ES2198752T3 - Conjunto de piston de obturacion para bomba de alta presion. - Google Patents
Conjunto de piston de obturacion para bomba de alta presion.Info
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Abstract
Un conjunto de obturación de fluido a alta presión, que comprende: un portador (12) de elemento de obturación, que tiene un taladro o ánima (13) a través de la cual puede pasar un pistón (14) de movimiento alternativo o de vaivén, y que tiene una primera ranura anular (15), concéntrica con el ánima (13), y una segunda ranura anular (16), que es concéntrica con el ánima (13) y que está separada axialmente de la primera ranura anular; un elemento de obturación anular (17), situado en la primera ranura anular (15) y enfrentado con el émbolo o pistón (14), y una región de extremo (18) del elemento de obturación (17), que es soportada por el portador (12) de elemento de obturación; caracterizado por: un cojinete de guía anular (19), situado en la segunda ranura anular (16) con el fin de entrar en contacto con el pistón (14), siendo un diámetro interno (20) del cojinete de guía anular (19) de aproximadamente 0,0127 mm (0,0005 pulgadas) a aproximadamente 0,0381 mm (0,0015 pulgadas) más pequeñoque un diámetro interno (21) del ánima (13) del portador (12) de elemento de obturación en una región (11) situada entre la primera ranura anular (15) y la segunda ranura anular (16).
Description
Conjunto de pistón de obturación para bomba de
alta presión.
Esta invención se refiere a dispositivos de
obturación de alta presión y, más particularmente, a dispositivos
obturadores para fluido a alta presión, destinados a bombas que
tienen pistones de movimiento alternativo o de vaivén.
En las bombas de fluido a alta presión que tienen
pistones o émbolos de movimiento alternativo, es necesario
proporcionar una obturación alrededor del pistón con el fin de
evitar las fugas del fluido a elevada presión. En tales bombas, el
dispositivo de obturación debe ser capaz de funcionar en un entorno
de presión elevada, soportando presiones que superan los 69 x
10^{6} Pa (10.000 psi), y que incluso llegan a alcanzar y a
superar los 345 x 10^{6} - 483 x 10^{6} Pa (entre 50.000 y
70.000 psi).
En el documento GB 1407874 se describe un
conjunto de obturación de espacio de separación o tolerancia que
permite el flujo del líquido a través del dispositivo de
obturación y la descarga de las fugas a través de una salida situada
en la región de baja presión. El conjunto comprende un pistón y un
cilindro que tiene un casquillo o manguito de obturación con dos
espacios de separación anulares separados axialmente entre sí, uno
de los cuales alberga un tambor, alojando el otro un obturador. La
presencia de un espacio vacío entre el tambor y el pistón permite
al fluido pasar a través de éstos. El pistón se encuentra, en
consecuencia, centrado hidráulicamente. De esta forma, el
desplazamiento sin contacto del pistón dentro del tambor es posible
incluso durante las bajas presiones de bombeo tales como las que
tienen lugar durante el arranque de la bomba.
Otros diseños de dispositivos de obturación
disponibles en la actualidad para uso en tal entorno incluyen un
elemento de obturación resistente a la extrusión, soportado por un
anillo de apoyo o respaldo, y en el cual el anillo de respaldo y el
elemento de obturación son sustentados por un portador de elemento
de obturación. Si embargo, las tolerancias para el espacio de
separación entre el émbolo y el anillo de respaldo son muy
difíciles de conseguir y mantener. En consecuencia, de forma muy
habitual, el émbolo y el anillo de respaldo entran en contacto uno
con otro, generando calentamiento por fricción, lo que a su vez
provoca el fallo del dispositivo de obturación.
En consecuencia, existe la necesidad en la
técnica de un conjunto de obturación de fluido a alta presión
mejorado, y, en particular, de un conjunto de obturación que sea
sencillo de fabricar con precisión y que prolongue la vida útil del
dispositivo de obturación. La presente invención satisface estas
necesidades, y proporciona ventajas adicionales relacionadas.
