DE2708309A1

DE2708309A1 - Kupplung

Info

Publication number: DE2708309A1
Application number: DE19772708309
Authority: DE
Inventors: Robert Roy Bell
Original assignee: Vapor Corp
Current assignee: Vapor Corp
Priority date: 1976-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1977-09-08
Also published as: FR2342412B1; JPS52148801A; AR216644A1; AU515893B2; FR2342412A1; AU2178677A; BR7701137A; BE851744A; MX4203E; GB1572632A; CA1077731A; CH610629A5; IT1192171B; NL7701804A

Description

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Anmelder: Vepor Corporation West Howard Street,
Chicago, Illinois 60648, U.S.A.

Bezeichnung: Kupplung

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Beschreibung

Kupplung

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zum Verbinden von zwei Bauteilen, insbesondere der Kolbenstange und dem Plungerkolben einer Hubkolbenpumpe, mit zwei jeweils an einem der Bauteile befestigten Kupplungsteilen. Bei der Kolbenpumpe, für welche die Kupplung insbesondere geeignet ist, handelt es sich um eine gasbetriebene Verdrängerpumpe, wobei eine aus reichende Berührung zwischen den beiden Kupplungsteilen gewährleistet ist, so dass eine Beschädigung durch gegenseitiges Abheben der Kupplungsteile voneinander vermieden werden.

Bei Produktionsanlagen der Öl- und Gasindustrie, namentlich Ö'lfeidern, sind vielfache Aktivitäten erforderlich, die häufig einen Transport von Rohöl oder anderen begleitenden Flüssigkeiten vielfach bei hohem Druck erfordern. Dazu gehört der Transport von Gemischen aus Öl und Wasser aus Sammelbehältern, die an verschiedenen Punkten im Produktionsfeld angeordnet sind. Besondere chemische Stoffe werden in einem kontrollierten Verhältnis gleichfalls beigemisch oder eingespritzt, um die Eigenschaften des Rohöls zu ändern, die von Bohrstelle zu Bohrstelle und auch im Laufe der Zeit stark schwanken.

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Die Arbeitsbedingungen auf ölfeldern erfordern eine

robuste Ausrüstung, die wenig Wartung benötigt. Die gepumpten Flüssigkeiten sind häufig stark verschmutzt und enthalten einen hohen Prozentsatz an gelösten Gasen und ungelösten Feststoffen. Die Pumpen müssen einem "Kuppeln" oder häufigen Parallelbetrieb gewachsen sein. Häufig dient als Antriebsenergiequelle stark verschmutztes Erdgas aus derselben Bohrung, welche das gepumpte Öl liefert. Druckluft ist ebenfalls verfügbar.

Die Erfindung ist insbesondere auf eine gasbetriebene Verbrennerpumpe der Hubkolbenbauart gerichtet, die den Anforderungen für einen erfolgreichen Einsatz in ölproduktionsfeidern genügt.

Die bisher in Ölfeldern verwendeten Pumpen verwenden einen strömungsmittelgetriebenen Kolben, der mit einem Hochdruck-Chlorkolben verbunden ist. Beide angetriebenen Teile dieser Pumpen sind im Hinblick auf die Ausrichtung empfindlich, da sie im schnellen Takt und unter hohen Kräften betrieben werden. Wenn daher eine kleine Fehlausrichtung zwischen den angetriebenen und den antreibenden Teilen vorhanden ist, ergibt sich ein Ubermässiger Verschleiss am Plungerkolben und an der Dichtung, die zu einer schnellen Zerstörung dieser Teile führt.

üblicherweise sind die Kolbenstange und der Plungerkolben bei diesen bekannten Pumpen fest miteinander verbunden, was Präzisionsbohrungen und eine aussergewöhnliche Sorgfalt beim Zusammenbau erfordert, um ein hohes Mass an Genauigkeit bei der axialen Ausrichtung zu erreichen. Ein kleiner Fluchtungsfehler bei der Herstellung oder beim Zusammenbau führt zu einer schnellen Beschädigung des Plungerkolbens, der Kolbenstange und der beiden zugeordneten Dichtungen.

