DE69304002T2 - Pump with a partially hollow piston - Google Patents
Pump with a partially hollow pistonInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Pumpen und insbesondere von Hochdruck- oder Höchstdruckpumpen.The present invention relates to the technical field of pumps and in particular to high-pressure or ultra-high-pressure pumps.
Solche Pumpen werden unter anderem in der Mineralöl- und in verwandten Industrien, in der industriellen Reinigungsindustrie und in der Bauindustrie angetroffen. Diese Pumpen sind dadurch gekennzeichnet, daß ihre Leistungen sehr hoch sind, gewöhnlich etwa 373000 bis 746000 oder 895200 Joules/s (d.h. 500 bis 1000 oder 1200 PS), und dadurch, daß sie sehr korrodierende Fluide (wie etwa sehr saure Fluide) oder sehr abrasive Fluide (wie etwa Zementaufschlemmungen (Zementmilch) zur Ölbohrloch-Zementierung, oder auch spezielle Fluide wie Frakturationsgels in der Mineralölindustrie, die mit pfropfenbildendenmitteln (Sand) beladen sind und andere besondere Fluide fördern müssen.Such pumps are found in the petroleum and related industries, the industrial cleaning industry, and the construction industry, among others. These pumps are characterized by the fact that their power outputs are very high, usually about 373,000 to 746,000 or 895,200 joules/s (i.e. 500 to 1,000 or 1,200 hp), and by the fact that they have to pump very corrosive fluids (such as very acidic fluids) or very abrasive fluids (such as cement slurries (cement milk) for oil well cementing, or special fluids such as fracturing gels in the petroleum industry loaded with plug-forming agents (sand) and other special fluids.
Außerdem benötigt die Mineralölindustrie sehr strenge Abmessungen und Gewichtsanforderungen, welche offensichtlich im Widerspruch zu mechanischer Festigkeit, Leistung und zu Verschleiß- und Abrasionsfestigkeit stehen, die auch für solche Pumpen benötigt werden.In addition, the petroleum industry requires very strict dimensions and weight requirements, which are obviously in conflict with the mechanical strength, performance and wear and abrasion resistance that are also required for such pumps.
Es sind bis jetzt zahlreiche Pumpen bekannt, die verbessert werden müssen.There are now numerous pumps known that need to be improved.
Eine Pumpe dieser Art besteht schematisch aus einem "Antriebsende" und einem "Fluid-Ende". Das Antriebsende umfaßt all jene Elemente, die für die Kolbenverlagerungund den Kolben notwendig sind. Das Fluid-Ende ist ein Höchstdruckende, das schematisch aus einem Körper besteht, welcher die Kolbenkammer mit ihrem Einlaßventil und Auslaßventil und ein Fluid-Austragselementbildet.A pump of this type consists schematically of a "drive end" and a "fluid end". The drive end includes all those elements necessary for the piston displacement and the piston. The fluid end is a high pressure end, which schematically consists of a body which forms the piston chamber with its inlet valve and outlet valve and a fluid discharge element.
Bei herkömmlichen Pumpen umfaßt die Kammer ein (oder mehrere) Einlaßventil(e) und ein (oder mehrere) Auslaßventil(e).In conventional pumps, the chamber comprises one (or more) inlet valve(s) and one (or more) outlet valve(s).
Allgemein sind diese Ventile an dem Ende der Kammer angeordnet, das dem freien Ende des Kolbens entgegengesetzt ist.Generally, these valves are located at the end of the chamber opposite the free end of the piston.
Der Aufbau und die Arbeitsweise von solchen Pumpen sind in der Technik sehr gut bekannt.The structure and operation of such pumps are very well known in the technology.
Es ist auch eine "Inline" genannte Anordnung bekannt. Die vorliegende Erfindung ist eine entscheidende Verbesserung eines solchen Typs von "Inline"-Fluid-Ende.An arrangement called "inline" is also known. The present invention is a significant improvement on such a type of "inline" fluid end.
Die Fig. 1 zeigt "Inline"-Fluid-Endengemäß dem Stand der Technik. Die Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.Figure 1 shows "inline" fluid ends according to the prior art. Figure 2 shows a preferred embodiment of the invention.
