DE60211791T2

DE60211791T2 - Kolbenanordnung und Kolbenpumpe mit einer solchen Kolbenanordnung

Info

Publication number: DE60211791T2
Application number: DE60211791T
Authority: DE
Inventors: Kerry G. Edgerton Vonalt; Jonathan T. Defiance Wiechers
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-03-21
Also published as: EP1249607A2; DE60211791D1; EP1249607B1; EP1249607A3; US6558141B2; US20020150487A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Dichtungen zur Verwendung in einem ringförmigen Dichtungsraum zwischen einem ersten zylindrischen Bauteil, welches sich innerhalb einer zylindrischen Bohrung eines zweiten Bauteils hin-und-her-bewegt, und insbesondere solche Dichtungssätze, welche speziell für den Einsatz in Dichtungen für Hochdruckenden einer Hubkolbenpumpe konstruiert sind, welche zum Pumpen von Flüssigkeiten und Schlämmen eingesetzt wird.
Hubkolbenpumpen und Dichtungspackungen hierfür sind im Allgemeinen bekannt, mit entsprechenden Beispielen, welche in der US-A-5,647,737 gezeigt sind. Diese Hubkolbenpumpen sind betriebsmäßig mit einer hin-und-her-gehenden Antriebseinrichtung verbunden, wie beispielsweise einem Hubkolbenmotor mit einem Kolbenrohr. Das Kolbenrohr wird direkt mit der Basis des Motors verbunden und enthält ein Hubkolbenpumpenbauteil, welches eine Zahl von Dichtungen aufweist.
Die Dichtung zwischen dem hin-und-her-gehenden Hubkolben und dem Zylinder weist bei Hochdruckhubkolbenpumpen typischerweise eine Dichtungsanordnung mit einer Vielzahl von V-förmigen Dichtungsringen auf, welche in Längspressung mit verschiedenen männlichen und weiblichen Adaptern an den vorderen und hinteren Enden dieser Dichtungssätze gehalten werden. Im Allgemeinen wird eine obere Dichtungsanordnung und eine untere Dichtungsanordnung vorgesehen, wobei die obere Dichtungsanordnung innerhalb des Kolbenrohrs stationär ist und die untere Dichtung an dem Ende des sich hin-und-her-bewegenden Stößels dem Kolbenrohr angeordnet und mit diesem bewegbar ist.
Bei Pumparbeiten mit diesen Hubkolbenpumpen werden typischerweise sehr hohe Drücke im Bereich von mehreren tausend Pound pro Square Inch (1 lbf/in² = 6,895 kN/m²) erreicht. Zusätzlich sind die Fluide im Fall von Schlämmen oft sehr abrasiv, da sie große Mengen von Feststoffteilchen hierin befördern. Im Ergebnis ergibt sich am Hochdruckende quer über die unteren Dichtungen dieser Pumpen ein sehr schwieriges Dichtungsproblem, wobei verhindert werden muss, dass Fluid oder Schlamm zwischen dem sich hin-und-her-bewegenden Hubkolben und dem Zylinder, in welchem sich dieser hin-und-her-bewegt über eine Leckage entweicht. Dieses Leckageproblem wird noch übertroffen durch Verschiebungsprobleme, welche beim Einsatz solcher Dichtungen einschließlich der Verschiebung der V-förmigen Dichtungsringe auf Grund der hydraulischen Belastung von dem Hochdruckfluidende der Pumpe auftreten.
Die US-A-5,456,583 offenbart eine Flüssigkeitspumpe mit einer Kolbendichtungsanordnung ähnlich der Anordnung, die in den 2 und 3 der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Kunststoffdichtungen 58, welche in diesem früheren Patent offenbart sind, sind nicht an der Kolbenstange 40 angebracht, an der die oberen (nicht identifizierten) Dichtungen angeordnet sind, sondern stattdessen auf einem separaten Kolben 46, der an der Kolbenstange angebracht ist.
Die US-A-3,787,149 offenbart eine ähnliche Konstruktion wie die der US-A-5,456,583, derart, dass die Dichtungsscheiben noch auf einem Komponententeil angeordnet sind, welches mit der sich hin-und-her-bewegenden Stange verbunden ist. Das Komponententeil dieses früheren Patents führt es jedoch auf (statt in) die sich hin-und-her-bewegende Stange über innere Gewinde, welche mit den äußeren Verschraubungen der sich hin-und-her-bewegenden Stange verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kolbenanordnung für eine Hubkolbenpumpe vorgesehen, wobei ein Kolben der Anordnung ein Pumpende mit einem äußeren Umfang hat, wobei wenigstens eine Dichtung um dieses Pumpende des Kolbens herum angeordnet ist, und mit einem Sicherungsglied mit einem ersten Ende, welches an dem Pumpende des Kolbens befestigt ist und mit einem zweiten Ende, mit einem Flansch mit einem äußeren Umfang, welcher größer ist als der äußere Umfang des Pumpendes des Kolbens, wobei wenn das erste Ende des Sicherungsglieds an dem Pumpende des Kolbens angebracht ist, das zweite Ende die wenigstens eine Dichtung festhält, welche um das Pumpende des Kolbens herum angeordnet ist festhält, wobei der Kolben einen konstanten Maximaldurchmesser über seine Länge und ein angetriebenes Ende hat, wobei das angetriebene Ende und das Pumpende an dem Kolben konzentrisch und integral ausgebildet sind, wobei eine erste Dichtungspackung mit wenigstens einer Dichtung vorliegt, welche um das angetriebene Ende des Kolbens herum angeordnet ist und eine zweite Dichtungspackung vorliegt, die wenigstens eine Dichtung aufweist, welche um das Pumpende des Kolbens herum angeordnet ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird sie nun unter Zuhilfenahme der Zeichnung beispielhaft beschrieben:
1 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer konventionellen Hubkolbenpumpe, deren Komponenten demontiert gezeigt sind.
2 zeigt eine Schnittansicht, welche eine montierte Pumpe unter Verwendung der in 1 gezeigten Komponenten darstellt.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, welche den unteren Abschnitt des Pumpenendes der Kolbenstange, welche in 2 gezeigt ist, darstellt.
4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, welche einen Abschnitt des unteren Pumpenendes einer Kolbenstange und eine Dichtungsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
5–6 zeigen Schnittansichten, welche aufeinanderfolgende Ansichten eines Pumphubes einer Hubkolbenpumpe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
7-8 zeigen Schnittansichten, welche aufeinanderfolgende Ansichten eines Pumphubes einer Hubkolbenpumpe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
Die Erfindung wird am besten im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Gemäß einer allgemeinen Übung sind die verschiedenen Maße der Pumpeneinzelteile in den Zeichnungen nicht maßstabsgetreu gezeigt und aus Gründen der Klarheit vergrößert.
In 1 ist ein Abstandsrohr 2, ein Zylinderrohr 9 und ein Fußventilanordnung 25 gezeigt, welche, wenn sie wie in 2 gezeigt ist, zusammengeschraubt sind, ein zylindrisches unteres Pumpenende einer konventionellen Hubkolbenpumpe darstellen. Das Abstandsrohr 2 ist an einem (nicht gezeigten) Motorgehäuse, unter Verwendung einer Schließmutter 1 befestigt und trägt eine obere Dichtungsanordnung mit einer Vielzahl von "V"-Ringen oder -Dichtungen 4, welche zusammengedrückt in Längsrichtung zwischen einer weiblichen Scheibe und einer männlichen Scheibe 6 durch einen Dichtungsring 8 und eine Feder 7, wie dargestellt ist, gehalten werden. Das zylindrische Rohr 9 bildet einen Pumpenauslasskörper und ist mit einem Auslassanschluss 10 versehen, welcher zwischen den Enden des zylindrischen Rohrs 9 angeordnet ist. Die Fußventilanordnung 25 ist am unteren Ende des Abstandrohrs 2 über eine Riegelmutter 24 befestigt. Eine Kugelstoppanordnung 26 mit einer Schließkugel 23 ist innerhalb der Fußventilanordnung 25 wie gezeigt abgedichtet.
Konzentrisch und in Längsrichtung innerhalb des Abstandsrohrs 2, des Zylinderrohrs 9 und der Fußventilanordnung 25 ist ein Kolben 13 angeordnet, der an einem oberen Ende mit einer Antriebsstange eines (nicht gezeigten) Motors über einen Verbindungsstift 11 und einen Splint 12 befestigt. Das obere Ende des Kolbens 13 bewegt sich durch den inneren Durchmesser der "V"-Dichtungen 4, welche mit dem Kolben dichtend in Verbindung stehen, wenn er sich innerhalb des zylindrischen Pumpenendes hin-und-her-bewegt.
In dem unteren Ende 18 des Kolbens 13 ist eine Rückschlagkugel 14 angeordnet, welche in einem inneren Ventilsitz 20 sitzt, welcher einen Schaftabschnitt 21 mit einem Gewinde 22 hat, welches in dem unteren Ende 18 des Kolbens 13 eingeschraubt ist. Auf dem Schaftabschnitt 21 ist eine untere Dichtungsanordnung mit einer Vielzahl von "V"-Ringen oder – Dichtungen 17 angeordnet, welche in Längskompression zwischen einer männlichen Dichtungsscheibe 16 und einer weiblichen Dichtungsscheibe 19 durch einen Federring 15 und ein mit einem Flansch versehenes Ende des inneren Ventilsitzes 20, wie am besten in 3 zu erkennen ist, gehalten wird. Während des Betriebs bewegen sich die "V"-Dichtungen 17 der unteren Dichtungsanordnung mit dem Kolben 13 hin und her, und stehen mit dem unteren Ende 18 des Kolbens 13 mit der inneren Oberfläche des unteren Pumpenendes dichtend in Verbindung, wenn sich der Kolben 13 hierin hin-und-her-bewegt.
Um die Dichtungsfähigkeit zu verbessern und um die Konstruktion von Dichtungen für Hubkolbenpumpen zu vereinfachen wurde eine alternative Dichtungsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in 4 vorgesehen, in welcher eine untere Dichtungsanordnung, die eine Vielzahl von "V"-Ringen oder -Dichtungen 170 aufweist, welche auf einem unteren Pumpende 180 eines Hubkolbens 130 angeordnet ist. Die untere Dichtungsanordnung wird in Längskompression zwischen einer männlichen Dichtungsscheibe 160 und einer weiblichen Dichtungsscheibe 190 über eine Federscheibe 150 und eine Beilagsscheibe 240 gehalten, welche konzentrisch an einem mit Flansch versehenen Ende eines Sicherungsbauteils 195 angeordnet ist, welches vorzugsweise einen inneren Ventilsitz 200 hat. Vorzugsweise wird ein Verriegelungsring 250 am Kolben 130 verwendet, um die Federscheibe 150 wie gezeigt zu sichern. Der innere Ventilsitz 200 ist ähnlich dem inneren Ventilsitz 20 dahingehend, dass er einen Schaft 210 aufweist, welcher einen inneren Kanal 215 und ein äußeres Gewinde 220 aufweist, welches mit einem Gewinde im unteren Ende 180 des Schafts 130 in Verbindung steht. Die gesamte Position der unteren Dichtungsanordnung in Bezug auf den Hubkolben 130 kann durch Verkürzen oder Verlängern des unteren Ende 180 des Kolbens 130 und des Schafts 210 eingestellt werden.
Während des Pumpenbetriebs bewegen sich die "V"-Dichtungen 170 der unteren Dichtungsanordnung mit dem Kolben 130 und dichten dynamisch gegen die innere Oberfläche des zylindrischen unteren Pumpenendes ab, während das untere Ende 180 des Kolbens 130 sich darin hin-und-her-bewegt. Durch Anordnen des unteren Dichtungssatzes auf der selben Stange, welche durch den oberen Sitz von Dichtungen hindurchgeht, ist ein Dichtungsvorteil geschaffen, indem Konzentrizitäts- oder Ausrichtungsprobleme, welche gegeben sind, wenn Dichtungen auf einem separaten Schaft (d.h. Schaft 21 des inneren Ventilsitzes 20 in 3) angeordnet sind, vermindert werden, welche nicht mit der Achse des Kolbens fluchten.
In Bezug auf die Materialauswahl für die Einzelteile werden "V"-Dichtungen der oberen und unteren Dichtungsanordnung vorzugsweise aus Leder, glasgefülltem PTFE einem Polyethylen mit einem ultrahohen Molekulargewicht und andere elastomere Dichtungsmaterialien oder Kombinationen hiervon gewählt. Die männlichen und weiblichen Dichtungsscheiben sind vorzugsweise aus Bronze und die Dichtflansche sind vorzugsweise aus Nylon. Die Belastung tragenden Betriebs- und Strukturteile sind vorzugsweise aus unterschiedlichen Stahlsorten, wobei der Kolben, der innere Ventilsitz, die Rückschlagkugeln, und das zylindrische Rohr, das den Rohrauslasskörper bildet, höchst vorzugsweise aus gehärteten Stählen gebildet sind, während Kohlenstoffstähle für Strukturteile verwendet werden könnnen wie die Fußventilanordnung und das Abstandsrohr, Teile welche geringerer Belastung unterworfen sind.
In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, gezeigt in den 5 bis 8, befinden sich zylindrische untere Pumpenenden mit Kolben mit unteren Dichtungsanordnungen mit "V"-Dichtungen 170, welche den gleichen Durchmesser haben wir "V"-Dichtungen 4 der oberen Dichtungsanordnungen. Mit diesen Konfigurationen ist der Dichtungsvorteil der Dichtungsanordnungen weiter angehoben durch Vermindern der Anzahl der Dichtungsdurchmesser entlang des Kolbens, welche Konzentrizitäts- oder Ausrichtungsprobleme verursachen könnten. Die Auslass/Einlasspumpverhältnisse der Pumpen können ebenfalls variiert werden durch Verändern des Verhältnisses zwischen dem inneren Durchmesser der zylindrischen Rohre 91, 92 und der Kolben 131, 132, welche ähnlich denen des Zylinderrohrs 9 und des Kolbens 13 sind, dahingehend, dass die Kolben 131, 132 konzentrisch innerhalb der zylindrischen Rohre 91, 92 angeordnet sind. In den 5 und 6 ist eine untere Pumpenendenanordnung gezeigt, in aufeinander folgenden Stangenstellungen an beiden Enden eines Pumpenhubs mit einem 18:1 Auslass/Einlasspumpverhältnis, welches unter Verwendung eines Kolbens 131 mit einem äußeren Durchmesser von 0,7071 Zoll (17,9609 mm) mit einem zylindrischen Rohr 91 mit einem inneren Durchmesser von 1 Zoll(25,4 mm) eingesetzt wird. In den 7 und 8 ist eine andere untere Pumpenendeanordnung gezeigt, in aufeinander abfolgenden Stangenposition an beiden Enden eines Hubstoßes mit einem 28:1 Auslass/Einlasspumpverhältnis, welches erreicht wird, wenn ein Kolben 132 mit einem äußeren Durchmesser von 0,5669 Zoll (14,3993 mm) mit einem zylindrischen Rohr 92 mit einem inneren Durchmesser von 0,8017 Zoll (20,3632 mm) verwendet wird.

Claims

Kolbenanordnung (130) für eine Hubkolbenpumpe, wobei ein Kolben (130, 131, 132) der Anordnung ein Pumpende (180) mit einem äußeren Umfang hat, wobei wenigstens eine Dichtung (170) um dieses Pumpende des Kolbens herum angeordnet ist, und mit einem Sicherungsglied (195) mit einem ersten Ende (210), welches an dem Pumpende des Kolbens befestigt ist und mit einem zweiten Ende (200) mit einem Flansch mit einem äußeren Umfang, welcher größer ist als der äußere Umfang des Pumpendes des Kolbens, wobei, wenn das erste Ende (210) des Sicherungsglieds (195) an dem Pumpende (180) des Kolbens angebracht ist, das zweite Ende (200) an dem Sicherungsglied wenigstens eine Dichtung (170) festhält, welche um das Pumpende des Kolbens herum angeordnet ist, wobei der Kolben (130, 131, 132) einen konstanten Maximaldurchmesser über seine Länge und sein angetriebenes Ende hat, wobei das angetriebene Ende und das Pumpende (180) an dem Kolben konzentrisch und integral ausgebildet sind, wobei eine erste Dichtungspackung (4) mit einer ersten Dichtung vorliegt, welche um das angetriebene Ende des Kolbens herum angeordnet ist und eine zweite Dich tungspackung (170) vorliegt, die wenigstens eine Dichtung aufweist; welche um das Pumpende (180) des Kolbens (130, 131, 132) herum angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das erste Ende (210) des Sicherungsglieds einen inneren Ventilsitz aufweist, welcher so ausgebildet ist, dass er gegen eine Rückschlagkugel 14 innerhalb des Pumpendes des Kolbens (130, 131, 132) anliegt.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei das erste Ende (210) des Sicherungsglieds ein Schaftabschnitt ist, welcher den inneren Ventilsitz und den Flansch verbindet.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Schaftabschnitt einen inneren Durchgang (215) aufweist, welcher durch das erste und das zweite Ende des Sicherungsglieds hindurchgeht und diese miteinander verbindet.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei der Schaftabschnitt außen mit einem Gewinde (220) versehen ist und mit einem Innengewinde verbunden ist, welches an dem Pumpende des Kolbens angebracht ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer männlichen Dichtungsscheibe (160) und einer weiblichen Dichtungsscheibe (190), welche um das Pumpende herum mit der wenigstens einen Dichtung, welche dazwischen abgesetzt ist, angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei die wenigstens eine Dichtung (170) zwischen der männlichen und der weiblichen Dichtungsscheibe komprimiert ist.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Kompression durch den Flansch durch Befestigen des ersten Endes (210) des Sicherungsglieds an dem Pumpende des Schaftes (210) erzeugt wird.
Anordnung nach Anspruch 8, mit einem Seegerring (250), welcher an dem äußeren Umfang und von dem Ende des Kolbens entfernt angeordnet ist, wobei der Seegerring einen Halt bietet, gegen welchen wenigstens eine Dichtung (150) zusammengedrückt wird.
Anordnung nach Anspruch 9, mit zwei Scheiben (150, 240), welche zwischen dem Seegerring (150) und dem Flansch angeordnet sind, wobei wenigstens eine Dichtung zwischen den Scheiben angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei wenigstens eine der beiden Scheiben eine Federscheibe ist.
Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolben (130, 131, 132) zylindrisch ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprache, wobei die wenigstens eine Dichtung eine V-Dichtung (170) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Dichtung eine Vielzahl von V-Dichtungen (170) ist.
Hubkolbenpumpe mit einer Kolbenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das angetriebene Ende des Kolbens zur Befestigung an einer sich hin-und-her-bewegenden Energiequelle ausgebildet ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 15, wobei der Hubkolben zylindrisch ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 15 oder 16, wobei die wenigstens eine Dichtung um das erste angetriebene Ende und die wenigstens eine Dichtung um das zweite Pumpende die gleichen Dimensionen haben.
Hubkolbenpumpe gemäß Anspruch 15, 16 oder 17, wobei die wenigstens eine Dichtung um das erste angetriebene Ende eine V-Dichtung ist.