Brevemente, la presente invención proporciona un
conjunto de obturación de fluido a alta presión mejorado, destinado
a ser utilizado en una bomba de alta presión que está provista de
un émbolo o pistón de movimiento alternativo. En una realización
preferida, el conjunto de obturación incluye un portador de elemento
de obturación que tiene un orificio o ánima a través de la cual
pasa el pistón de movimiento alternativo. El portador de elemento
de obturación tiene una primera ranura anular que es concéntrica
con el ánima y que porta un elemento de obturación anular, estando
una región de extremo del elemento de obturación soportada por el
portador de elemento de obturación. El portador de elemento de
obturación tiene un cojinete anular de guía integral que está
situado en una segunda ranura anular del portador de elemento de
obturación, siendo la segunda ranura anular y el cojinete de guía
contenido en la misma concéntricos con el ánima y estando
separados axialmente de la primera ranura anular y del elemento de
obturación. El ánima que se extiende a través del portador de
elemento de obturación queda, por tanto, definida por una
circunferencia interior del cojinete de guía, una circunferencia
interior del elemento de obturación y una región interior del
portador de elemento de obturación, situada entre el elemento de
obturación y el cojinete de guía. Un diámetro interior del cojinete
de guía es más pequeño que el diámetro interior del ánima del
portador de elemento de obturación en la región comprendida entre
el elemento de obturación y el cojinete de guía, por lo que se
evita que el pistón entre en contacto con el portador de elemento de
obturación. De esta forma, el elemento de obturación es soportado
por el portador de elemento de obturación, y el portador de
elemento de obturación queda separado del pistón por el cojinete de
guía, de manera que se reduce con ello el calentamiento por
fricción y se prolonga la vida útil del elemento de obturación.
Asimismo, los materiales para el cojinete de guía y el pistón se
seleccionan de manera que se minimice la fricción entre ambos
elementos.
El cojinete de guía se coloca en el portador de
elemento de obturación, y se mecaniza a continuación el ánima o
taladro en el portador de elemento de obturación y en el cojinete
de guía en la misma operación, de manera que se mejora la
concentricidad y el alineamiento del cojinete de guía y la porción
del portador de elemento de obturación que soporta el elemento de
obturación anular.
La Figura 1 es una vista en planta y en sección
transversal de un conjunto de bomba que incorpora un conjunto de
obturación dispuesto de acuerdo con una realización preferida de la
presente invención.
La Figura 2 es una vista en planta y en sección
transversal, y aumentada, del conjunto de obturación que se ilustra
en la Figura 1.
La Figura 3 es una vista en planta y en sección
transversal de una ampliación del conjunto de obturación que se
ilustra en las Figuras 1 y 2.
Se proporciona un conjunto de obturación 10 de
fluido a alta presión mejorado, de acuerdo con una realización
preferida de la presente invención, tal como se ilustra en la
Figura 1. El conjunto de obturación 10 está destinado a ser
utilizado en un conjunto de bomba de alta presión 22 que tiene un
émbolo o pistón 14 de movimiento alternativo, acoplado a un
mecanismo de accionamiento 25. El pistón 14 se desplaza con un
movimiento alternativo o de vaivén dentro de un cilindro de alta
presión 24, evitando el conjunto de obturación 10 las fugas de
fluido a alta presión desde una región de alta presión 23 situada
dentro del cilindro de alta presión 24.
Más particularmente, tal como se ilustra en las
Figuras 2 y 3, el conjunto de obturación 10 incluye un portador 12
de elemento de obturación, que tiene un ánima o taladro 13 a
través del cual pasa el pistón 14 de movimiento alternativo. El
portador 12 de elemento de obturación tiene una primera ranura
anular 15 en la cual se coloca un elemento de obturación anular
17. Un elemento de obturación 25 anular y de material elastómero se
dispone en torno a la circunferencia exterior del elemento de
obturación anular 17, a fin de reforzar el elemento de obturación
anular 17 durante el comienzo de una carrera de compresión. Un
manguito o casquillo 50, situado en el interior de la región de
alta presión 23, aloja un muelle o resorte 52 que está acoplado con
el elemento de obturación anular 17 y que empuja a éste hacia la
primera ranura anular 15, a fin de impedir substancialmente que el
elemento de obturación anular salga fuera de la primera ranura
anular. El elemento de obturación anular 17 tiene una porción de
brida 54 que se acopla con el resorte 52 y que evita
substancialmente que el resorte se desplace lateralmente hasta
entrar en contacto con el pistón 14. El portador 12 de elemento de
obturación tiene también un cojinete de guía anular e integral 19
que está colocado en una segunda ranura anular 16 situada dentro
del ánima 13. Como se observa en la Figura 3, la segunda ranura
anular 16 y el cojinete de guía 19 situado en la misma se
encuentran separados axialmente de la primera ranura anular 15 y del
elemento de obturación anular 17 contenido en la misma.
El diámetro interior 20 del cojinete de guía 19
es más pequeño que el diámetro interior 21 del ánima 13 del
portador del elemento de obturación en una región 11 situada entre
el elemento de obturación 17 y el cojinete de guía 19. Por ejemplo,
en una realización preferida, el diámetro interior 20 es entre
0,0127 y 0,0381 mm (entre 0,0005 y 0,0015 pulgadas) más pequeño que
el diámetro interior 21. De esta forma, la región de extremo 18 del
elemento de obturación anular 17 es soportada por la región 11 del
portador 12 de elemento de obturación; sin embargo, la región 11
del portador 12 de elemento de obturación no está en contacto con
el pistón 14, dada la configuración del cojinete de guía 19.
Un conjunto de obturación proporcionado de
acuerdo con una realización preferida de la presente invención
soporta, en consecuencia, un elemento de obturación directamente
por medio del portador de elemento de obturación, eliminando la
necesidad de un anillo de respaldo. El cojinete de guía integral
impide que el pistón entre en contacto con el portador de elemento
de obturación, reduciéndose con ello el calentamiento por fricción
en las proximidades del elemento de obturación, lo que, a su vez,
prolonga la vida útil del elemento de obturación. Con el fin de
incrementar adicionalmente la duración del conjunto, los materiales
para los componentes se seleccionan con el criterio de minimizar el
rozamiento entre el pistón y el cojinete de guía, y entre el pistón
y el elemento de obturación. En una realización preferida, el pistón
14 se fabrica de una cerámica de zirconia (bióxido de zirconio)
parcialmente estabilizada, el cojinete de guía 19 se fabrica de un
grafito impregnado con resina, y el elemento de obturación 17 se
fabrica de un polietileno de peso molecular
ultra-alto. Sin embargo, debe apreciarse que es
posible utilizar una gran variedad de materiales, y que la
selección de los materiales para los componentes es
interdependiente.
Con el fin de incrementar adicionalmente la
fiabilidad de la obturación, el conjunto de obturación se fabrica
preferiblemente presionando el cojinete de guía 19 hacia el
interior del portador 12 de elemento de obturación, y mecanizando el
ánima o taladro a través del cojinete de guía y a través de la
región 11 del portador de elemento de obturación en la misma
operación de mecanizado. Como se ha explicado anteriormente, el
diámetro interior del ánima en la región 11 se mecaniza con un
tamaño ligeramente mayor que el diámetro interior 20 del ánima a
través del cojinete de guía. Sin embargo, al mecanizar ambas zonas
en la misma operación, la concentricidad de los elementos se mejora
en comparación con los sistemas de la técnica anterior, en los que
los elementos de un conjunto de obturación se mecanizan de forma
independiente y se ensamblan a continuación.
Se ha mostrado y descrito un conjunto de
obturación de fluido a alta presión mejorado. De lo anterior se
apreciará que, si bien se han descrito aquí realizaciones
específicas de la invención con propósitos de ilustración, pueden
realizarse diversas modificaciones sin apartarse del ámbito de la
invención. Así pues, la presente invención no está limitada a las
realizaciones aquí descritas, si no que, antes bien, se define por
las reivindicaciones que siguen.
Claims (7)
1. Un conjunto de obturación de fluido a alta
presión, que comprende:
un portador (12) de elemento de obturación, que
tiene un taladro o ánima (13) a través de la cual puede pasar un
pistón (14) de movimiento alternativo o de vaivén, y que tiene una
primera ranura anular (15), concéntrica con el ánima (13), y una
segunda ranura anular (16), que es concéntrica con el ánima (13) y
que está separada axialmente de la primera ranura anular;
un elemento de obturación anular (17), situado en
la primera ranura anular (15) y enfrentado con el émbolo o pistón
(14), y una región de extremo (18) del elemento de obturación (17),
que es soportada por el portador (12) de elemento de
obturación;
caracterizado por
un cojinete de guía anular (19), situado en la
segunda ranura anular (16) con el fin de entrar en contacto con el
pistón (14), siendo un diámetro interno (20) del cojinete de guía
anular (19) de aproximadamente 0,0127 mm (0,0005 pulgadas) a
aproximadamente 0,0381 mm (0,0015 pulgadas) más pequeño que un
diámetro interno (21) del ánima (13) del portador (12) de elemento
de obturación en una región (11) situada entre la primera ranura
anular (15) y la segunda ranura anular (16).
