DE3490354T - Dichtungseinrichtung für eine Hochdruck-Axialkolbenpumpe - Google Patents

Description

■24.935/7Ö-R1.

Kleven Loland A/S

N-5940 Leirvik i Sogn. /Norwegen

"Dichtungseinrichtung für eine Hochdruck-Axialkolbenpumpe"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für eine Hochdruck-Axialkolbenpumpe, insbesondere zur Verwendung als Bohrschlammpumpe, bei welcher der Kolben der Pumpe umgeben ist von einer ersten Abdichtung, die der Seite des Pumpmediums zugewandt ist, und von einer zweiten Abdichtung, die der Antriebsseite zugewandt ist, und von einer dazwischenliegenden Dichtungsfluidzone mit zirkulierendem Hochdruck-Dichtungsfluid.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere in Verbindung mit Pumpen zum Pumpen von Bohrschlamm von Interesse, bei denen der Bohrschlamm mit einem relativ hohen Druck gepumpt werden soll. Infolge "cles hohen verwendeten Pumpendruckes und der speziellen Konsistenz des Pumpmediums (des Bohrschlamms), ist die Pumpe an den Abdichtungen zwi-

sehen 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 insbesondere 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 diesem Dichtungsfluid 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 all-• gemeinen durch die Anwendung eines relativ hohen Druckes des Kühlungs- und Dichtungsfluides erreicht werden. Bei spielsweise kann das Dichtungsfluid mit einem derartig hohen Druck angewandt werden, dass bei einer Undichtigkeit nur eine Strömung des Dichtungsfluides zur Antriebsseite bzw. zur Seite des Pumpmediums erfolgt, während eine Undichtigkeit in entgegengesetzter Weise nach innen zum Dichtungsfluid verhindert wird. Der Druck des Dichtungsfluides kann jedoch gemäss allen geforderten Bedingungen reguliert werden.

Als eine Folge der schnellen axialen Bewegung des Pumpenkolbens relativ zu den Abdichtungen und trotz des hohen Druckes des Dichtungsfluides besteht jedoch eine Gefahr, dass ein Pumpmediumfilm oder ein Schmiermittelfilm o.a. nach innen zwischen die Abdic-htungen und möglicherweise weiter nach, innen in die Dichtungsfluidzone befördert wird. Mittels des zirkulierenden Dichtungsfluides kann man bis zu

einem bestimmten Grad eine Entleerung gemeinsam mit dem Dichtungsfluid erhalten, das einen Anteil Pumpmedium, einen Anteil Schmiermittel u.a. enthalten kann.

In der Praxis bestehen Probleme jedoch darin, den Pumpmediumfilm (mit dazugehörigen Schlammteilchen) und den Schmiermittelfilm bis zu einem Grad zu eliminieren, der ausreicht, die Bildung von Ablagerungen am Pumpenkolben und an den benachbarten Abdichtungen zu vermeiden. Demzufolge ist es schwierig, den Verschleiss an der Kolbenpumpe oder an den Abdichtungen zu reduzieren.

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

Die erfindungsgemässe Dichtungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet ,dass die Dichtungsfluidzone mit einer Spülfluideinrichtung versehen ist,die eine schraubenförmige Spülleitung aufweist,wobei die Einlassöffnung der Spülleitung genau an der Vorderseite der zweiten Abdichtung angeordnet ist,während die Auslassöffnung der Spülleitung genau hinter der ersten Abdichtung (-gerechnet in axialer Richtung des Pumpenkolbens von der Seite des Pumpmediums zur Antriebsseite) angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemässe Anordnung eine r speziellen Spülkarnmer mit zugehöriger,- schraubenförmiger Spülleitung innerhalb der Dichtungsfluidzone, ist eine besonders wirksame ' Kühlung des Kolbens und in e\ner besonders gesteuerten und genau lokalisierten Weise eine Entfernung möglicher AbIa-

gerungen 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 entsprechende 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 einen wirksamen Spülbereich zu verwenden.