Ferner führt jede Fehlausrichtung zwischen der Kolbenstange und dem Plungerkolben der Pumpe, die nicht ständig

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von der Kupplung selbst absorbiert wird, sei es nun eine Festkupplung oder eine andere Kupplung, zu einer übermässigen Bewegung sowohl der Kolbenstange in der Antriebszylinderdichtung wie des Plungerkolbens in der Pumpenzylinderdichtung. Diese übermässige Bewegung setzt die Lebensdauer der Dichtung stark herab und kann bei fortgesetztem Betrieb über eine ausreichend lange Zeitspanne dazu führen, dass die Kolbenstange und der Plungerkolben in Berührung mit den sie umschliessenden Bauteilen kommen, was eventuell zu deren Beschädigung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kupplung zum Verbinden von sich hin- und herbewegenden langgestreckten Bauteilen zu schaffen. Dabei soll den Bauteilen eine relative winkelmässige und axiale Fehlausrichtung ermöglicht werden, während ein ausreichender Kontakt zwischen den Bauteilen am Kupplungspunkt geschaffen wird, um eine Beschädigung der Bauteile durch die Stossbeanspruchung bei der Hubumkehr zu verhindern. Dabei soll die Kupplung insbesondere zum Kuppeln der Kolbenstange und des Plungerkolbens einer gasbetriebenen Verdrängerpumpe geeignet sein, wobei eine wirksame Kraftübertragung zwischen den sich ineinander nicht zugeordneten Bahnen bewegenden Bauteilen ohne nennenswerte Relativbewegung und ohne Verringerung der Pumpenleistung erzielt wird. Dabei zielt die Erfindung auf eine nachgiebige Kupplung, die sich leicht lösen oder ausbauen lässt.

Die Erfindung besteht in einer neuen Kupplung zum Verbinden der Kolbenstange einer strömungsmittelbetriebenen Hochdruckpumpe mit einem langgestreckten Plungerkolben, wodurch die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange auf den Plungerkolben übertragen wird. Die Hin- und Herbewegung des Plungerkolbens dient dazu, Flüssigkeit unter einem hohen Druck an eine gewünschte Stelle zu pumpen.

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Gasbetriebene Verdrängerpumpen werden allgemein in Ölproduktionsfeldern bei der Handhabung von Strömungsmitteln bzw. Flüssigkeiten verwendet. Solche Einsatzfälle erfordern eine aussergewöhnlich robuste Bauweise, da die Pumpe im Produktionsfeld verwendet wird und häufig mit Erdgas betrieben wird, das ebenso wie die zu verarbeitende Flüssigkeit direkt aus der Bohrung kommt.

Bei gasbetriebenen Hochdruck-Hubkolbenpumpen wird ein Antriebskolben verwendet, der fest mit der Kolbenstange verbunden ist. Während des Betriebs der Pumpe wird der Kolben innerhalb des Kolbenzylinders der Pumpe hin- und herbewegt. Diese Hin- und Herbewegung wird durch Verwendung von Schaltventilen in Verbindung mit einem bekannten Umkehrspindelventil erreicht. Dabei strömt das Gas durch Kanäle in den Kolbenzylinder. Die Strömung erfährt durch das Spindelventil eine abwechselnde Richtungsänderung, wodurch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens hervorgerufen wird und dementsprechend der Kolbenstange eine entsprechende Bewegung erteilt wird.

Um Wasser oder ähnliche Flüssigkeiten unter hohem Druck in Rohrleitungen, Behälter oder Raffinerieverfahren zu pumpen, wird in der Pumpe ein Hochdruck-Plungerkolben verwendet. Der Plungerkolben muss mit der Kolbenstange verbunden sein, um durch sie hin- und herbewegt zu werden, so dass in der einen Bewegungsrichtung der Plungerkolben Flüssigkeit in eine Kammer einzieht und in der umgekehrten Richtung die Flüssigkeit mit hohem Druck in das Hochdrucksystem drückt.

