EP3140550A1 - Dichtungsanordnung für eine hochdruckpumpe sowie hochdruckpumpe mit einer solchen - Google Patents

Dichtungsanordnung für eine hochdruckpumpe sowie hochdruckpumpe mit einer solchen

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EP3140550A1
EP3140550A1 EP15718826.9A EP15718826A EP3140550A1 EP 3140550 A1 EP3140550 A1 EP 3140550A1 EP 15718826 A EP15718826 A EP 15718826A EP 3140550 A1 EP3140550 A1 EP 3140550A1
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EP
European Patent Office
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sealing
pressure
pump
pressure chamber
pressure pump
Prior art date
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Application number
EP15718826.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3140550B1 (de
Inventor
Thomas Welschinger
Marco Carvalho
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Sulzer Management AG
Original Assignee
Sulzer Management AG
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Publication date
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Publication of EP3140550A1 publication Critical patent/EP3140550A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3140550B1 publication Critical patent/EP3140550B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/086—Sealings especially adapted for liquid pumps

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement for sealing a
  • Pressure chamber in a high-pressure pump and a high-pressure pump with such a seal arrangement is provided.
  • the pressure chamber in a pump in which the pressurized fluid to be delivered by the pump is located must be opposite its
  • the environment of the pressure chamber may be the usually under atmospheric pressure environment of the pump or-for example in the case of a multi-stage pump - another pressure chamber of the pump, in which the fluid to be delivered is at a higher or lower pressure.
  • an O-ring is provided, which is typically inserted into a groove of a sealing surface.
  • PCT international
  • Patent application PCT / EP2012 / 071654 for example, a
  • Sealing arrangement proposed in which in one of the components between which the seal is to take place, a groove-shaped recess is provided, which is oriented so that when a pressure of the groove, a force is exerted in the direction of the sealing surface of this component, which faces this sealing surface presses the sealing surface of its adjacent component.
  • the pressurization of the groove cause an elastic or plastic deformation of its wall, so as to
  • an existing of an elastomer O-ring is provided, which is arranged in a groove provided in this sealing surface. This O-ring is a reliable seal between the two contacting sealing surfaces.
  • a sealing arrangement for sealing a pressure chamber in a high-pressure pump, which is delimited by a first and a second limiting element, with a separate sealing element, which has a first sealing surface for
  • first limiting element Cooperation with the first limiting element and a second sealing surface for cooperation with the second limiting element, wherein the two sealing surfaces are inclined relative to each other and each having a groove for receiving a sealing ring, and wherein the sealing element is arranged and configured so that it when total pressure along one of the boundary elements is displaceable.
  • a separate sealing element with the grooves for receiving sealing rings also has the advantage that for this Sealing element, a different material can be selected as, for example, the material from which the boundary elements are made. Therefore, a material can be selected for the sealing element whose mechanical properties, such. B. the elastic
  • the two sealing surfaces of the sealing element enclose an angle of substantially 90 °. This measure is
  • Pressure load advantageous.
  • An advantageous measure is when a support ring is provided for positioning the sealing element, in particular in the unpressurized state. This makes it possible to realize that the sealing element has a defined initial position or starting position, so that it reacts in the desired manner under pressure load.
  • the support ring is in the non-pressurized state on a support surface of the sealing element, wherein the support surface is different from the two sealing surfaces of the sealing element.
  • Pressurization without obstruction by the support ring can move.
  • the sealing element has a substantially L-shaped cross section with a long leg, which forms the first sealing surface, and with a short leg, which is the second
  • the sealing element is along the second
  • Sliding element arranged slidably. This is particularly preferred in the embodiment with the substantially L-shaped cross section.
  • the pressurized surface of the sealing element formed by the long leg is larger than the pressure-applied area formed by the short leg. This results from the pressure of a greater force on the first leg formed by the long leg, so that the sealing element is reliably displaced by this larger force along the second limiting element, which cooperates with the sealing surface formed by the shorter leg.
