DE69430072T4 - Ausdehnbarer stopfer und steuerverfahren - Google Patents

Ausdehnbarer stopfer und steuerverfahren

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Leslie Herbert Cowling
Allan Kenneth Wallace
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Vinidex Pty Ltd
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen ausdehnbaren Stopfen zum Abdichten oder zum Regulieren des Drucks oder der Strömung innerhalb eines Rohres, sowie auf ein Steuerverfahren.
  • Ausdehnbare Stopfen dieser allgemeinen Art werden in Fällen verwendet, wo aus bestimmten Gründen normale Strömungsventile ungeeignet sind, z. B. weil die Lage der gewünschten Abdichtung oder Regelung bezüglich des Rohres nicht festliegt, die gewünschte Abdichtung vorübergehend ist oder die Außenseite des Rohres unzugänglich ist.
  • Die allgemeine Lösung für Bauweise und Ausbildung ausdehnbarer Stopfen beinhaltet die Verwendung eines elastomeren Zylinders oder eines Balges, der veranlasst wird, seinen Durchmesser zu erhöhen. Dies kann durch eine Anzahl von mechanischen Einrichtungen oder durch Anlegen eines Innendrucks erfolgen.
  • Bei Verwendung muss der Stopfen einer diametralen Ausdehnung und einem axialen Schub standhalten, wobei der letztere auf Reibung (in Fällen, in denen sich der Stopfen bezüglich des Rohrs verschiebt) sowie auf dem unterschiedlichen Fluiddruck im Rohr quer durch den Stopfen beruht.
  • Mechanisch ausgedehnte Stopfen sind nur für verhältnismäßig kleine Ausdehnungsverhältnisse und/oder niedrige Axialschübe geeignet. Größere Ausdehnungsverhältnisse können beispielsweise in Fällen erforderlich sein, in denen ein unzulässiges hydraulisches Hindernis des Rohres nicht geduldet werden kann, wenn der Stopfen nicht ausgedehnt ist, oder in denen das Rohr seinen Durchmesser ändern oder durch Fluiddruck hinter dem Stopfen veranlasst werden kann, sich auszudehnen. Für sol che Anwendungen wird eine Ausdehnung durch Innendruck bevorzugt.
  • US-Patent Nr. A-4883094. [Streichung(en)] Die Vorrichtung von Vetter ist insbesondere so ausgebildet, dass sie ein Rohr abdichtet, und stellt kein Mittel zur Steuerung seines Innendrucks dar, um den gesteuerten Durchtritt von Schmiermittel an der benutzten Vorrichtung vorbei zu gestatten.
  • US-Patent 2 794 197 beschreibt ein Rohrreinigungsgerät, das einen kugelförmigen Körper (B) mit einer Anzahl von Verstärkungsrippen (50) um diesen aufweist. Ein Seil (20) wird verwendet, um den Körper (B) längs des Rohres (P) zu ziehen, wobei das Fluid strömungsaufwärts von dem Körper durch Öffnungen (12) durchtritt, um den Körper (B) so aufzublasen, dass die Rippen (50) gegen die Innenfläche des Rohrs zu Reinigungszwecken gedrückt werden. Es besteht keine Einrichtung zur Feineinstellung des Innendrucks des Körpers (B) durch Mittel außerhalb des Rohres (P). [Streichung(en)]
  • Die Nachteile dieser Systeme aus dem Stand der Technik werden gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 11.