Um die Kolbenstange und den Plungerkolben weniger empfindlich für die Ausrichtung zu machen und dadurch die Bohrungsgenauigkeit und die beim Zusammenbau erforderliche Sorgfalt herabsetzen zu können, die bei den bekannten Pumpen zu beachten sind, wird die erfindungsgemässe Kupplung verwendet. Diese Kupplung umfasst ein Kopfstück aus rostfreiem Stahl oder aus ähnlichem Werkstoff, das entweder mit der Kolbenstange

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oder mit dem Plungerkolben fest verbunden ist. Am anderen dieser beiden Bauteile ist eine Aufnahmehülse befestigt, in der das Kopfstück angeordnet ist.

Das Kopfstück weist eine im wesentlichen halbkugelförmige Stirnfläche auf. An dieser Stirnfläche liegt ein Lagerstück aus Stahl oder ähnlichem Werkstoff an, das zwischen einem geschlossenen Ende der offenen Hülse und dem Kopfstück angeordnet ist. Die am Kopfstück anliegende Lagerfläche des Lagerstücks ist der zugehörigen Fläche des Kopfstücks angepasst und ermöglicht eine begrenzte Winkelbewegung des Kopfstücks gegenüber dem Lagerstück entlang der gekrümmten Anlageflächen.

Auf der der halbkugelförmigen Stirnfläche entgegengesetzten Rückseite des Kopfstücks ist von diesem getrennt eine Abstutzplatte angeordnet, die innerhalb der Aufnahmehülse befestigt ist. Hinter der Abstützplatte ist ein Deckelteil in die Aufnahmehülse eingeschraubt, das dazu dient, das Kopfstück und die Abstützplatte innerhalb der Aufnahmehülse festzulegen.

Zwischen der Abstutzplatte und dem Deckelteil sind mehrere Tellerfederscheiben (Belleville) angeordnet. Diese Federscheiben dienen dazu, die Abstützplatte und das Kopfstück gegen das LagerstUck innerhalb der Aufnahmehülse vorzuspannen. Auf diese Weise erhält das Kopfstück die Möglichkeit, sich infolge des Zusammenwirkens seiner halbkugelförmigen Stirnfläche mit der Lagerfläche des Lagerstücks zu drehen, während die Federscheiben eine ausreichende Kraft aufbringen, um eine Berührung zwischen den beiden Kupplungspunkten - dem Berührungspunkt zwischen dem LagerstUck und dem Kopfstück - aufrechtzuerhalten.

Die durch- die Federscheiben aufrecht erhaltene Berührung verhindert eine Beschädigung der Kolbenstange bzw. des Plungerkolbens, die sich aus der Stossbeanspruchung bei der Hubumkehr der Pumpe ergeben könnte. Die Kupplung verhindert gleichfalls

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eine Uberbewegung der Kolbenstange oder des Plungerkolbens In Ihren Dichtungen, wodurch die Lebensdauer der Pumpe erhöht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine gasbetriebene Verdrängerpumpe mit der erfindungsgemässen Kupplung;

Fig. 2 ist ein vergrösserter Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäss Fig. 1;

Fig. 3 ist ein vergrösserter Schnitt durch die Kupplung der Vorrichtung gemäss Fig. 1.

In Fig. 1 bis 3 ist eine bekannte gasbetriebene Verdrängerpumpe 10 dargestellt. Die Pumpe 10 umfasst einen Antriebszylinder 12, der zwischen Endverschlüssen 14 und 16 durch mehrere Bolzen 18 eingespannt ist.