2. Un portador (12) de elemento de obturación de
fluido a alta presión, que comprende:
un cuerpo que tiene un taladro o ánima (13) a
través de la cual puede pasar un émbolo o pistón (14) de movimiento
alternativo o de vaivén, y que tiene una ranura anular (15) que es
concéntrica con el ánima (13) y que está destinada a recibir un
elemento de obturación anular (17), estando el portador (12) de
elemento de obturación provisto de un cojinete de guía anular (19)
que es concéntrico con el ánima (13) y que está separado axialmente
de la ranura anular (15), formando la circunferencia interior del
cojinete de guía anular (19) una porción del ánima (13) a través de
la cual puede pasar el pistón (14) de movimiento alternativo,
caracterizado por que el cojinete de guía anular (19) entra
en contacto con el pistón (14) y por que un diámetro interno (20)
del cojinete de guía anular (19) es entre aproximadamente 0,0127 mm
(0,0005 pulgadas) y aproximadamente 0,0381 mm (0,0015 pulgadas) más
pequeño que un diámetro interno (21) del ánima (13) del portador
(12) de elemento de obturación en la región (11) comprendida entre
la ranura anular (15) y el cojinete de guía anular (19).
3. Un conjunto de bomba de alta presión, que
comprende:
un émbolo o pistón (14), acoplado a un mecanismo
de accionamiento (26), desplazándose el pistón (14) en movimiento
alternativo o de vaivén en una cámara de alta presión (23) formada
en un cilindro de alta presión (24), y un conjunto de obturación,
dispuesto adyacente a la cámara de alta presión (23) con el fin de
evitar substancialmente las fugas de fluido a alta presión desde la
cámara de alta presión (23), teniendo el conjunto de obturación un
taladro o ánima (13) a través de la cual pasa el pistón (14) de
movimiento alternativo, y teniendo una primera ranura anular (15),
que es concéntrica con el ánima (13), y una segunda ranura anular
(16), que está separada axialmente de la primera ranura anular (15)
y que es concéntrica con el ánima (13), estando situado un elemento
de obturación anular (17) en la primera ranura anular (15), y
estando soportada una región de extremo (18) del elemento de
obturación (17) por el portador (12) de elemento de obturación,
caracterizado por que un cojinete de guía anular (19) se
encuentra situado en la segunda ranura anular (16) con el fin de
entrar en contacto con el pistón (14), siendo un diámetro interno
(20) del cojinete de guía anular (19) entre aproximadamente 0,0127
mm (0,0005 pulgadas) y aproximadamente 0,0381 mm (0,0015 pulgadas)
más pequeño que un diámetro interno (21) del ánima (13) del
portador (12) de elemento de obturación en la región (18)
comprendida entre la primera ranura anular (15) y la segunda ranura
anular (16), de tal forma que el pistón (14) se encuentra en
contacto con el cojinete de guía (19), pero no entra en contacto
con el portador (12) de elemento de obturación.
4. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
3, caracterizado por que un elemento de obturación de
material elastómero (25) se encuentra situado en torno a una
circunferencia exterior del elemento de obturación anular (17), a
fin de reforzar el elemento de obturación anular (17) durante el
comienzo de una carrera de compresión.
5. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
3, caracterizado por que los materiales del cojinete de
guía anular (19), del pistón (14) y del elemento de obturación (17)
se seleccionan de modo que garanticen que se establece un
coeficiente de fricción bajo entre el pistón (14) y el elemento de
obturación (17), y entre el pistón (14) y el cojinete de guía
(19).
6. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
5, caracterizado por que el pistón (14) se fabrica de
cerámica de zirconia (bióxido de zirconio) parcialmente
estabilizada, el cojinete de guía (19) se fabrica de grafito
impregnado con resina, y el cierre hermético (17) se fabrica de un
polietileno de peso molecular ultra-alto.
7. Un método para fabricar un dispositivo de
obturación de fluido a alta presión, que comprende la etapa de
insertar un cojinete de guía anular (19) en una abertura(13)
practicada en un portador (12) de elemento de obturación, y
caracterizado por la etapa de mecanizar un
taladro o ánima (13) en el cojinete de guía (19) y en el portador
(12) de cierre hermético en el curso de la misma operación, siendo
un diámetro interno (20) del ánima (13) a través del cojinete de
guía (19), más pequeño que un diámetro interno (21) del ánima a
través del portador (12) de cierre hermético.
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