DE3490354C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für eine Hochdruck-Kolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Dichtungseinrichtungen sind aus der DE 29 37 459 A1 bekannt. Dort ist die Dichtungsmittelzone mittels eines Einsatzkörpers gebildet, der im Kolben eine Ringkammer bildet und der gleichzeitig als Widerlager für eine Hülse und einen darin angeordneten Dichtungssatz für die Endabdichtung bildet. Eine ähnliche Ausbildung zeigt die US 23 30 781.

Die vorliegende Erfindung ist insbes. in Verbindung mit Pumpen zum Pumpen von Bohrschlamm von Interesse, bei denen der Bohrschlamm mit einem relativ hohen Druck gepumpt werden soll. Infolge des hohen verwendeten Pumpendruckes und der speziellen Konsistenz des zu pumpenden Mediums, d. h. des Pumpmediums (des Bohrschlamms), ist die Pumpe an den Abdichtungen zwischen dem Pumpmedium und dem Antriebsmedium großem Verschleiß und demzufolge einer zunehmenden Beimischung von Pumpmedium zum Antriebsmedium und umgekehrt, entsprechend der Entwicklung des Verschleißes, ausgesetzt. Es ergibt sich insbes. eine Tendenz zur Bildung einer Ablagerung von Bohrschlammteilchen am Kolben und an den Abdichtungen. Ein Teil der Ablagerungen kann infolge der axialen Bewegung des Kolbens relativ zu den Abdichtungen durch die Abdichtungen selbst abgekratzt oder entfernt werden, wobei es jedoch schwierig ist, einen Verschleiß am Kolben und an den Abdichtungen zu vermeiden.

Mit einem geeigneten Dichtungsmittel ergibt sich die Möglichkeit einer wirksamen Kühlung des Kolbens und einer Blockierung der unbeabsichtigten Strömung des Pumpmediums zur Antriebsseite und der unbeabsichtigten Strömung des Mediums von der Antriebsseite zur Seite des Pumpmediums. Dies kann im allgemeinen durch die Anwendung eines relativ hohen Druckes des Kühlungs- und Dichtungsmittels erreicht werden. Beispielsweise kann das Dichtungsmittel mit einem derartig hohen Druck angewandt werden, daß bei einer Undichtigkeit nur eine Strömung des Dichtungsmittels zur Antriebsseite bzw. zur Seite des Pumpmediums erfolgt, während eine Strömung in entgegengesetzter Richtung, d. h. zum Dichtungsmittel verhindert wird. Der Druck des Dichtungsmittels kann entsprechend den geforderten Bedingungen reguliert werden.

Als eine Folge der schnellen axialen Bewegung des Pumpenkolbens relativ zu den Abdichtungen besteht trotz des hohen Druckes des Dichtungsmittels die Gefahr, daß ein Film des Pumpmediums oder ein Schmiermittelfilm o. ä. nach innen zwischen die Abdichtungen und möglicherweise weiter nach innen in die Dichtungsmittelzone transportiert wird. Mittels des zirkulierenden Dichtungsmittels kann sich bis zu einem bestimmten Grad ein Fluidverlust gemeinsam mit Dichtungsmittel ergeben, wobei dieser Verlust einen Anteil Pumpmedium, einen Anteil Schmiermittel u. dgl. enthalten kann.

In der Praxis ergeben sich Probleme insbes. dadurch, den Pumpmediumfilm (mit dazugehörigen Schlammteilchen) und den Schmiermittelfilm bis zu einem bestimmten Grad zu eliminieren, der ausreicht, Ablagerungen am Pumpenkolben und an den benachbarten Abdichtungen zu vermeiden. Demzufolge ist es schwierig, den Verschleiß am Pumpenkolben oder an den Abdichtungen zu reduzieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildung von Ablagerungen am Pumpenkolben und an den Abdichtungen zu reduzieren bzw. zu verhindern und eine wirkungsvolle Entfernung von Anteilen des Pumpmediums und eines anderen entstehenden Mediums, welche nach innen in die Dichtungsmittelzone durchgesickert sind, vorzusehen.

Diese Aufgabe wird bei einer Dichtungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer speziellen Spülkammer mit zugehöriger, schraubenförmiger Spülleitung innerhalb der Dichtungsmittelzone, ist eine besonders wirksame Kühlung des Kolbens und in einer besonders gesteuerten und genau lokalisierten Weise eine Entfernung möglicher Ablagerungen von den aneinandergrenzenden Flächenabschnitten des Kolbens mit einer konzentrierten Spülwirkung möglich, die beträchtliche Mengen des Pumpmediums oder eines anderen eindringenden Mediums wirksam mitnehmen und entfernen kann.

Durch die Anordnung der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung der Spülleitung genau an der Vorderseite und genau hinter der zugehörigen Abdichtung, ergibt sich die Möglichkeit, die gesamte Zone zwischen den Abdichtungen als wirksamen Spülbereich zu verwenden.

Durch die Bewegung des Spülmittels bzw. -fluides in axialer Richtung von der Antriebsseite zur Seite des Pumpmediums ist es möglich, dem Zutritt von Pumpmedium (mit aufgenommenen Partikeln) in den Bereich der Spülleitung entgegenzuwirken. Diese Bewegung des Spülfluides ist besonders vorteilhaft, weil der Kolben während einer Verdrängung des Pumpmediums in der Verdrängungskammer der Pumpe, d. h. während einer entsprechenden Erhöhung des Druckes in der Verdrängungskammer sich gleichgerichtet mit dem Spülfluid bewegt. Daraus resultiert, daß während dieser Bewegung die Möglichkeit, daß Pumpmedium in die Spülmittelkammer eingeleitet wird, minimal ist. Wenn der Kolben sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, d. h. wenn er sich gegen die Strömungsrichtung des Spülmittels bewegt, ist das Pumpmedium einem entsprechend geringen Druck ausgesetzt, so daß sich dann vom Spülmittel zum Druckmedium ein wirksamer Gegendruck ergibt.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der Auslaßöffnung der Spülleitung und der ersten Abdichtung ein relativ enger ringförmiger Spülmittelspalt vorhanden ist, wobei die Auslaßöffnung der Spülleitung mit dem Kolben einen ringförmigen Spalt festlegt, der sich nach außen düsenförmig in den engen ringförmigen Spülmittelspalt öffnet.

Durch die Festlegung einer ringförmigen Spülmittelkammer zwischen der Auslaßöffnung der Spülleitung und der ersten Abdichtung ist eine besonders wirksame Ausspülung des Bereiches auf der Vorderseite der Spülleitung mit einer besonders schnellen Spülmittelentleerung von der Spülleitung in diesen Bereich und mit einer besonders schnellen Entfernung von Spülmittel radial nach außen von diesem Bereich weg möglich.

Durch die Ausbildung eines ringförmigen Spaltes, der sich von der Auslaßöffnung der Spülleitung nach außen düsenförmig in die ringförmige Spülfluidkammer öffnet, ergibt sich die Möglichkeit, das Wegspülen und Entfernen des Spülmittels in einer zusammengesetzten axialen und einer sich nach außen erstreckenden radialen Bewegung zur anschließenden ringförmigen Ausgleichskammer zu bewirken. Diese zuletzt genannte Bewegung gemeinsam mit der transversalen Bewegung des Spülmittels in der Spülleitung ergibt eine besonders wirksame Spülung des Kolbens in einem entsprechenden zusammengesetzten Bewegungsmuster. In der Spülleitung selbst ergibt sich folglich eine Spülung entlang der axialen Bewegungsbahn des Kolbens, während daran anschließend am Auslaß der Spülleitung eine Spülfluid- Entleerung gegeben ist und ein Anteil des eingedrungenen Mediums gesteuert in axialer Richtung entlang dem Kolben und nach außen in die radial außerhalb des Kolbens befindliche Ausgleichskammer geleitet wird.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der Einlaßöffnung der Spülleitung und der zweiten Abdichtung ein äußerer ringförmiger Spülmittelspalt vorgesehen ist, wobei die Einlaßöffnung der Spülleitung mit dem Kolben einen inneren ringförmigen Spalt festlegt, der sich nach außen düsenförmig in die Spülleitung öffnet. Auf diese Weise wird auch zur benachbarten Außenfläche des Kolbens an der Einlaßöffnung der Spülleitung eine düsenartige Wirkung erzielt, d. h. eine ganz besondere, axial ausgerichtete düsenartige Wirkung zusätzlich zu der besonderen, axial ausgerichteten düsenartigen Wirkung, die an der Auslaßöffnung der Spülleitung erzielt wird. Auf diese Weise kann zusätzlich zu der dazwischenliegenden schraubenförmigen Spülwirkung eine zweistufige axial ausgerichtete düsenartige Spülwirkung erhalten werden, d. h. eine Spülung, die auf drei wechselseitig abgewinkelten Bewegungsmustern des Spülmittels basiert.

Es ist zweckmäßig, wenn die Spülleitung sich über zwei oder mehr schraubenförmige Windungen erstreckt und entlang mindestens einer Schraubenwindung eine Leitungsquerschnittsfläche besitzt, die im wesentlichen der Spaltquerschnittsfläche der Auslaßöffnung und/oder der Einlaßöffnung entspricht, wobei ein Abschnitt der schraubenförmigen Leitung genau an der Vorderseite der Auslaßöffnung und/oder ein Abschnitt der schraubenförmigen Leitung genau hinter der Einlaßöffnung eine etwas größere Querschnittsfläche besitzt, als die Spaltquerschnittsfläche der Auslaßöffnung bzw. der Einlaßöffnung. Auf diese Weise wird ohne einen besonders merkbaren Druckverlust eine relativ große Strömungsrate des Spülmittels sowohl in der Spülleitung als auch in der Auslaßöffnung und/oder der Einlaßöffnung der Spülleitung, mit einer wirksamen Verwendung des variablen Bewegungspfades des Spülmittels in der Spülmittelzone, erhalten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

In der Zeichnung ist eine Axialkolbenpumpe 10 dargestellt. Die Pumpe 10 besitzt einen zylindrischen Kolben 11, der eine Verlängerung einer hydraulischen Antriebseinheit bildet, d. h. der Kolben 11 besitzt einen radial vergrößerten Kupplungsflansch 11a, der sich in einer Druckausgleichskammer 12a befindet, die an einen (nicht dargestellten) hydraulischen Antriebszylinder am einen Ende des Kolbens 11 anstößt. Der Kolben 11 weist außerdem in der Arbeits- oder Verdrängungskammer 12 der Pumpe am entgegengesetzten Ende des Kolbens 11 eine Kolbenarbeitsfläche 11b auf. Im Pumpengehäuse 14, das die Verdrängungskammer 13 festlegt, ist ein Einlaß 15 für das Pumpmedium mit einem zugeordneten Einlaßventil 16 und ein Auslaß 17 für das Pumpmedium mit einem zugeordneten Auslaßventil 18 angeordnet. Zwischen dem Pumpengehäuse 14 und einem antriebsseitigen Gehäuse 12, das die Druckausgleichskanmer 12a festlegt, ist ein Lagergehäuse 19 angeordnet, das unterschiedliche Abdichtungen 20-29 enthält, die gegen die zylindrische Oberfläche 11c des Kolbens 11 an verschiedenen axialen Stellen der besagten Kolbenoberfläche 11c Dichtungen bilden.

Der Druckausgleichskammer 12a zugeordnet sind die vier Dichtungen 20, 21, 22 und 23, die an einer Trägerhülse 30 angeordnet sind. Die Dichtungen 20 und 21 sind entgegengesetzte äußere Lippenring-Abdichtungen, die an Halterungen 31 und 32 gemeinsam mit den beiden als Gleitringabdichtungen ausgebildeten Abdichtungen 22 und 23 befestigt sind, die jeweils zwischen einer der Halterungen 31, 32 und jeweils einem zugehörigen Steuerelement 33 und 34 angeordnet sind. Zwischen den Steuerelementen 33, 34 befindet sich eine Kamner 35 mit Gleitlagern, die in einer nicht besonders dargestellten Art mit Schmiermittel beliefert werden.

Die Abdichtungen 24, 25, 26, 27 und 28 bilden ein zweites Abdichtungssystem. Die Abdichtungen 24-28 sind von Ringdichtungen gebildet, die zwischen zwei Trägerelementen 36 und 37 und einem Halterungselement 38 befestigt sind, das einen axial federbelasteten Anschlag 39 besitzt. Die Ringdichtungen 24-28 sind voneinander durch Abstandsringe 40-43 getrennt und zwischen einem Anschlagabschnitt 37a des Trägerelementes 37 und dem federbelasteten Anschlag 39 festgeklemmt.

Die Abdichtung 29 ist als Lippendichtung mit entgegengesetzt gerichteten Lippen 29a und 29b ausgebildet und an einem Trägerelement 44 befestigt, das mit dem Trägerelement 36 verbunden und mittels eines Klammerelementes 45 in Position gehalten wird. Das Klammerelement 45 kann in ein Innengewinde am Trägerelement 36 eingeschraubt werden. Das Trägerelement 36 ist mit Befestigungsschrauben 46 (von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist) am Gehäuse 12 befestigt.

Zwischen der Lippendichtung 29 und dem zweiten Abdichtungssystem 24-28 ist eine Dichtungsmittelkammer 47 vorgesehen, d. h. es ist an einem besonderen Abschnitt des Kolbens 11 eine Dichtungsmittelzone ausgebildet. Durch einen Pfeil 48 ist die Zuleitung von Dichtungsmittel und durch einen Pfeil 49 ist die Ausleitung von gebrauchtem, möglicherweise verunreinigtem Dichtungsmittel angedeutet. Das Dichtungsmittel kann mit beliebigem Druck und in beliebiger Menge zugeführt werden. Außerdem ist ein Dichtungsmitteleinlaß 50 in die Kammer 47 und ein Dichtungsmittelauslaß 51 aus der Kammer 47 dargestellt.

In der Kammer 47 ist eine Steuereinrichtung 52 angeordnet, die eine Spülung des Dichtungsmittel entlang ihrer Berührungsfläche mit dem Kolben 11 sicherstellt. Die Steuereinrichtung ist mit Schrauben 53 (von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist) am Trägerelement 36 befestigt. Die Steuereinrichtung 52 ist innen mit einer schraubenlinienförmigen Rille versehen, die gemeinsam mit der zylindrischen Mantel- bzw. Oberfläche des Kolbens 11 einen schraubenlinienförmigen Kanal 54 bildet, der bspw. zwei bis drei Windungen aufweist. Die schraubenlinienförmige Rille grenzt an den Enden der Steuereinrichtung 52 an ringförmige Kanäle 55 und 56 an. Wie in der Zeichnung auf der linken Seite der Steuereinrichtung 52 dargestellt ist, besitzt der Kanal 55 eine etwas größere Breite und eine etwas größere Querschnittsfläche als der Kanal 54 und er konvergiert, in axialer Richtung des Kolbens gerechnet, zum Kolben 11 radial nach innen. Zwischen der Zylinderfläche 11c des Kolbens 11 und einem Außenrand 57 der Steuereinrichtung 52 ist ein enger ringförmiger Spalt ausgebildet, der eine Querschnittsfläche besitzt, die im wesentlichen der Querschnittsfläche des Kanales 54 entspricht. Mittels des konvergierenden Querschnitts des Kanals 55 wird eine Führung des Spülmittel vom Kanal 55 in axialer Richtung entlang dem Kolben 11 mit einer düsenähnlichen Spülwirkung erzielt. Unmittelbar außerhalb des Außenrandes 57 der Steuereinrichtung 52 wird mit der nach innen gerichteten Lippe 29a der Lippendichtung 29 ein enger Spalt 58 gebildet. Die Spülungswirkung ist besonders in dem engen Spalt 58 wirksam bevor das Fluid in die Dichtungsmittelkammer 47 entleert wird. Diese Spülungswirkung hat zum Ziel, die Lippe 29a mit einer bestimmten Kraft zur gleichen Zeit gegen den Kolben 11 zu drücken, während welcher die Lippe 29a sicherstellt, daß das Spülmittel mit vom Schmiermittel oder vom Pumpmedium mitgenommenen Partikeln wirkungsvoll in die Kammer 47 in einem Abstand vom Kolben 11 entleert wird.

Um eine wirksame Spülungswirkung zu erreichen, ist es von großer Wichtigkeit, daß sich an die Spülung im wesentlichen entlang des Kolbens, die mittels der Strömung des Fluides durch den schraubenförmigen Kanal 54 erzeugt wird, eine Strömung axial entlang dem Kolben in den Spalt 58 anschließt.