Durch die Bewegung des Spülfluids in axialer Richtung von der Antriebsseite zur Seite des Pumpmediums ergibt sich

j
eine reale Möglichkeit, dem Zutritt von Pumpmedium (mit aufgenommenen Partikeln) in den Bereich der Spülleitung entgegenzuwirken. Dieses Bewegungsmuster des Spülfluides ist entsprechend der Tatsache besonders vorteilhaft,dass der Kolben während einer Verdrängung des Pumpmediums in der Verdrängungskammer der Pumpe und während einer entsprechenden Erhöhung des Druckes in der Verdrängungskammer sich gleichgerichtet mit dem Spülfluid bewegt, mit einer minimalen Möglichkeit, dass das Pumpmedium in die Spülfluidkammer eingeleitet wird. Wenn der Kolben sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, d.h. wenn er sich gegen die Strömungsrichtung des Spülfluides bewegt, ist das Pumpmedium einem entsprechenden Druckabfall ausgesetzt, so dass dann vom Spülfluid zur Seite des Druckmediums ein wirksamer Gegendruck erhalten wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass zwischen der Auslassöffnung der Spülleitung und der ersten Abdichtung ein relativ enger ringförmiger Spülfluidspalt festgelegt ist, wobei die Auslassöffnung der Spülleitung mit dem Kolben einen ringförmigen Spalt festlegt, der sich

nach aussen düsenförmig in den engen ringförmigen SpUl.-fluidspalt öffnet.

Durch die Festlegung einer ringförmigen Spülfluidkammer 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 Spülfluidentleerung von der Spülleitung in diesen Bereich und mit einer besonders schnellen Entfernung von Spülfluid radial nach aussen von diesem Bereich möglich.

Durch die Ausbildung eines ringförmigen Spaltes, der sich von der Auslassöffnung der Spülleitung nach aussen düsen-■ förmig in die ringförmige Spülfluidkammer öffnet, ergibt sich die Möglichkeit, das Wegspülen und Entfernen des Spülfluides in einer zusammengesetzten axialen und einer sich nach aussen erstreckenden radialen Bewegung zur anschl i essenden ringförmigen Fluidausgleichskarnmer zu bewirken. Diese zuletztgenannte Bewegung gemeinsam mit der transversalen Bewegung des Spülfluids in der Spülleitung ergibt eine besonders wirksame Spülung des Kolbens in einem 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 erhalten wird und Teile des eingedrungenen Mediums in einer gesteuerten Art in einer axialen Richtung entlang dem Kolben und nach aussen in die Fluidausgleichskammer geleitet werden, die sich radial ausserhalb des Kolbens befindet.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, dass zwischen der Einlassöffnung der"Spülleitung und der zweiten Abdichtung ein äusserer ringförmiger Spülfluidspalt fest-

gelegt ist, wobei die Einlassöffnung der Spülleitung mit dem Kolben einen inneren ringförmigen Spalt festlegt, der sich nach aussen düsenähnlich in die Spülleitung öffnet. Auf diese Weise wird auch zur benachbarten Aussenfläche des Kolbens an der Einlassöffnung der Spülleitung eine düsenähnliche Wirkung erzielt,d.h.eine ganz besondere axial ausgerichtete düsenähnliche Wirkung zusätzlich zu der besonderen axial ausgerichteten düsenähnlichen Wirkung, die an der Auslassöffnung der Spüllei-· tung erhalten wird. Auf diese Weise kann zusätzlich zu der dazwischenliegenden schraubenförmigen Spülwirkung eine zweistufige axial ausgerichtete düsenähnliche Spülwirkung erhalten werden, d.h. eine Spülung,die auf drei erfolgreichen,wechselseitig abgewinkelten Bewegungsmustern des Spülfluides basiert.

Es ist zweckmässig, dass die Spülleitung sich über zwei oder mehr schraubenförmige Windungen erstreckt und ent-. lang 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 Spülfluids sowohl in die Spülleitung selbst als auch in die'Auslassöffnung und/oder die Einlassöffnung der Spülleitung, mit einer wirksamen Verwendung des variablen Bewegungspfades des Spülfluides in der Spülfluidzone erhalten.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verdeutlicht, wobei in der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform einererfindungsgemässen Dichtungseinrichtung
dargestellt ist.

In der Zeichnung ist eine Axialkolbenpumpe 10 dargestellt, Die Pumpe besitzt einen zylindrischen Kolben 11, der eine Verlängerung der 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 an einem Ende des Kolbens 11 anstösst, und eine Kolbenarbeitsfläche 11b in der Arbeits- oder Verdrängungskammer 13 der Pumpe am entgegengesetzten Ende des Kolbens. Im Pumpengehäuse 14, das die Verdrängungskammer 13 umgibt, 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 Gehäuse 12, das die Druckausgleichskammer
12a enthält, ist ein Lagergehäuse 19 angeordnet, das eine Reihe unterschiedlicher Abdichtungen 20-29 enthält, die
gegen die zylindrische Oberfläche 11c des Kolbens 11 an

verschiedenen axialen Stellen entlang des Kolbens 11
Dichtungen bilden.