Die "Inline" Pumpe gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1) umfaßt einen Hochdruckkörper (9), eine Hochdruckkammer (2) und einen soliden Kolben (8). Der Körper und der Kolben weisen eine Einlagedichtung (7) auf, die dem Hochdruck der Kammer (2) auszusetzen ist.The "inline" pump according to the prior art (Fig. 1) comprises a high pressure body (9), a high pressure chamber (2) and a solid piston (8). The body and the piston have an insert seal (7) which is to be exposed to the high pressure of the chamber (2).
Der Einfachheit halber ist das Antriebsende der Pumpe nichtdargestellt.For simplicity, the drive end of the pump is not shown.
Das Fluid-Ende umfaßt ein Einlaßventil (1) in Gestalt eines Rings, der an dem Kammerende, welches dem Kolben am nächsten liegt, an einer Rückstellfeder montiert ist, und ein Auslaßventil (3) das auch an einer Rückstellfeder (4) montiert ist. Das Auslaßventil ist an dem anderen Ende der Kammer (2) angeordnet, und kann dieses Ende dicht verschließen.The fluid end comprises an inlet valve (1) in the form of a ring, mounted on a return spring at the end of the chamber closest to the piston, and an outlet valve (3) also mounted on a return spring (4). The outlet valve is arranged at the other end of the chamber (2) and can tightly close this end.
Wenn sich der Kolben in die Richtung (A) vom Einlaß verlagert, wird das Fluid durch Saugwirkung in einer bekannten Weise durch die Einlaßrohrleitungen (6) gezogen. Diese Rohrleitungen umfassen einen Ringwulst, um das Fluid symetrisch zu verteilen. Das Ventil (1) wird zurückgedrückt und widersetzt sich nicht dem Fluideinlaß. Wenn der Kolben zu schieben beginnt, ist die Kammer (2) dann mit dem Fluid gefüllt, das durch das Ventil (3), welches durch die Feder (4) auf seinen Sitz (10) gedrückt wird, zurückgehaltenwird.When the piston moves in the direction (A) from the inlet, the fluid is drawn by suction in a known manner through the inlet pipes (6). These pipes comprise an annular bead to distribute the fluid symmetrically. The valve (1) is pushed back and does not oppose the fluid inlet. When the piston starts to push, the chamber (2) is then filled with the fluid which is retained by the valve (3) which is pushed onto its seat (10) by the spring (4).
Wenn der Kolben zurück in die Richtung (D) drückt, wird das Ventil (1) geschlossen, das Fluid wird in der Kammer (2) komprimiert, das Ventil (3) wird geöffnet und das Fluid wird durch die Austragsrohrleitung (11) ausgestoßen.When the piston pushes back in direction (D), the valve (1) is closed, the fluid is compressed in the chamber (2), the valve (3) is opened and the fluid is expelled through the discharge pipe (11).
Diese Art von "Inline"-Fluid-Endeweist zwei Nachteile auf. Einerseits kann die Dichtung (7) überhaupt nicht oder nur schlecht dem hohen Druck standhalten, was ein ernstes Problem darstellt. Andererseits ist die Fluidzirkulationan dem Einlaß in die Rohrleitungen (6) hoch abrasiv und es besteht eine Gefahr, daß mechanischer Bruch insbesondere im Bereich (12) auftritt. Schließlich wird das Fluid in der Richtung (A) zugeführt und in der entgegengesetzten Richtung (D) ausgestoßen, was für die Pumpenleistung beeinträchtigend ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Kolben selbst modifiziert und wirkt mit einem "Inline"-Fluid-Ende (Fig. 2) zusammen.This type of "inline" fluid end has two disadvantages. On the one hand, the seal (7) cannot withstand the high pressure at all or only poorly, which is a serious problem. On the other hand, the fluid circulation at the inlet to the pipes (6) is highly abrasive and there is a risk that mechanical breakage occurs particularly in the area (12). Finally, the fluid is supplied in the direction (A) and expelled in the opposite direction (D), which is detrimental to the pump performance. According to the present invention, the piston itself is modified and cooperates with an "inline" fluid end (Fig. 2).
