - Dichtungsringen, die übrigen sind von geringer Bedeutung. Dementsprechend erhöht sich die Dichtfähigkeit nur geringfügig, wenn, um höhere Drücke zu beherrschen, die Zahl der Dichtringe erhöht wird.

Bei Abdichtungen mittels Spaltdichtung muß bei hohen Drücken ein langer und trotzdem enger Spalt im µ-Bereich vorliegen, der nur mit großem Aufwand hergestellt werden kann, vor allem, weil übliche Fertigungstoleranzen in der Größenordnung des Dichtungsspaltes liegen. Hinzu kommt, daß bei der innen beaufschlagten Dichtung der Spalt durch den im Spalt herrschenden Druck derart aufgeweitet wird, daß die Leckage in die Größenordnung des Förderstromes kommt, auch wenn das Gehäuse unendlich dick gestaltet wird.

Bei der außen beaufschlagten Dichtung wird der Spalt zwar mit dem Aufbau des Drucks im Arbeitsraum kleiner, so daß nach dem Druckaufbau die Leckage gering ist, jedoch muß der Spalt im drucklosen Zustand - damit er nach dem Druckaufbau nicht zu null wird - so groß gewählt werden, daß infolge der daraus resultierenden großen Anfangsleckage der Druckaufbau erst verspätet bzw. überhaupt nicht erfolgt.

Problematisch sind Spaltdichtungen auch bei nicht so hohen Drücken (unter 2000 bar), wenn das Fluid verschmutzt ist. Es wird neben Korrosion und Verstopfung die Zentrierwirkung gestört.

2. Beschreibung 2.1 allgemein

Erfindungsgemäß wird die Dichtung (Stopfbuchspackungen oder Spaltdichtungen) in mehrere Abschnitte aufgeteilt und der Druck bzw. Durchfluß zwischen den Abschnitten durch geeignete (unten beispielhaft beschriebene) Einrichtungen bzw. Vorkehrungen - z. B. Überdruckventile - gesteuert bzw. geregelt. Auf diese Weise können die in Abschnitte 1 (Stand der Technik) beschriebenen Nachteile beseitigt werden, nämlich:

• - Bei einer Packungsdichtung dichten nicht mehr überwiegend die letzten Dichtringe. Diese sind dadurch nicht mehr überfordert.
• - Bei einer Spaltdichtung sind die einzelnen Abschnitte nicht mehr so lang, und können genauer hergestellt werden. Die einzelnen Abschnitte können verschiedenes Nennmaß haben, so daß das oben (unter Stand der Technik) beschriebene Problem, daß sich der Druck im Arbeitsraum nicht - oder nur verzögert - aufbaut, vermieden wird.

In Frage kommt vorteilhafterweise auch die Kombination von Stopfbuchs- und Spaltdichtung, insbesondere, wenn der Hochdruckteil als Spaltdichtung und der Niederdruckteil als Packungsdichtung ausgeführt wird.

Bei dieser Kombination kann mit Sicherheit eine funktionstüchtige Dichtung erreicht werden, denn bei dem Spaltdichtungsteil ist im wesentlichen (bei einer außenbeaufschlagten Dichtung völlig) nur der Differenzdruck maßgebend, und der Stopfbuchsteil ist mit Sicherheit haltbarer, da er nur mit dem Teildruck (zwischen Spalt- und Stopfbuchsdichtung) beaufschlagt wird.

Geht es nur darum, die Dichtung haltbar zu gestalten, ist es von Vorteil, jeden Dichtungsteil einem etwa gleich großen Differenzdruck auszusetzen - vorteilhafterweise den druckseitigen Teil aber einem etwas kleineren.

Der Zwischendruck zwischen den Packungen kann auch anstelle - oder zusätzlich zu einem Überdruckventil - durch einen Puffer gesteuert werden, der auf den gewünschten Druck vorgespannt ist.

Um zu vermeiden, daß ein Dichtungsabschnitt beim Saughub vom Zwischendruck in entgegengesetzter Richtung beaufschlagt wird, ist es vorteilhaft, den Zwischendruck mittels eines in den Arbeitsraum mündenden Rückschlagventils beim Saughub abzubauen.

Durch so ein Rückschlagventil zwischen dem Raum zwischen den Dichtungsteilabschnitten und dem Arbeitsraum wird sichergestellt, daß beim Saughub der Druck in dem Raum zwischen den Dichtungsabschnitten nicht höher ist als der Druck im Arbeitsraum, damit die Dichtung nicht in die entgegengesetzte Richtung wie beim Druckhub durchströmt wird, was sich auf die Lebensdauer der Dichtung negativ auswirken kann und überdies die übliche Fixierung der Dichtung (damit sie nicht in den Arbeitsraum eindringt) mittels einer Feder mit geringer Kraft nicht zuläßt.

Wird eine Spaltdichtung im Hochdruckteil eingesetzt, und es besteht Verschmutzungsgefahr, kann vorteilhafterweise der Spaltdichtung auf der Druckseite eine Packungsdichtung vorgeschaltet werden.

Um zu verhindern, daß diese vorgeschaltete Dichtung den gesamten Druck als Differenzdruck ertragen muß, weil ihre Leckage vernachlässigbar klein ist, im Vergleich zur Leckage der Spaltdichtung, wird diese vorgeschaltete Packungsdichtung - relativ zur Buchse - beweglich ausgeführt, und stützt sich z. B. über eine Feder (mit Anschlag) an der Buchse oder am Plunger ab. Auf diese Weise entsteht ein Volumen zwischen der vorgeschalteten Dichtung, das sich beim Druckhub infolge der Leckage in der Spaltdichtung zwar verkleinert, aber beim Saughub wieder vergrößert, weil beim Saughub der Spalt in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden kann (durch eine derartige Steuerung bzw. Regelung des Drucks nach der Spaltdichtung, daß dieser nicht völlig abfällt, z. B. mittels des oben erwähnten Puffers, der mit dem Raum zwischen den Dichtungen verbunden ist, wie unten beispielhaft beschrieben) oder durch ein Rückschlagventil in diesem Zwischenraum, gespeist von einem Raum, der etwas über dem Saugdruck beaufschlagt ist.

Die Leckage in der vorgeschalteten Dichtung kann entweder durch eine Ladepumpe ausgeglichen werden oder durch einen zur vorgeschalteten Dichtung parallel wirkenden Filter, durch den - wenn die Dichtung auf einen Anschlag am Kolben gefahren ist - genau soviel durchgedrückt wird, wie die Leckage ausmacht. Dies hat gegenüber einer konventionellen Filterung den Vorteil, daß nicht der gesamte Förderstrom gefiltert werden muß, sondern nur die geringe Leckage durch die vorgeschaltete Dichtung. Außerdem ist der Differenzdruck am Filter höher, so daß auch aus diesem Grund eine nur kleine Filterfläche ausreicht. Überdies wird dieser Filter durch den in der entgegengesetzten Richtung am Filter wirkenden Differenzdruck beim Saughub gespült.

Der Einsatz des beschriebenen Zwischenkolbens ist auch bei Drücken unter 2000 bar, wenn eine einstufige Spaltdichtung eingesetzt wird, von Vorteil. Die Aufteilung kann dabei in ungleiche Druckstufen erfolgen, nämlich:

• - Der Druckunterschied am Zwischenkolben ist gering, außer, wenn wie oben beschrieben, das Filter in Funktion tritt.
• - Nach der Spaltdichtung wird eine Dichtung (ein verstärkter Abstreifring) eingesetzt, die den Druck davor soweit über dem Saug- bzw. Umgebungsdruck aushält, daß aus dem Raum vor diesem verstärkten Abstreifring beim Saughub Fluid in den Raum unter den Zwischenkolben zurückströmt. Dieser Druck kann durch den Einsatz des oben beschriebenen Überdruckventils erreicht werden.

2.2 Beschreibung spezieller konstruktiver Ausführungen 2.2.1

Fig. 1 zeigt eine Ausführung mit zweistufiger Abdichtung, wobei die druckseitige Stufe eine außenbeaufschlagte Spaltdichtung ist und die zweite eine Packungsdichtung. Der Arbeitsraum 1 ist mit dem Raum außerhalb der Kreisschale 2 und der Abflußseite des Rückschlagventils - bestehend aus Kugel 3 und Feder 4 - verbunden. Über dieses Rückschlagventil wird beim Saughub - wenn der Plunger 13 über den Kreuzkopf 14, das Pleuel 15 und die Kurbelwelle 16 nach unten bewegt wird - zunächst der Puffer 5 entladen, ehe aus der Saugleitung über das Einlaßventil 6 angesaugt wird. Damit ist beim Saughub auch der Druck über der Packung 7, gleich dem Saugdruck (weil die Bohrung 9 im Distanzring 8 den Puffer 5 mit dem Spalt über der Packung 7 verbindet).

Die Feder 10 und das Distanzstück 11 haben lediglich die Aufgabe, beim Saughub zu verhindern, daß die Kreisschale 2 von ihrem Sitz auf dem Druckstück 12 abhebt und daß die Packung 7 über das Druckstück 12 und den Distanzring 8 unter Vorspannung steht.

Beim Druckhub (wenn der Plunger 13 nach oben bewegt wird) schließt zunächst das Einlaßventil 6 und das Rückschlagventil 3/4, dann baut sich - ehe das Auslaßventil 25 öffnet - im Arbeitsraum 1 der Druck auf, der die Kreisschale 2 gegen das Druckstück 12 drückt, so daß verhindert wird, daß der Druck im Arbeitsraum durch die Trennfläche zwischen Kreis­ schale 2 und Druckstück 12 auf die Niederdruckseite des Spaltes und damit auch die Druckseite der Packung gelangt. Dasselbe verhindert die Dichtung 26. Diese dichtet sowohl den Distanzring 8 gegen das Druck­ stück 12 als auch gegen den Zwischenring 16. Ist dieser in dem Außenteil 17 eingeschrumpft, kann der Druck im Arbeitsraum auch nicht über den Spalt zwischen dem Außenteil 17 und dem Zwischenring 16 entweichen. Ist die Buchse 18 ebenfalls in das Außenteil 17 eingeschrumpft - was überdies einen Frettageeffekt bezüglich der Festigkeit ergibt - so kann der Druck auch durch den Spalt zwischen diesen beiden Teilen nicht ent­ weichen.

Zwischen der Kreisschale 2 und der Packung 7 baut sich - infolge der Leckage an der Spaltdichtung ein Zwischendruck auf. Dieser wird mittels der Packung 7 und eine Schrumpfverbindung zwischen dem Distanzrohr 19 und dem Außenrohr 17 zur Drucklosseite hin abgedichtet. Das Innenrohr 20 ist über in Skizze 1 nicht gezeichnete Zuganker mit dem Ventilkörper 21 verbunden und kann damit die Kraft, die auf die Packung 7 wirkt, aufnehmen (wie bei Skizze 3).

Der Zwischendruck gelangt über die Bohrung 9 zum Puffer 5, so daß dieser, indem er aufgeladen wird, die Leckage der Spaltdichtung aufnimmt.

Der Puffer ist auf den gewünschten Zwischendruck - z. B. den halben Arbeitsdruck - vorgespannt. Ist das Fassungsvermögen des Puffers über­ schritten, hebt die Kugel 21 von ihrem Sitz im Distanzrohr 19 gegen die Kraft der Feder 22 ab, so daß der gewünschte Zwischendruck nicht überschritten wird. Der Anschlag 23 begrenzt den Hub der Kugel 21, so daß diese beim unteren Umkehrpunkt des Plungers mit nur geringer Verzögerung wieder schließt.

Der Puffer 5 dient lediglich dazu, den Volumenstrom durch das Ventil 21/22/19 zu reduzieren, so daß dieses Ventil mit einer geringen Öffnung (und geringerer Kavitation) ausgeführt werden kann.

Nach dem Druckaufbau im Arbeitsraum wird das Fluid über die Auslaßbohrung 24 und das Auslaßventil 25 ausgeschoben.

2.2.2

Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der nicht nur die zweite, sondern auch die erste Stufe der Dichtung als Packung ausgeführt ist.

Im Vergleich zu Skizze 1 ist das Druckstück 12 und der Dichtring 26 in Skizze 1 durch die (zweite) Packung 27 in Fig. 2 und die Kreisschale 2 in Skizze 1 durch den Federhalter 28 in Fig. 2 ersetzt. Alle übrigen Teile sind wie bei Fig. 1 und haben auch dieselbe Funktion. Der Puffer 5 in Skizze 1 ist hierbei nicht notwendig.

2.2.3

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit mehreren hintereinandergeschalteten Kreisschalen als Dichtung. Im Vergleich zu der Ausführung nach Skizze 1 ist vor die dortige Pos. 7 in Fig. 1 der Abstützring 29, die zweite Kreis­ schale 30 und der zweite Stützring 31 angeordnet (je in Fig. 2). Die übrigen Positionen und ihre Funktion sind wie bei der Ausführung nach Fig. 1. Allerdings kann hierbei, ebenso wie bei der Ausführung nach Fig. 2, der Puffer 5 in Fig. 1 entfallen.

Der Grund dafür ist bei 2.2.2 und 2.2.3 der Umstand, daß die Leckage durch die zweite Dichtung etwa so groß ist wie diejenige durch die erste. Die Dichtung 7 dient hier nur als Abstreifring, der keinem Differenzdruck ausgesetzt ist und lediglich verhindert, daß Fluid zum Kreuzkopf hin (in die sogenannte Laterne) austritt.

Die Kreisschalen können auch als Saugventile funktionieren, weil sie beim Saughub von ihrem Sitz abheben. In diesem Fall erübrigt sich ein Rückschlagventil, das den Raum zwischen den Dichtungen mit dem Arbeitsraum verbindet, und es erübrigt sich die Auslaßbohrung 24 und das Auslaßventil 25, ebenso Rückschlagventil 3/4.

2.2.4

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, die derjenigen nach Skizze 1 entspricht, nur daß zwischen Plunger 13 und Ventilkörper 21 eine zwischen der Feder 10 und einer weiteren Feder 32 eingespannte Einheit - bestehend aus einer weiteren Stopfbuchse 33, einem Filter 34 und der Halterung 35 (für beide) vorgesehen ist.

Diese Einheit trennt den Arbeitsraum von dem Raum um die Kreisschale, so daß diese nicht mit verschmutztem Fluid in Kontakt kommt.

Beim Druckhub bewegt sich diese Einheit entsprechend der Leckage in der Spaltdichtung nach unten. Die treibende Kraft ist dabei die Kraft entsprechend dem Druckabfall an der Dichtung 33 bzw. dem Filter 35 und die Kraft der Feder 32 gegen die Kraft der Feder 10.

Die Leckage der Spaltdichtung sammelt sich im Puffer 5, aus dem sie beim Saughub wieder zurückströmt in den Raum zwischen der Einheit 33/34/35 und dem Plunger bzw. der Kreisschale. Der Druck im Puffer 5 bewegt dabei die Einheit 33/34/35 nach oben.

Geht beim Druckhub Leckage "verloren", weil das Überdruckventil 21/22/23 anspricht, oder/und weil die Packung 7 Leckage aufweist, gelangt die Einheit 33/34/35 nach dem Saughub nicht mehr in die Position vor Beginn des Druckhubs. Das eingeschlossene Volumen unter der Einheit 33/34/35 ist deshalb nicht mehr ausreichend, um die Leckage beim folgenden Druckhub zur Verfügung zu stellen. Der Plunger 13 drückt deshalb gegen Ende des Druckhubs (über Zapfen 36) die Einheit 33/34/35 nach oben, und es wird Fluid durch den Filter gepreßt, weil der Druck im Arbeitsraum (gleich dem Arbeitsdruck) größer ist als der infolge der Leckage im Spalt abnehmende Druck unter der Einheit.

Claims (12)

1. Dichtung zwischen Plunger und Gehäuse bzw. Buchse zur Ab­ dichtung des Arbeitsraums einer Plungerpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung, sei sie eine Spalt­ dichtung oder eine Packungsdichtung, in mehrere Abschnitte auf­ geteilt ist und der Zwischendruck zwischen zwei Abschnitten - z. B. durch ein Überdruckventil - geregelt oder gesteuert wird.

2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) erste(n) Abschnitt(e) Spalt­ dichtungen und der (die) weitere(n) Packungsdichtungen ist (sind).

3. Stufendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung in Packungs­ dichtungen aufgeteilt ist.

4. Stufendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung in Spaltdichtungen aufgeteilt ist.

5. Stufendichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Arbeitsraum - in den Ein- und Auslaßventil münden - und dem Raum, in den der Plunger taucht, ein Zwischenkolben, zwischen Federn verspannt, angeordnet ist, der diese beiden Räume mittels einer Berührungs­ dichtung, z. B. Packungsdichtung, trennt und daß der Raum, in den der Plunger taucht, über ein Rückschlagventil mit Fluid aus der Umgebung, bzw. aus einem Leckageauffangbehältnis verbun­ den ist.

6. Stufendichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in 5. erwähnte Zwischenkolben einen Filter beinhaltet, der die beiden in 5. erwähnten Räume trennt.

7. Stufendichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in 5. erwähnte Zwischenkolben am oberen Totpunkt des Plungers in eine Endposition gedrückt wird, und zwar mittels eines Anschlags am Plunger (formschlüssig) oder einer starken Feder, z. B. Tellerfeder (kraftschlüssig).

8. Stufendichtung nach Anspruch 5 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Plunger eine Stufe aufweist und die Ringfläche von den beiden in 5. erwähnten Räumen vom plungerseitigen und die Stirnfläche der Plunger vom ventilseitigen Raum beaufschlagt wird.

9. Stufendichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Dichtungen über ein Druckbegrenzungsventil mit der Umgebung oder dem Arbeitsraum - bei 5., 6., 7., 8. mit dem den Ventilen abgewandten Raum, d. h., dem Raum unter dem Zwischenkolben - verbunden ist.

10. Stufendichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Zwischenraum (-räume) zwischen den Dichtungsabschnitten über ein Rückschlagventil mit dem Arbeitsraum verbunden ist (sind) - bei 5., 6., 7., 8. mit dem den Ventilen abgewandten Raum, d. h., dem Raum unter dem Zwischenkolben.

11. Stufendichtung nach Anspruch 2 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10, in Verbindung mit 2 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Zwischenraum (-räume) zwischen den Dichtungsabschnitten mit (jeweils) einem Druckspeicher verbunden ist (sind).

12. Stufendichtung nach Anspruch 4 oder 11 und 4 oder 9 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckageleitung nach der letzten (d. h., druckabgewandten) Dichtung auch als Saugleitung dient und die Kreisschalen beim Saubhub von ihren Sitzen abheben können und damit als Saugventile wirken, so daß das Saugventil im Ventilblock entfallen kann.