  • Weitere bevorzuge Ausführungsformen und Verfahrensvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2-10 und 12.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine geschnittene schematische Seitenansicht eines bevorzugten Stopfenaufbaus;
  • Fig. 2 eine Schrägansicht eines Teils des Balges, wobei die Umhüllung weggelassen ist, um die spiralförmige Anordnung der Verstärkungsschnüre offenzulegen;
  • Fig. 3 und 4 schematisch die Ausbreitung der Schnüre beim Aufblasen des Stopfens; und
  • Fig. 5 bis 7 schematische Darstellungen, welche das Steuerverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellen.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Der Stopfen besteht allgemein aus einem Paar von Endkappen 10, zwischen denen ein zylindrischer Balg 12 sich erstreckt. Die strömungsaufwärts gelegene Endkappe 10a weist eine Fluideinlaßöffnung 14 für den Einlass von Flüssigkeit oder Gas oder Endglieder (10, 10a) zum Aufblasen des Balges auf. In der Praxis können die Endkappen gleich sein und die strömungsabwärts gelegenene Endkappe kann abgesperrt oder verengt werden, um einen Rückdruck zu erzeugen. Wenigstens eine der Endkappen ist mit einer äußeren Abstützung körperlich verbunden, um eine wirksame Abstützung gegen einen auf den Stopfen wirkenden Axialschub oder Axialdruck zu erzeugen. Diese Abstützung kann zweckmäßigerweise durch das (nicht gezeigte) Rohr gebildet werden, welches das Aufblasfluid liefert.
  • Der Balg 12 sollte aus einem Rohr oder Schlauch aus elastomerem Material mit hohem Belastungsvermögen und geringer Steifheit gebildet sein, um eine Durchmesserausdehnung ohne Reißen aufzunehmen. Dies ist insbesondere wichtig, wenn ein hohes Ausdehnungsverhältnis erforderlich ist.
  • Der elastomere Balg ist an den Endkappen (10, 10a) durch Druckdichtungen 16 oder andere geeignete Einrichtungen befestigt. Jede Dichtung ist zwischen einem Druckflansch 18 und einem Abstandsblock 20 zusammengepresst, wenn die Mutter 22 auf dem Schaft 24 des Druckflansches festgezogen wird.
  • Die Verstärkungsumhülllung 26 ist aus flexiblen Schnüren 28 gebildet, welche die Außenfläche des Balges umfassen, wobei die Schnüre besser aus Fig. 2 ersichtlich sind. Die Schnur kann befestigt werden, indem sie um eine Reihe von abgewinkelten Verankerungszapfen 30 (in Fig. 1 gezeigt) gewickelt wird, die an jeder Endkappe (10, 10a) angebracht sind. Die Schnüre aus nichtelastomerem Material umfassen den Balg und bieten geringen oder keinen Widerstand gegen die Durchmesserausdehnung. Es ist zu erkennen, dass der Spalt zwischen den Schnüren sich zu vergrößern sucht, wenn sich der Umfang des Stopfens ausdehnt. Innerhalb dieses Spalts ist der elastomere Balg nicht unterstützt, und daher sollten zahlreiche, eng nebeneinander angeordnete Schnüre verwendet werden. Die Schnüre können durch eine zweite elastomere Umhüllung 34 über der Außenseite des Stopfens geschützt werden, wenn erforderlich.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 2 werden die Schnüre unter einem kleinen Spiralwinkel, beispielsweise weniger als 15º, gegen die Achse des Stopfens gelegt, wobei zwei oder mehr Schichten 32a, 32b von Schnüren mit entgegengesetzten Spiralwindungen vorgesehen werden. Dies unterstützt die Anordnung der Schnüre während der Ausdehnung, obwohl auf Kosten einer geringen Erhöhung des Durchmesserwiderstandes infolge der Umfangskomponente der Schnurrichtung.
  • Die meisten im Handel erhältlichen Verstärkungsschnüre werden durch Verdrillen einer großen Anzahl von einzelnen Litzen erreicht. Die Verdrillung verhindert ein Ausbreiten der Schnur und ergibt größere Nachgiebigkeit. Die Erfinder haben jedoch gefunden, dass bei dieser besonderen Anwendung die normale verdrillte Schnur unerwünscht ist, da die Schnüre starke lokale Belastungen im Elastomer bewirken und dazu neigen, in den Balg einzuschneiden. Die Erfinder haben gefunden, dass durch Verwenden unverdrillter Schnur die Litzen sich seitlich über die sich ausdehnende Oberfläche des Balges bewegen, die Belastung verbreitern und so ein Einschneiden des Balges verhindern.