Die Pumpe 10 ist mit einem bekannten Umkehrspindelventil 20 ausgestattet, das unter hohem Druck stehendes Gas abwechselnd durch die Kanäle 22 und 24 (Fig. 2) leitet. Die Kanäle 22 und 24 führen das Gas in gegenüberliegenden Enden der Kolbenantriebskammer 26 zu. Auf diese Weise wird der Kolben 28 abwechselnd auf seinen beiden Seiten vom Hochdruckgas beaufschlagt, was eine hin- und hergehende Bewegung auslöst. Die Umkehrbewegung am Ende des Pumpenhubs wird dadurch ausgelöst, dass der Kolben 28 auf eines der beiden Schaltventile 30 und 32 auftrifft. Diese Schaltventile 30 und 32 lösen das Spindelventil 20 aus, das sich daraufhin verstellt, so dass ein ständiger Wechsel im Gaszustrom zur Antriebskammer 26 erreicht wird. Mit dem Kolben 28 ist eine Kolbenstange 34 fest verbunden. Um eine Leckströmung aus dem Antriebszylinder 26 am Umfang der Kolbenstange 34 zu verhindern, ist der Antriebszylinder 12 mit einer Dichtungsanordnung 38 versehen, die eine Dichtung 40, eine Büchse mit einem O-Ring 42 und einen Abstreifer 48 umfasst.

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Die Pumpe 10 kann in Ölfeldern zum Pumpen von grossen Flüssigkeitsmengen wie z.B. unter hohem Druck stehenden Wasser in Lagerbehälter, Rohrleitungen oder andere Raffinerieverfahren, die bei der Produktion von öl vorkommen, verwendet werden. Zur Durchführung des Pumpvorgangs umfasst die Pumpe 10 einen Flüssigkeitseinlass 30 und einen Flüssigkeitsauslass 52, die im Plungerzylinder 53 vorgesehen sind.

Flüssigkeit wird durch den Einlass 50 durch die Ausfahrbewegung des Plungerkolbens 54 aus der Kammer 58 heraus angesaugt. Während des Ausfährhubes des Plungerkolbens 54 strömt Flüssigkeit in den Einlass 50 durch ein Rückschlagventil 56. Eine Rückströmung wird dadurch verhindert, dass sich die Kugel 60 auf ihren Sitz .62 legt.

Während der nachfolgenden Einfahrbewegung des Plungerkolbens 54 wird Flüssigkeit aus der Kammer 58 durch ein Rückschlagventil 64 in den Auslass 52 gedrückt. Eine Rückströmung der Flüssigkeit durch den Auslass 52 wird dadurch verhindert, dass sich die Kugel 66 des Rückschlagventils 64 auf den Sitz 68 legt.

Eine Leckströmung längs des Umfangs des Plungerkolbens wird durch eine Pumpzylinder-Dichtungsanordnung 70 verhindert, die der Dichtungsanordnung 38 des Antriebszylinders 12 entspricht.

Der Plungerzylinder 53 ist durch Schrauben 73 an einem Kupplungszylinder 72 befestigt. Der Kupplungszylinder 72 ist seinerseits durch eine Reihe von Schrauben 74 am Verschlussdeckel 16 befestigt.

Um die bei den bekannten Pumpen erforderliche Genauigkeit der Bohrungen herabzusetzen und die beim Zusammenbau notwendige Sorgfalt zu verringern, muss ein Ausgleich für die sich ergebenden Fehler in der axialen Ausrichtung sowie in

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der Winkelausrichtung geschaffen werden. Dieses Ziel wird durch eine Kupplung erreicht, die eine axiale Fehlausrichtung und einen winkelmässigen Fluchtungsfehler am Verbindungspunkt zulässt, nicht Jedoch am Berührungspunkt der Kolbenstange 34 und des Flungerkolbens 54 mit ihren zugehörigen Dichtungsanordnungen 38 bzw. 70. Um die Kolbenstange 34 mit dem Plungerkolben 54 in einer Weise zu verbinden, die einen winkelmässigen Fluchtungsfehler und eine axiale Fehlausrichtung toleriert, ist eine Kupplung 75 (Fig. 3) vorgesehen. Die Kupplung 75 umfasst eine Aufnahmehülse 77, die beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel fest mit dem Plungerkolben 54 verbunden ist, wozu ein Satz von Schrauben 79 verwendet ist. Ein Kopfstück 76 ist mit Hilfe eines Satzes von Schrauben 78 und einem Gewinde 80 auf dem sich verjüngenden Ende der Kolbenstange 34 an dieser befestigt. Es sei bemerkt, dass die Aufnahmehülse 77 auch an der Kolbenstange 34 und das Kopfstück 76 an dem Plungerkolben 54 befestigt sein könnte. Es ist ohne besondere Bedeutung, mit welchem Bauteil 34 oder Jeweils das betreffende Kupplungsteil 76 bzw. 77 verbunden ist.

Eine Axialbewegung und eine Winkelbewegung des Kopfstücks 76 gegenüber der Aufnahmehülse 77 wird durch die Verwendung eines Kopfstücks 76 mit einer teilkugelförmigen Stirnfläche 82 ermöglicht. Diese Stirnfläche 82 liegt an einer komplementären konkaven Lagerfläche 84 eines Lagerstücks 86 an. Das Lagerstück 86 ist zwischen dem geschlossenen Ende 88 der Aufnahmehülse 77 und der Stirnfläche 82 des Kopfstücks 76 angeordnet. Die Teilkugelform der Stirnfläche 82 und der Lagerfläche 84 ermöglichen begrenzte Axialbewegungen und Winkelbewegungen relativ zueinander.

Dieses Bewegungsspiel wirkt der Notwendigkeit von Präzisionsbohrungen entgegen, bringt Jedoch die mögliche Gefahr mit sich, dass die Kolbenstange 34 und der Plungerkolben 54

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aufgrund der Stossbeanspruchung bei der Hubumkehr des Kolbens 28 Schaden nehmen.

Um nun Winkelfluchtungsfehler oder Axialausrichtungsfehler auszugleichen, jedoch ein Abheben der Kupplungsteile mit der sich daraus ergebenden Stossbeanspruchung zu verhindern, werden mehrere Federscheiben 92 verwendet. Diese Federscheiben 92 sind innerhalb der Aufnahmehülse 77 und hinter einer Abstützplatte 90 angeordnet. Die Federscheiben 92 bringen eine ausreichende Druckkraft auf die Abstutzplatte 90 und dementsprechend auf das Kopfstück 76 und das Lagerstück 86 auf, weil ein Deckelteil 9h entsprechend weit in das offene Ende 96 der AufnahmehUlse 77 eingeschraubt ist.

Auf diese Weise kann eine ausreichende Druckkraft von den Federscheiben 92 auf die Verbindungsstelle übertragen werden, um eine ständige Anlage der Flächen 82 und 84 zu gewährleisten. Diese Druckkraft muss so bemessen sein, dass ein Abheben der Flächen 84 und 82 bei der Hubumkehr des Kolbens 28 verhindert wird, wodurch einer Beschädigung der Kolbenstange 34 und des Plungerkolbens 54 sowie der zugehörigen Dichtungsanordnungen 38 und 70 vorgebeugt wird.

Der Betriebsablauf der Pumpe 10 lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Gas wird abwechselnd unter Vermittlung der Schalter 30 und 32 sowie des Spindelventils 20 den beiden Enden Antriebszylinderkammer 26 zugeführt. Die Bewegung des Kolbens 28 führt zur Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 34 innerhalb der Dichtungsanordnung 38.