Die Einrichtung gemäß der Erfindung umfaßt einen Hochdruck-Fluid- Endkörper (21), einen Niederdruckkörper (22) der mit dem Kolben (16) eine Niederdruckkammer (24) begrenzt, eine Fluideinlaßrohrleitung (26) und eine Austragsrohrleitung (20).The device according to the invention comprises a high-pressure fluid end body (21), a low-pressure body (22) which, together with the piston (16), delimits a low-pressure chamber (24), a fluid inlet pipe (26) and a discharge pipe (20).
Der Hochdruckkörper (21) begrenzt mit dem Kolben (16) eine Hochdruckkammer (13).The high-pressure body (21) defines a high-pressure chamber (13) together with the piston (16).
Der Kolben (16) ist an seiner Verlängerung (17) die vor der Austragsrohrleitung (20) angeordnet ist (freies Ende des Kolbens), teilweise hohl.The piston (16) is partially hollow at its extension (17) which is arranged in front of the discharge pipe (20) (free end of the piston).
Diese Verlängerung (17) bestimmt in dem Körper des Kolbens eine Hochdruckkammer (19) welche sich nach hinten mit einer (oder mehreren) Öffnung(en) in die Niederdruckkammer (24) öffnet, und zum Kopf hin (d.h. zur Austragsrohrleitung) umfaßt sie ein Einlaßventil (15).This extension (17) defines in the body of the piston a high pressure chamber (19) which opens towards the rear with one (or more) opening(s) into the low pressure chamber (24), and towards the head (i.e. towards the discharge pipe) it comprises an inlet valve (15).
Schließlich öffnet das Einlaßventil (26) in die Niederdruckkammer (24) und die Austragsrohrleitung (20) weist ein Auslaßventil (14) auf.Finally, the inlet valve (26) opens into the low pressure chamber (24) and the discharge pipe (20) has an outlet valve (14).
Eine Hochdruckdichtung (23) dichtet den Bereich zwischen der Hochdruckkammer (13) und der Niederdruckkammer (24) um den Kolben herum ab.A high-pressure seal (23) seals the area between the high-pressure chamber (13) and the low-pressure chamber (24) around the piston.
Ein Niederdruckdichtung (25) dichtet die Niederdruckkammer (24) ab.A low-pressure seal (25) seals the low-pressure chamber (24).
Die Rückholfedern der Ventile (15) und (14) sind der Einfachheit halber nicht dargestellt; ferner ist ihre Anordnung herkömmlich und wird beim Lesen der Arbeitsweise unten klar.The return springs of the valves (15) and (14) are not shown for the sake of simplicity; furthermore, their arrangement is conventional and will become clear from reading the operation below.
Wenn sich der Kolben in die Einlaßrichtung (A) verlagert, hat ein bekanntes Phänomen einen Unterdruck in der Hochdruckkammer (13) zur Folge. Das Ventil (15) wird geöffnet, das Ventil (14) wird geschlossen und das Fluid zirkuliert von der Niederdruckkammer (24) zur Kammer (19) durch die Öffnung oder den Durchlaß (18) und schließlich zur Kammer (13).When the piston moves in the inlet direction (A), a well-known phenomenon results in a negative pressure in the high pressure chamber (13). The valve (15) is opened, the valve (14) is closed and the fluid circulates from the low pressure chamber (24) to the chamber (19) through the opening or passage (18) and finally to the chamber (13).
Im Betrieb sind alle Kammern offensichtlich permanent mit Fluid gefüllt.During operation, all chambers are obviously permanently filled with fluid.
Wenn der Kolben in die Richtung (D) zurückdrückt, wird das Ventil (15) geschlossen, das Fluid wird in der Kammer (13) durch den durch die Verlängerung (17) geformten Kolben, der mit Fluid gefüllt ist und durch das Ventil (15) verschlossen ist, komprimiert, das Ventil (14) wird geöffnet und das Fluid wird durch die Aüstragsrohrleitung (20) ausgestoßen.When the piston pushes back in direction (D), the valve (15) is closed, the fluid is compressed in the chamber (13) by the piston formed by the extension (17) which is filled with fluid and closed by the valve (15), the valve (14) is opened and the fluid is expelled through the discharge pipe (20).
Die vorliegende Erfindung weist verschiedene Vorteile auf, die alle sehr wichtig und sogar entscheidend sind.The present invention has several advantages, all of which are very important and even crucial.