  • Fig. 3 und 4 zeigen diese seitliche Bewegung der Litzen während des Aufblasens. Fig. 3 zeigt eine parallele Schnuranordnung eines unaufgeblasenen Stopfens. Fig. 4 zeigt den gleichen Stopfen, wenn er aufgeblasen ist. Es ist ersichtlich, dass die Breite der unverdrillten Schnüre steigt, wenn der Balg sich ausdehnt. Zur klareren Darstellung zeigen die Fig. 3 und 4 die Schnüre weit voneinander getrennt. In der Praxis werden die Schnüre aber vorzugsweise mit kleinem oder keinem Spalt dichter angeordnet.
  • Grundsätzlich können die Schnüre aus irgendeinem Material mit geeigneten Eigenschaften bestehen, im Allgemeinen hoher Zugfestigkeit, hohem Elastizitätsmodul, großer Flexibilität und geeigneter chemischer Verträglichkeit mit dem benutzten Fluid. Schnüre aus Baumwolle, Metall oder Kunstfaser können verwendet werden. Sehr erfolgreich sind Stopfen unter Verwendung von Aramidschnüren hergestellt worden, die aus einer sehr großen Anzahl von sehr feinen Litzen bestehen und in unverdrillter Form erhältlich sind.
  • Es ist beim Aufbau des Stopfens wichtig, dass die Schnüre alle gleiche Spannung und Länge besitzen. Eine etwas lockerer als andere sitzende Schnur wird beim Ausdehnen verschoben und lässt einen nicht unterstützten Spalt am elastomeren Balg frei. Ein Verfahren, durch das gleiche Spannung erzielt werden kann, besteht darin, Schnurverankerungsringe an einem geeigne ten steifen Rahmen zu befestigen und die Schnüre unter Verwendung eines Gegengewichts aufzuwickeln, um konstante Spannung zu gewährleisten.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann die verstärkende Umhüllung mit dem elastomeren Material des Balges oder der Umhüllung fest verbunden oder einstückig ausgebildet werden. Die Verwendung der unverdrillten Schnüre gestattet eine seitliche Verschiebung der Litzen, wodurch die Neigung der Schnüre verringert wird, die elastomere Matrix des zusammengesetzten Materials während der Ausdehnung zu zerreissen.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau ergibt einen Stopfen mit stark anisotropen Eigenschaften, nämlich:
  • 1. Die Fähigkeit zur Aufnahme einer Durchmesserausdehnung ohne Reißen und ohne das Erfordernis übermäßigen Druckes, d. h. ein hohes Belastungsvermögen in Umfangsrichtung und eine geringe Steifheit; und
  • 2. die Fähigkeit zum Aushalten axialer Belastung, die auf der Druckdifferenz durch den Stopfen hindurch beruht, d. h. sehr hohe Festigkeit und hohe Steifheit in der Axialrichtung.
  • Die Durchmesser-Ausdehnungseigenschaften des Stopfens beruhen auf dem verhältnismäßig niedrigen freien Ausdehnungsdruck, d. h. dem für die Ausdehnung des Stopfens auf den Rohrdurchmesser ohne Begrenzung erforderlichen Druck. Dies ermöglicht eine Feinsteuerung des Aufblasdruckes des Stopfens und ermöglicht so eine Steuerung des Zustromdruckes oder der Strömung im Rohr, wie nachfolgend beschrieben.