In Verbindung, mit der Kammer 12a ist ein erstes Abdichtungssystem 20-23 mit vier Dichtungsringen 20, 21, 22 und 23 dargestellt ,die an einer Trägerhülse 30 befestigt sind.

Das Abdichtungssystem enthält zwei entgegengesetzte
äussere Lippenring-Abdichtungen 20 und 21, die an Halterungen 31 und 32 zusammen mit zwei Gleitringabdichtungen 22 und 23 befestigt sind, die zwischen jeweils einem der Halterungen 31, 32 und jeweils einem Steuerelement 33 und

angeordnet sind. Zwischen den Steuerelementen 33, 34 befindet sich eine Kammer 35 mit Gleitlagern, die in einer nicht besonders dargestellten Art mit Schmiermittel beliefert werden.

Ein zweites Abdichtungssystem 24-28 mit fünf Ringdichtungen 24, 25, 26, 27 und 28 ist zwischen zwei getrennten Trägerelementen 36 und 37 und einem Halterungselement 38 befestigt, das einen axial federbelasteten Anschlag 39 besitzt. Die Reihen der Ringdichtungen 24-28 sind voneinander durch dazwischenliegende Abstandsringe 40-43 getrennt und zwischen einem Anschlagabschnitt 37a am Trägerelement 37 und dem federbelasteten Anschlag 39 zusammengeklemmt festgehalten.

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

Zwischen der Lippendichtung 29 und dem Abdichtungssystem 24-28 ist eine Dichtungsfluidkammer 47 ausgeschnitten, d.h.-es ist entlang einem speziellen Bereich des Kolbens 11 eine Dichtungsfluidzone ausgebildet. Durch einen Pfeil 48 ist die Zufuhr von Dichtungsfluid und durch einen Pfeil 49 ist die·Entleerung von gebrauchtem, möglicherweise verunreinigtem Dichtungsfluid angedeutet. Das Dichtungsfluid kann mit.einem beliebigen Druck und in einer beliebig grossen Menge zugeführt werden.Ausserdem ist ein Dichtungsfluideinlass 50 zur Kammer 47 und

ein Dichtungsfluidauslass 51 von der Kammer 47 dargestellt.

In der Kammer 47 ist eine Steuereinrichtung 52 angeordnet, die eine Spülung von Dichtungsfluid entlang der Berührungsfläche des Kolbens 11 sicherstellt. Die Steuerreinrichtung ist mit Schrauben 53 (von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist) am Trägerelement 36 befestigt. Die Steuereinrichtung 52 ist innen mit einer schraubenförmigen Rille versehen,die gemeinsam mit der Berührungsfläche des Kolbens 11 eine schraubenförmige Leitung 54 bildet, die beispielsweise zwei bis drei Windungen aufweist. Die schraubenförmige Rille grenzt an den Enden der Steuereinrichtung 52 an ringförmigen Leitungen 55 und 56 an. Wie in der Zeichnung auf der linken Seite der Steuereinrichtung 52 dargestellt ist,besitzt die Leitung 55 eine etwas grössere Breite und eine etwas grössere Querschnittsfläche als die Leitung 54, und sie konvergiert -gerechnet in axialer Richtung des Kolbens- nach innen zum Kolben .11. Zwischen der Aussenf lache des Kolbens 11 und der Aussenkante 57 der Steuereinrichtung 52 ist ein enger ringförmiger Spalt ausgebildet, der eine Querschnittsfläche besitzt, die im wesentlichen der Querschnittsfläche der Leitung 54 entspricht. Mittels des konvergie- renden Querschnitts der Leitung 55 wird eine deutliche Führungswirkung des Spülfluids von der Leitung 55 in einer axialen Richtung entlang dem Kolben mit einer düsenähnlichen Spülwirkung erzielt. Unmittelbar ausserhalb der Aussenkante 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 den Ausgleich in der Dichtungsfluidkammer 47 entleert wird. Die 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 Spülfluid 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 die schraubenförmige Leitung 54 erzeugt wird, eine Strömung axial entlang dem Kolben in den Spalt 58 anschliesst, der die düsenähnliche Spülungswirkung in der Leitung 55 aufweist.

Eine weitere verbesserte Spülungswirkung wird am entgegengesetzten Ende der Steuereinrichtung 52 dadurch erhalten dass die Leitung 56 einen zur Leitung 55 im wesentlichen entgegengesetzten Pfad besitzt. Die zugehörige andere Aussenkante 59 der Steuereinrichtung 52 legt mit der benachbarten Oberfläche des Kolbens einen engen Spalt fest, wobei die Querschnittsfläche dieses Spaltes im wesentlichen der Querschnittsfläche der Leitung 54 entspricht. Von diesem Spalt expandiert die .Leitung 56, d.h. sie divergiert in axialer Richtung des Kolbens zur Leitung 54 hin. Mittels des engen Spaltes und der benachbarten axial divergierenden Leitung 56 wird auch am Einlass zur Steuereinrichtung 52 eine wirksame düsenähnliche Spülungswirkung erhalten, d.h.eine Strömung in axialer Richtung des Kolbens. Mit anderen Worten wird an entgegengesetzten Enden der Steuerungseinrichtung in axialer Richtung des Kolbens eine zweistufige düsenähnliche Spülungswirkung und in einer Richtung quer zur axialen Richtung des Kolbens eine dazwischenliegende schraubenförmige Spülungswirkung erzielt.

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In der Praxis wird sichergestellt, dass der Fluiddruck des Dichtungsfluides oder des Spülfluides am Auslass der Steuerungseinrichtung dem maximalen Druck des Pumpmediums entspricht oder diesen übersteigt. Wahlweise kann für das Dichtungsfluid oder für das Spülfluid ein etwas kleinerer Fluiddruck verwendet werden,aber bei solchen Anwendungen wird eine grössere Strömungsrate des Dichtungsfluides oder des Spülfluides bevorzugt.

Claims (4)

1. ANSPRÜCHE :

   Dichtungseinrichtung für eine Hochdruck-Axialkolbenpumpe (10), insbesondere zur Verwendung als Bohrschlammpumpe, bei welcher der Kolben (11) der Pumpe umgeben ist von einer ersten Abdichtung (29), die der Seite des Pumpmediums zugewandt ist_;und von einer zweiten Abdichtung (24-28), die der Antriebsseite zugewandt ist, und von einer dazwischenliegenden Dichtungsfluidzone (bei 47) mit zirkulierendem Hochdruck-Dichtungsfluid,

   dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsfluidzone mit einer Spülfluideinrichtung (52) versehen ist, die eine schraubenförmige Spülleitung (54-56) aufweist, wobei die Einlassöffnung (bei 59) der Spülleitung genau an der Vorderseite der zweiten Abdichtung (24-28) angeordnet ist, während die Auslassöffnung (bei 57) der Spülleitung genau hinter der ersten Abdichtung (29) (-gerechnet in axialer Richtung des Pumpenkolbens von der Seite des Pumpmediums zur Antriebsseite) angeordnet ist.
2. 2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j dass zwischen der Auslassöffnung (bei 57), der Spülleitung (54-56) und der ersten Abdichtung (29) ein relativ enger ringförmiger Spülfluidspalt (58) festgelegt ist, wobei die Auslassöffnung der Spülleitung mit dem Kolben einen ringförmigen Spalt (bei 57) (A/v festlegt, der sich nach aussen düsenförmig an den engen ringförmigen Spülfluidspalt (58) öffnet.
3. 3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einlassöffnung (bei 59) der Spülleitung (54) und der zweiten Abdichtung . (24-29) ein äusserer ringförmiger Spülfluidspalt festgelegt ist, wobei die Einlassöffnung der Spülleitung mit dem Kolben einen inneren ringförmigen Spalt festlegt, der sich nach aussen düsenähnlich in die Spülleitung (54-56)öffnet.

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4. 4. Dichtungseinrichtung nach Ansprhch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülleitung (54-56) sich über zwei oder mehr schraubenförmige Windungen (bei 54) erstreckt und entlang mindestens einer Schraubenwindung eine Leitungsquerschnittsfläche besitzt,die im wesentlichen der Spaltquerschnittsfläche der Auslassöffnung (bei 57) und/oder der Einlassöffnung (bei 59) entspricht, wobei ein Abschnitt (bei 56) der schraubenförmigen Leitung (54-56) genau an der Vor-

   ■ · derseite der Auslassöffnung und/oder ein Abschnitt .

   (bei 56) der schraubenförmigen Leitung genau hinter der Einlassöffnung eine etwas grössere Querschnittsfläche besitzt als die Spaltquerschnittsfläche der jeweiligen Auslassöf f nung_vtpitf; der jeweiligen Einlassöffnung.