Es muß anerkannt werden, daß das Totvolumen bis zu einem sehr geringen Volumen, das im wesentlichen gleich Null ist, verringert werden kann. Dies hat offensichtlich eine positive Wirkung auf die volumetrische Effizienz der Hochdruckpumpe.It must be recognized that the dead volume can be reduced to a very low volume, essentially zero. This obviously has a positive effect on the volumetric efficiency of the high pressure pump.
In dem Fall - welcher bei den gegenwärtigen Techniken, wie es oben beschrieben wurde, häufig auftritt - daß die Hochdruckdichtung (23) nicht korrekt abdichtet, hätte dies nur schwache Konsequenzen, da der Fluidverlußt mit Leichtigkeit in der Kammer (24) ohne irgendeine Verschmutzung zurückgewonnen werden würde (dieser Faktor wird im gesamten Ölbereich in hohem Maße ausschlaggebend). Soweit die Niederdruckdichtungbetroffen ist, nehmen die gegenwartigen Techniken leicht ein Fehlen einer undichten Stelle an und beseitigen dann jedes Verschmutzungsrisiko, und außerdem ist die Wartung einer solchen Luft-/Niederdruckdichtungleicht.In the event - which often occurs with current techniques as described above - that the high pressure seal (23) does not seal correctly, this would have only minor consequences, since the fluid loss would be easily recovered in the chamber (24) without any contamination (this factor becomes highly decisive in the whole oil sector). As far as the low pressure seal is concerned, current techniques easily assume an absence of leakage and then eliminate any contamination risk, and in addition, maintenance of such an air/low pressure seal is easy.
Die Rohrleitung (26) / Kammer (24) / Kammer (19) / Kammer (13) / Austrag (20) Fluidzirkulation ist aus der Sicht der Fluid- Hydrodynamik im wesentlichen ideal. Insbesondere muß das Fluid seine Flußrichtung nicht radikal ändern. Dies wird die Kavitation, welche besonders bei viscosifizierten Fluiden und bei hohen Flußraten auftritt, als auch den abrasiven Prozeß offensichtlich verringern.The pipe (26) / chamber (24) / chamber (19) / chamber (13) / discharge (20) fluid circulation is essentially ideal from the point of view of fluid hydrodynamics. In particular, the fluid does not have to radically change its flow direction. This will obviously reduce the cavitation, which occurs particularly in viscosified fluids and at high flow rates, as well as the abrasive process.
Die Trägheitskräfte, die durch den Kolben erzeugt werden, werden mit dem Öffnen und dem Schließen des Einlaßventils exakt zu dem Zeitpunkt zusammenwirken, welcher die höchste Effizienz aufweist. Dieser Vorteil neigt dazu, die volumetrischen Effizienz auf einem hohen Wert beizubehalten und verhindert auch die Kavitation.The inertia forces generated by the piston will interact with the opening and closing of the intake valve at the precise time that provides the highest efficiency. This advantage tends to maintain the volumetric efficiency at a high level and also prevents cavitation.
Schließlich hat die Symmetrie des Hochdruckelements bezüglich der Achse eine Verringerung des Spannungskonzentrationsprozesseszur Folge, und erlaubt dann eine wesentliche Materialabnahme und außerdem eine Gewichtsabnahme, was ein anderer wichtiger Parameter bei den in Betracht gezogenen Industrien ist.Finally, the symmetry of the high pressure element with respect to the axis results in a reduction in the stress concentration process, and thus allows a significant reduction in material and also a reduction in weight, which is another important parameter in the industries under consideration.
Offensichtlich können eine oder mehrere Rohrleitungen (26) existieren, umfassend Rohrleitungen mit einer Kreisring- Einspritzung oder einer Mehrstellen-Einspritzung ebenso wie eine oder mehrere Öffnungen (18), die eine geeignete Form aufweisen. Die Anzahl der Kolben ist unwichtig obwohl bisher insbesondere Dreikolbenpumpen verwendet wurden.Obviously, one or more pipes (26) may exist, comprising pipes with annular injection or multi-point injection as well as one or more orifices (18) having a suitable shape. The number of pistons is unimportant although three-piston pumps have been used in particular so far.
Die Anwendungen betreffen speziell all die Hochdruckpumpen in allen Industrien.The applications specifically concern all high pressure pumps in all industries.
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |