DE3239465A1 - Dichtvorrichtung fuer eine welle - Google Patents

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Patentanwälte Mungos Ä Prahl, l-rhardtstr 12. D-8000 München b Dipl. Ing.Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl

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IhrZeichon/Your ref UnserZeichen/Our ref H 186

Datum/Date 25.10,198

Hughes Tool Company

Houston, Texas 77023, V.St.A.

Dichtvorrichtung für eine Welle

Die Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung für eine Welle.

Große Tauchpumpen, wie sie üblicherweise bei Erdölbohrungen verwendet werden, haben einen elektrischen Tauchmotor, der die Welle in Drehung versetzt. Die Welle erstreckt sich durch einen Dichtungsabschnitt in eine Kreiselpumpe, um diese in Drehung zu versetzen. In dem Dichtungsabschnitt gibt es mehrere Trennwände, durch die die Welle hindurchgeführt ist. Am Eingang und am Ausgang des Dichtungsabschnitts und in den Trennwänden sind mechanische Gleitringdichtungen angebracht, um das Innere gegenüber dem äußeren Rohrlochfluid abzudichten.

Eine typische Gleitringdichtung hat einen ruhenden Dichtring, der an der Wand befestigt ist. Ein Gleitring ist mit der Welle verbunden, so daß er sich mit dieser dreht. Der- Gleitring hat eine Stirnfläche, die durch eine Schraubenfeder gegen

BAD

die ruhende Stirnfläche gedrückt wird. Ein Druckausgleicher in dem Motorabschnitt oder in dem Dichtungsabschnitt erzeugt eine niedrige Druckdifferenz zwischen dem inneren Schmiermittel und dem äußeren Bohrlochfluid. Die Dichtringe verringern eine Schmiermittelleckage nach außen und eine Bohrlochfluidleckage von außen in die Pumpe.

Normalerweise sind die Stirnflächen des Gleitringes und des Dichtringes ebene, glatte Flächen. Aus verschiedenen Gründen ist im Stand der Technik bereits vorgeschlagen worden, die Stirnflächen von mechanischen Gleitringdichtungen mit verschiedenen Konfigurationen von Nuten zu versehen.

Die Dichtvorrichtung nach der Erfindung hat einen ruhenden Dichtring, der an der Wand befestigt ist. Ein Gleitring ist an der Welle befestigt, so daß er sich mit dieser dreht. Eine Feder drückt den Gleitring in Gleitberührung mit dem ruhenden Dichtring. In der ruhenden Dichtfläche ist wenigstens eine konzentrische Nut gebildet. Diese Nut ist leer und bildet einen geschlossenen ringförmigen Hohlraum, der mit der gegenüberliegenden Stirnfläche in Kontakt ist. Vorzugsweise ist eine Anzahl konzentrischer Nuten, die durch ebene Ringflächen voneinander getrennt sind, in der ruhenden Stirnfläche vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine DichtvorrichLung nach der Erfin

dung,

Fig. 2 die Dlohtvorrichtung nach Fig. 1, ein

gebaut in eine Tauchpumpe,

BAD-ORIGINAL

Fig. 3 eine Ansicht der Stirnfläche des

ruhenden Gleitringes der Dichtvorrichtimg nach Fig. 1 und

Fig. 4 in einem Schnitt nach der Linie

IV-IV in Fig.-3 den ruhenden Dichtring der Dichtvorrichtung nach Fig. 1.

In Fig. 2 ist eine Tauchpumpe 11 teilweise dargestellt. Die Tauchpumpe 11 hat einen Elektromotor 13, der eine Welle 15 in Drehung versetzt. Die Welle 15 erstreckt sich durch einen Dichtungsabschnitt 17 und in eine Kreiselpumpe 19. Mehrere Trennwände 21 sind in dem Dichtungsabschnitt 17 angeordnet, und begrenzen getrennte Kammern. Mechanische Gleitringdichtvorrichtungen 23 dichten die Welle 15 an jeder Trennwand 21 und außerdem an den Enden des Dichtungsabschnitts ab. Der Motor 13 und der Dichtungsabschnitt 17 sind mit einem Schmieröl gefüllt. Ein Faltenbalg 25, der unterhalb des Motors 13 angeordnet ist, macht den Druck der Innenräume des Motors 13 und des Dichtungsabschnitts 17 gleich dem äußeren Bohrlochfluiddruck.