  • Überraschenderweise haben die Erfinder gefunden, dass eine genaue und vorhersagbare Beziehung existiert zwischen dem auf einen ausdehnbaren Stopfen aufgegebenen Innendruck und dem Druck, der hinter dem Stopfen aufrechterhalten werden kann, was durch folgende Gleichung wiedergegeben wird:
  • Pp = ΔP + Pd
  • worin
  • Pp = auf den Stopfen aufgegebener Druck
  • ΔP = Druckdifferenz am Stopfen
  • Pd = Druck zum Ausdehnen des Stopfens auf den Durchmesser d ohne Begrenzung (freier Ausdehnungsdruck)
  • d = Durchmesser des begrenzenden Rohres
  • ist.
  • Die Fig. 5 bis 7 stellen die Parameter des Regelverfahrens dar. Fig. 5 zeigt den nicht ausgedehnten Stopfen, wobei Atmosphärendruck sowohl innerhalb als auch außerhalb des Stopfens herrscht. In Fig. 6 ist der Stopfen auf einen Durchmesser d ohne eingrenzendes Rohr durch Aufgeben des freien Ausdehnungsdruckes Pd auf die Innenseite des Stopfens ausgedehnt. In Fig. 7 ist der Stopfen innerhalb eines Rohrs 36 mit dem Innendurchmesser d ausgedehnt und das Innenvolumen des Rohrs strömungsaufwärts des Stopfens ist unter einen Druck von ΔP gesetzt. Der minimale Stopfendruck Pp, der zur Aufrechterhaltung der Druckdifferenz ΔP erforderlich ist, kann berechnet werden als die Summe des freien Ausdehnungsdruckes und der Druckdifferenz.
  • Die Erfinder haben gefunden, dass durch Regeln des Innendrucks im Stopfen im Wesentlichen gemäß der obigen Gleichung die Druckdifferenz stromungsaufwärts des Stopfens genau geregelt werden kann, da das Fluid am Stopfen vorbei auszutreten beginnt bei Druckdifferenzen, die ΔP übersteigen. Ein Re geln des Stopfendruckes im Wesentlichen gemäß der obigen Gleichung ist insbesondere auch brauchbar bei Anwendungen, bei denen eine Relativbewegung zwischen dem Stopfen und dem Rohr stattfindet. Bei solchen Anwendungen kann das zurückgehaltene Fluid veranlasst werden, an der Oberfläche des Stopfens vorbeizuströmen und einen dünnen Film zu bilden, wodurch die Relativbewegung geschmiert und die Reibungskräfte an der Außenfläche des Stopfens reduziert werden.
  • Die Empfindlichkeit der Regelung hängt von dem freien Ausdehnungsdruck des Stopfens ab. Wenn dieser sehr groß ist, dann ist ein sehr großer Stopfendruck erforderlich, um eine Abdichtung zu bewirken, was eine feine Regelung des Systems verhindert. Es ist daher erwünscht, dass der freie Ausdehnungsdruck so niedrig wie möglich gehalten wird, wobei dieses Ziel durch den Stopfenaufbau gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erreicht wird.
  • Für Druckregelanwendungen bezieht sich ein weiteres wichtiges Merkmal eines solchen Stopfens auf sein Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D). Es wird bemerkt, dass der Durchmesser des Stopfens bei maximaler Ausdehnung eintritt, wenn die Schnüre eine Kugel bilden. Nach dem Erreichen dieses Punktes kann ein weiterer Druckanstieg nicht zu einer weiteren Erhöhung des Durchmessers führen. (Mit einer Druckdifferenz durch den Stopfen hindurch kann dieser Punkt tatsächlich niemals erreicht werden). Dies setzt daher eine niedrigere Grenze für die Länge des Stopfens. Wenn diese niedrigere Grenze erreicht ist, sinkt die Empfindlichkeit des Stopfens, d. h. der Ausdehnungsdruck des freien Stopfens steigt, und an der Grenze auf unendlich. Es erscheint daher zweckmäßig, einen sehr langen Stopfen zu haben. Es wurde jedoch festgestellt, dass ein Stabilitätsproblem entsteht, wenn der Stopfen zu lang ist, wobei der Stopfen zunehmend von dem Zuströmende zum Abströmende zusammenfallt und das zurückgehaltene Fluid in Spritzern freigesetzt wird. Das kritische obere Verhältnis L/D hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der Nachgiebigkeit des Druckerzeugungssystems (gesteuert durch das Volumen und die Elastizität des Rohrswerks und der Pumpen), sowie der Art des zurückgehaltenen Fluids und des Aufblasfluids. Für Wasser sind erfolgreiche Verhältnisse L/D für den Stopfen unterhalb etwa 8 : 1 gefunden worden.