Die Kolbenstange 34 ist durch die Kupplung 75 mit dem Plungerkolben 54 verbunden. Dementsprechend wird die Hubbewegung der Kolbenstange 34 auf den Plungerkolben 54 übertragen, der sich demensprechend innerhalb seiner Dichtungsanordnung 70

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hin- und herbewegt. Beim Ausfahren des Plungerkolbens 54 aus der Kammer 53 wird Flüssigkeit durch den Einlass 50 in die Kammer 58 angesaugt. Nach der Bewegungsumkehr des Plungerkolbens 54 wird die Flüssigkeit innerhalb der Kammer 58 unter Druck gesetzt und strömt durch das Ventil 64 und den Auslass 52 zu einem Hochdrucksystem oder dgl..

Während der Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 34 und des Plungerkolbens 54 kann ein kleiner Winkelfehler in der Fluchtung zwischen der Kolbenstange 34 und dem Plungerkolben 54 vorhanden sein. Die Kupplung 75 gleicht jedoch diesen Fluchtungsfehler oder eine axiale Fehlausrichtung aus, wodurch verhindert wird, dass sich der Plungerkolben 54 oder die Kolbenstange 34 fehlerhaft durch die zugehörigen Dichtungsanordnung en 70 bzw. 38 bewegen, was zu deren Zerstörung führen würde. Dieses wird erreicht durch das Zusammenwirken der teilkugelförmigen Stirnfläche 82 mit der komplementären Lagerfläche 84.

Trotz der Zulässigkeit von Fluchtungsfehlern zwischen der Kolbenstange 34 und dem Plungerkolben 54 wird ein gegenseitiges Abheben dieser Bauteile in der Längsrichtung durch die Federscheiben 92 und das Deckelteil 94 verhindert. Dementsprechend wird bei der Hubumkehr des Kolbens 28 verhindert, dass sich der Plungerkolben 54 und die Kolbenstange 34 in Längsrichtung voneinander abheben und wieder aufeinander auftreffen, und dementsprechend wird Beschädigungen vorgebeugt.

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Claims

Ansprüche :

ti .J Kupplung zum Verbinden von zwei Bauteilen, insbesondere der Kolbenstange und dem Plungerkolben einer Hubkolbenpumpe, mit zwei jeweils an einem der Bauteile befestigten Kupplungsteilen, dadurch gekennzeichnet , dass das eine Kupplungsteil eine Aufnahmehülse (77) und das andere Kupplungsteil ein Kopfstück (76) sind, das durch eine nachgiebige Vorspanneinrichtung (92) in relative Längsbewegungen ausschliessender und relative Axialbewegungen sowie Winkelbewegungen zulassender Weise in der Aufnahmehülse (77) gehalten ist.
2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , dass die Vorspanneinrichtung (92) von mehreren tellerfederartigen Federscheiben gebildet ist.
3* Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Kopfstück (76) eine Kugelteilfläche (82) aufweist, der eine entsprechend geformte Lagerfläche (84) der Aufnahmehülse (77) zugeordnet ist, wobei die Kugelteilfläche (82) und die Lagerfläche (84) durch die Vorspanneinrichtung (92) in gegenseitige Anlage gehalten sind.
4. Kupplung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichn e t , dass die Lagerfläche (84) an einem Lagerstück (86) ausgebildet ist, das zwischen dem Kopfstück (76) und einer Stirnfläche (88) der Aufnahmehülse (77) in dieser angeordnet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorspanneinrichtung (92) an der der Aufnahmehülse (77) mit ihrem Bauteil (54) abgewandten Rückseite des Kopfstücks (76) angreift und in der Aufnahmehülse (77) befestigt ist.
6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzei chn e t , dass die Vorspanneinrichtung (92) über ein in der Aufnahmehülse (77) angeordnetes Abstutzteil (90) am Kopfstück (76) angreift.
7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass das dem Bauteil (34) mit dem Kopfstück (76) zugewandte offene Ende der Aufnahmehülse (77) durch ein Deckelteil (94) mit einer Durchtrittsöffnung für das Bauteil (34) im wesentlichen geschlossen ist.

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