Einige oder sämtliche Trennwände 21 und Enden des Dichtungsabschnitts 17 haben Dichtvorrichtungen 23 der in Fig. 1 gezeigten Art. Jede Trennwand 21 und jedes Ende des Dichtungsabschnitts 17 hat einen Durchlaß 27, der die Welle 15 aufnimmt. Büchsen (nicht dargestellt) sind in dem Durchlaß 27 als Lager für die Welle 15 angeordnet.

Ein ruhender Dichtring 29 ist an dem Eingang des Durchlasses 27 der Trennwand 21 angeordnet. Die Außenseite des ruhenden Dichtringes 29 ist durch einen O-P.ing 31 abgedichtet. Der

ruhende Dichtring 29 besteht aus einem harten Werkstoff, wie beispielsweise Keramik. Der ruhende Dichtring 29 hat eine Stirnfläche 33 auf der von dem Durchlaß 27 abgewandten Seite- Gemäß den Fig. 3 und 4 ist die Stirnfläche 33 eben und frei von jedweden Hohlräumen, mit Ausnahme von mehreren Nuten 35, die in der Stirnfläche gebildet sind. Die Nuten 3 5 sind zu der Achse des ruhenden Dichtringes 29 konzentrisch. Die Nuten 35 sind zwar mit etwa quadratischem Querschnitt dargestellt, das ist jedoch nicht wesentlich. Die Breite an der Oberseite jeder Nut 35 ist etwa gleich der Tiefe der Nut. Ebenso hat der Steg 37, der die kreisförmige ebene Fläche zwischen jeweils zwei Nuten 35 bildet, etwa dieselbe radiale Breite wie jede Nut 35. Die Stirnfläche 33 ist frei von jedweden Kanälen, Durchlässen oder Nuten, mit Ausnahme der Nut 35, so daß jede Nut 3 5 ein geschlossener kreisförmiger Kanal ist, der.frei von Schnittpunkten mit anderen Hohlräumen ist.

Die Nuten 35 haben eine sehr geringe radiale Breite und sind sehr seicht. Die radiale Breite der Nut 35 sollte jedoch nicht kleiner sein als die Dicke des Fluidfilms zwischen dem ruhenden Dichtring 29 und dem Gleitring 39. Der Gleitring einer Gleitringdichtung wird zwar in Kontakt mit der ruhenden Stirnfläche gedrückt, moderne Gleitringdichtungen sind jedoch so ausgelegt, daß zwischen den Stirnflächen ein sehr dünner Fluidfilm aufrechterhalten wird, um Verschleiß zu verhindern. Die Dicke dieses Films liegt in der Größenordnung von 2,5 μκι. Die obere Grenze der Nutbreite und -tiefe ist nicht kritisch, sie muß aber zur Erleichterung der Herstellung und des Gebrauches innerhalb praktischer Grenzen liegen und die normalen Grenzwerte des Flächendruckes bei Gleitringdichtungen zulassen.

Die übrigen Teile der Dichtvorrichtung 23 sind herkömmlich.

Zu diesen Teilen gehören der Gleitring 39, der weicher ist als der ruhende Dichtring 29 und vorzugsweise aus Kohlenstoff besteht. Der Gleitring 3 9 hat eine ebene, glatte Stirnfläche, die sich in Gleitberührung mit der Stirnfläche 33 des ruhenden Dichtringes 29 dreht. Die Berührung des Gleitringes 39 mit der Stirnfläche 33 ergibt einen leeren, geschlossenen Ringraum in jeder Nut 35. Der Fluidfilm zwischen den Stirnflächen wird durch die Wirkung von Oberflächenspannungskräften daran gehindert, in die Nuten zu lecken. Mittels einer Muffe 41 ist eine elastomere Manschette 43 an dem Gleitring 39 befestigt. Die Manschette 43 sitzt fest und abdichtend auf der Welle 15, Der Innendurchmesser des Gleitringes 39 sowie der Innendurchmesser des ruhenden Dichtringes 29 sind größer als der Durchmesser der Welle 15, so daß jeweils ein Spalt vorhanden ist. Die Manschette 43 hindert Flüssigkeit am Durchtritt durch diese Spalte. Eine Schraubenfeder 45 ist zwischen der Muffe 41 und einem kreisförmigen Flansch 47 zusammengedrückt. Ein Sprengring 49 in einer Nut in der Welle 15 hält den Flansch 47 fest.

Die Schraubenfeder 45 übt eine Kraft auf den Gleitring 39 aus, durch die dieser gegen den ruhenden Dichtring 29 gedrückt wird, was einen Flächendruck ergibt, der die Kraft dividiert durch die Flächeninhalte der sich berührenden Flächen des Dichtringes 29 und des Gleitringes 39 ist. Die Schraubenfeder 45 ist herkömmlich dimensioniert, damit der Gleitring 39 einen Druck von 0,69 bis 2,76 bar auf den ruhenden Dichtring 29 ausübt. Der optimale Druckbereich geht von 1,38 bis 2,07 bar, und der bevorzugte Druckwert beträgt 1,65 bar. Bei den minimalen und maximalen Flächendrücken können auch die Drehzahlen berücksichtigt werden. Bei einer typischen Drehzahl von 3450 U/min sind das Minimum und das Maximum 4,86 bar m/s bzw. 19,80 bar m/s

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für einen ruhenden Dichtring 29 aus Keramik und einen umlaufenden Gleitring 39 aus Kohlenstoff. Im allgemeinen erfordern höhere Drehzahlen eine geringere Federkraft als niedrigere Drehzahlen.

Die maximale Anzahl und die maximalen Breiten der Nuten 3 5 dürfen nicht bewirken, daß die Flächendrücke die erwähnten maximalen Grenzwerte überschreiten. Die Nuten 35 verringern den Berührungsflächeninhalt des Dichtringes 29 und des Gleitringes 39 und erhöhen somit für eine gewählte Feder 4 5 den Druck. Bei einer niedrigen Druckdifferenz an den Dichtungen von weniger als 0,34 bar ist eine einzelne Nut 35 mit einer radialen Breite von 0,08 bis 0,51 mm bei einer Berührungsfläche des Gleitringes 39 mit einer radialen Breite von 2,92 mm verwendbar. Bei einer höheren Druckdifferenz von 0,34 bis 1,38 bar werden vorzugsweise mehrere konzentrische Nuten mit radialen Breiten benutzt, die vorzugsweise von 0,08 mm bis 0,13 mm reichen, und zwar bei denselben Stirnflächenbreiten. Die bevorzugte Tiefe der Nuten 35 beträgt 0,13 mm. Jeder Steg 37 hat vorzugsweise eine radiale Breite von 0,13 bis 0,25 mm. Die Anzahl der Nuten 35 kann von etwa 1 bis 14 reichen und reicht vorzugsweise von 8 bis 14, und zwar bei der oben allgegebenen Abmessung der Dichtfläche des Gleitringes 39. Ein bevorzugter Dichtring 29 für die oben angegebenen Stirnflächenabmessungen des Gleitringes 39 hat acht Nuten 35 mit einer Breite von 0,13 mm und mit Stegen 37 mit einer Breite von 0,25 mm.

Im Betrieb dreht der Motor 13 die Welle 15, die ihrerseits die Pumpe 19 in Drehung versetzt. Normalerweise befindet sich ein Gemisch aus öl und Wasser an der Außenseite des Dichtungsabschnitts 17, und Schmiermittel befindet sich im Inneren. Der Faltenbalg 25 verringert die Druckdifferenz zwischen innen und außen. Der Gleitring 39 dreht sich im

Gleichlauf mit der Welle 15, während der ruhende Dichtring 29 an der Trennwand 21 feststehend bleibt. Der Gleitkontakt der Stirnflächen des Gleitringes 39 und des ruhenden Dichtringes 29 dient zum Verringern einer Schmiermittelleckage durch die Dichtvorrichtung 23 hindurch nach außen, falls der Innendruck den Außendruck übersteigen sollte. Außerdem dienen die sich berührenden Stirnflächen des ruhenden Dichtringes 29 und des Gleitringes 39 zum Verringern einer Bohrlochfluidleckage in das Innere des Dichtungsabschnitts 17, falls der Außendruck den Innendruck übersteigen sollte.

Labortests haben gezeigt, daß die Nuten 35 das Dichtvermögen der Dichtvorrichtung verbessern. Die Tests haben gezeigt, daß eine Bohrlochfluidleckage in den Dichtungsabschnitt für eine ziemlich lange Zeit vollständig eliminiert werden kann, während herkömmliche mechanische Gleitringdichtungen in gewissem Ausmaß immer lecken. Die Gründe für die verbesserten Ergebnisse sind nicht vollständig geklärt. Möglicherweise ergeben die Nuten eine Gasfalle, eine verbesserte Schmierung der sich berührenden Stirnflächen oder eine Einrichtung zum Erzeugen einer gleichmäßigen kreisförmigen Strömungsbewegung im Gegensatz zu der willkürlichen Strömungsbewegung in herkömmlichen Gleitringdichtungen oder eine Kombination von all diesem.

Die Erfindung bringt beträchtliche Vorteile mit sich. Die Nuten verbessern die Abdichtung, verringern den Eintritt von Bohrlochfluid in den Dichtungsabschnitt und den Austritt von Schmiermittel. Dadurch kann die Zeitspanne verlängert werden, während der eine Pumpe arbeiten kann, ohne zu Wartungszwecken entnommen werden zu müssen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dichtvorrichtung für eine Welle, die sich durch eine Wand erstreckt, mit einem ruhenden Dichtring mit einer kreisförmigen Stirnfläche, der durch die Wand festgehalten ist, mit einem Gleitring, der mit der Welle verbunden ist und sich mit dieser dreht und eine kreisförmige Stirnfläche hat, und mit einer Federvorrichtung, die die Stirnflächen in gegenseitiger Berührung hält, gekennzeichnet durch: wenigstens eine konzentrische Nut (35), die in der Stirnfläche (33) des ruhenden Dichtringes (29) angeordnet und frei von Schnitten von jedweden Hohlräumen in jeder Stirnfläche ist, so daß sie mit der umlaufenden Stirnfläche einen geschlossenen, leeren Ringraum begrenzt.

2. Dichtvorrichtung zum Abdichten einer Welle, die durch eine Wand hindurchgeführt ist, gekennzeichnet durch?

einen ruhenden Dichtring (29) mit einer kreisförmigen Stirnfläche (33) , der an der Wand (21) befestigt ist; einen Gleitring (39), der mit der Welle (15) verbunden ist und sich mit dieser dreht und eine kreisförmige Stirnfläche hat; und '

eine Federvorrichtung (45), die die Stirnfläche des Gleit-

BAD ORIGINAL

ringes in Gleitberührung mit der Stirnfläche (33) des ruhenden Dichtringes (29) drückt;

wobei die ruhende Stirnfläche (33) mehrere sich nicht gegenseitig schneidende konzentrische Nuten (35) aufweist, die mit der umlaufenden Stirnfläche mehrere leere, geschlossene, ringförmige Hohlräume begrenzt.

3. Dichtvorrichtung für eine Tauchpumpe, die einen Motor mit einer Welle aufweist, welche sich durch einen Dichtungsabschnitt erstreckt, um eine Kreiselpumpe anzutreiben, wobei die Dichtvorrichtung dazu dient, eine Leckage an der Welle zu verhindern, gekennzeichnet durch:

einen ruhenden Dichtring (29) , der an dem Dichtungsabschnitt (17) befestigt ist und eine kreisförmige Stirnfläche (33) aufweist, die mehrere konzentrische Nuten (35) enthält, wobei jede Nut von den anderen Nuten durch kreisförmige ebene Flächen (37) getrennt ist und wobei die Stirnfläche frei von Hohlräumen ist, mit Ausnahme der Nuten; einen Gleitring (39), der mit der Welle (15) verbunden ist und sich mit dieser dreht und eine ebene Stirnfläche hat, die frei von Hohlräumen ist; und

eine Federvorrichtung (45) , die die Stirnfläche des Gleitringes (39) in Gleitberührung mit der Stirnfläche (33) des ruhenden Dichtringes (29) hält;

wobei die radialen Breiten und die Anzahl der Nuten (35), die radialen Breiten der sich berührenden Stirnflächen und die Kraft der Federvorrichtung (45) so gewählt sind, daß sich ein Flächendruck in dem Bereich von 0,6895 bis 2,758 bar ergibt.

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