Claims (12)

1. Aufblasbarer Stopfen für die Regelung des Druckes oder der Strömung im Innern eines Rohres, welcher enthält: - einen aufblasbaren Balg (12), der für eine Ausdehnung seines Durchmessers durch die Anlegung eines inneren Druckes mit einem Fluid ausgelegt ist, und - eine Einlassöffnung (14) für das Fluid, die mit dem Innern des Balges (12) in Verbindung steht für den Anschluß an eine Quelle mit einem zum Aufblasen dienenden Fluid und - ein Verstärkungsmittel (26), das eine Vielzahl von flexiblen Verstärkungsschnüren (28) aufweist, welche eine Hülle bilden, die eine äußere Oberfläche des Balges umschließt, und welche eine axiale Verstärkung für den Stopfen und eine Abstützung für den Durchmesser des Balges (12) gewährleisten, wobei eine jede Verstärkungsschnur (28) aus einer Vielzahl von Litzen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzen nicht zusammen verdrillt sind, so dass sie sich seitlich über die Oberfläche des Balges (12) ausdehnen, wenn der Balg (12) aufgeblasen wird.
2. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschnüre (28) nahe beieinander angeordnet sind, so dass sie im wesentlichen die äußere Oberfläche des Balges (12) ganz abstützen.
3. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungsschnüre (28) zwischen den gegenüberliegenden axialen Enden des Balges (12) erstrecken.
4. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungsschnüre (28) spiralförmig über die äußere Oberfläche des Balges (12) erstrecken.
5. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschnüre (28) sich unter einem Spiralwinkel von weniger als 15º gegenüber der Achse des Stopfens erstrecken.
6. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen mindestens zwei Lagen von Schnüren (28) enthält, die sich in entgegengesetzten Spiralen erstrecken.
7. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschnüre (28) im wesentlichen unter der gleichen Spannung stehen und von derselben Lange sind.
8. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen ferner aufwärts und abwärts gelegene Endelemente (10, 10a) an den jeweiligen entgegengesetzten Enden des Balges (12) auf weist, wobei mindestens eines der besagten Elemente die Einlassöffnungen für das Fluid (14) enthält sowie ein Mittel für die Verbindung mit einer externen Abstützung.
9. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen ein Verhältnis von Langen zu Durchmesser von weniger als 8 : 1 aufweist.
10. Aufblasbarer Stopfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen ferner einen Mantel (34) auf der Außenseite der Verstärkungsschnüre (28) aufweist.
11. Verfahren, um eine gewünschte Druckdifferenz ΔP quer über den aufblasbaren Stopfen gemäß irgendeinem der Anspruche 1-10 aufrechtzuerhalten, wobei der Stopfen sich in einem Rohr mit einem inneren Durchmesser d befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen aufgeblasen wird durch Anlegung und Aufrechterhaltung eines inneren Druckes Pp in dem Stopfen, im wesentlichen gemäß der Gleichung:
Pp = ΔP + Pd,
in welcher Pd der innere Druck ist, der erforderlich ist, um den Stopfen bis auf den Durchmesser des Rohres d auszudehnen, dies ohne festhaltendes Einschließen.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es, wahrend der Stopfen und das Rohr in relativer Bewegung zueinander stehen, ferner ein Lecken eines schmierenden Stromes eines Fluids innerhalb des Rohres an dem Stopfen vorbei gestattet.
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