Eine weitere verbesserte Spülwirkung wird am entgegengesetzten Ende der Steuereinrichtung 52 dadurch erhalten, daß der Kanal 56 einen zum Kanal 55 im wesentlichen entgegengesetzten Pfad besitzt. Der zugehörige andere Außenrand 59 der Steuereinrichtung 52 legt mit der benachbarten Oberfläche 11c des Kolbens 11 einen engen Spalt fest, wobei die Querschnittsfläche dieses Spaltes im wesentlichen der Querschnittsfläche des Kanals 54 entspricht. Von diesem Spalt expandiert der Kanal 56, d. h. er divergiert in axialer Richtung des Kolbens 11 zum Kanal 54 hin. Mittels des engen Spaltes und dem benachbarten axial divergierenden Kanal 56 wird auch am Einlaß zur Steuereinrichtung 52 eine wirksame düsenähnliche Spülwirkung erzielt, d. h. eine Strömung in axialer Richtung des Kolbens. Das bedeutet, daß an den entgegengesetzten Enden der Steuereinrichtung 52 in axialer Richtung des Kolbens 11 eine zweistufige düsenähnliche Spülungswirkung in einer Richtung quer zur axialen Richtung und des Kolbens eine dazwischenliegende schraubenlinienförmige Spülungswirkung erzielt wird.

In der Praxis wird sichergestellt, daß der Druck des Dichtungsmittels oder des Spülmittels am Auslaß der Steuerungseinrichtung 52 dem maximalen Druck des Pumpmediums entspricht oder diesen übersteigt. Wahlweise kann für das Dichtungsmittel oder für das Spülmittel auch ein etwas kleinerer Druck verwendet werden.

Claims (4)

1. Dichtungseinrichtung für eine Hochdruck-Kolbenpumpe (10), insbes. zur Verwendung als Bohrschlammpumpe, bei welcher der oszillierende Kolben (11) der Pumpe umgeben ist von einer ersten Abdichtung (29), die der Arbeitskammer (13) und somit der Seite des Pumpmediums zugewandt ist und von einer zweiten Abdichtung (24-28), die der Antriebsseite zugewandt ist, und von einer dazwischenliegenden Dichtungsmittelzone (bei 47) mit einem zirkulierenden Hochdruck-Dichtungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmittelzone mit einer Steuereinrichtung (52) versehen ist, die einen schraubenlinienförmigen Spülkanal (54-56) aufweist, wobei der Einlaß (bei 59) in den Spülkanal, gerechnet in axialer Richtung des Pumpenkolbens (11) von der Seite der Arbeitskammer (13) zur Antriebsseite (12), vor der zweiten Abdichtung (24- 28) und der Auslaß (bei 57) aus dem Spülkanal genau hinter der ersten Abdichtung (29) angeordnet ist.

2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslaß (bei 57) des Spülkanals (54-56) und der ersten Abdichtung (29) ein enger ringförmiger Spalt (58) festgelegt ist und der Auslaß des Spülkanals mit dem Kolben (11) einen ringförmigen Spalt festlegt, der sich nach außen düsenförmig in den ringförmigen Spalt (58) öffnet.

3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einlaß (bei 59) in den Spülkanal (54) und der zweiten Abdichtung (24-29) ein äußerer ringförmiger Spalt festgelegt ist und der Einlaß des Spülkanals mit dem Kolben (11) einen inneren ringförmigen Spalt festlegt, der sich düsenähnlich in den Spülkanal (54-56) öffnet.

4. Dichtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülkanal (54-56) zwei oder mehr schraubenlinienförmige Rillen (bei 54) aufweist und entlang mindestens einer Schraubenwindung eine Querschnittsfläche besitzt, die im wesentlichen der Spaltquerschnittsfläche des Auslasses (bei 57) und/oder der Einlaßöffnung (bei 59) entspricht, wobei ein Abschnitt (bei 56) des schraubenlinienförmigen Kanals genau an der Vorderseite des Auslasses und/oder ein Abschnitt (bei 56) des schraubenförmigen Kanals genau hinter dem Einlaß eine etwas größere Querschnittsfläche besitzt als die Spaltquerschnittsfläche der Auslaß- bzw. Einlaßöffnung.