  • the sealing element is displaceably arranged along the first and the second limiting element, because this allows the sealing element to follow pressure-induced displacements or bulges of both the first and the second limiting element.
  • a reliable seal can be realized both in the radial direction and in the axial direction.
  • a further advantageous measure consists in that the first sealing surface between the groove provided in it and its end facing the second sealing surface is conical.
  • the first sealing surface is designed bevelled starting from the groove provided in it starting in the direction of the contact line between the two sealing surfaces.
  • the first sealing surface moves away from the groove in the direction of the contact line farther and farther from the first limiting element.
  • the seal assembly is configured as a radial seal arrangement.
  • the invention further proposes a high-pressure pump with a sealing arrangement according to the invention.
  • the high-pressure pump can be at very high
  • Print for example, up to 1000 bar safe and reliable operation.
  • the high-pressure pump is provided with a pump cover and a pump housing, wherein the
  • the high pressure pump is designed as a multi-stage pump.
  • a further preferred embodiment of the high pressure pump is when the seal assembly for sealing between a separator and the pump housing or between the pump cover and the
  • FIG. 1 a sectional view of an embodiment of a
  • Arrangement of the sealing element shows a schematic representation of a second variant for the arrangement of the sealing element
  • FIG. 5 a schematic representation of a fourth variant of the
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an embodiment of a high-pressure pump according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a sealing arrangement according to the invention, which is designated overall by the reference numeral 1 and serves to seal a pressure chamber 2 in a high-pressure pump 100 (see FIG. 6).
  • the pressure chamber 2 is bounded by a first limiting element 3 and a second limiting element 4.
  • the seal assembly 1 further comprises a separate
  • Sealing element 5 which has a first sealing surface 51 for cooperation with the first limiting element 3 and a second sealing surface 52 for cooperation with the second limiting element 4.
  • first sealing surface 51 for cooperation with the first limiting element 3
  • second sealing surface 52 for cooperation with the second limiting element 4.
  • Seal member 5 is not an integral part of, for example, one of the limiting elements 3, 4, but is designed as a separate component.
  • Fig. 1 shows only a part of the seal assembly 1, namely, for example, the upper half.
  • the sealing element 5 is usually
  • the sealing element 5 is usually designed annular. In Fig. 1 thus only a cross section through the annular sealing element 5 is shown. Also, the pressure chamber 2 is usually designed as an annular space surrounding the pump shaft.
  • a groove namely a first groove 53 and a second groove 54, each of which serves to receive a sealing ring 55, which is configured for example as an O-ring.
  • the sealing rings 55 are used in a conventional manner, the seal between the respective sealing surface 51 and 52 and cooperating with this limiting element 3 and 4 and are made for example of an elastomeric material.
  • sealing rings may be other known sealing means, such as metallic rings or
  • Washers or sealants made of a plastic such as PTFE or PEEK are used.
  • Seal member 5 inclined to each other and adjoin one another along a contact line 56. In particular, close to this
  • the two sealing surfaces 51, 52 an angle of the two sealing surfaces 51, 52
  • the sealing element 5 according to FIG. 1 has a substantially L-shaped cross section with a long leg 57, which forms the first sealing surface 51 and with the first
  • Limiting element 3 cooperates, and with a short leg 58 which forms the second sealing surface 52 and the second
  • Limiting element 4 cooperates.
  • the sealing element 5 is arranged and
  • the first limiting element 3 rests on the boundary surface 43 of the second limiting element 4.
  • This can be realized in a pump, for example, in that the component which forms the first limiting element 3, with the component which forms the second limiting element 4, is firmly screwed. If now in the pressure chamber 2, an ever higher pressure is generated, it can by Pressure-induced deformations, for example bulges, of the first or the second limiting element 3 or 4 happen that a gap 6 opens between the limiting elements 3, 4. This condition is shown in FIG. Since the pressure in the pressure chamber 3 also acts on the sealing element 5 and this total along the second
  • Limiting element 4 is displaced, the entire moves
  • Sealing element 5 as shown upwards and thereby closes the gap 6 with respect to the pressure chamber 2, so that no fluid from the
  • Pressure chamber 2 can escape through the gap 6, but the sealing effect is maintained even at very high pressures.
  • the sealing element 5 can also follow this movement, namely by the Sealing element 5 as a whole along the first limiting element 3 shifts. During this displacement, the substantially annular sealing element 5 expands.
  • the sealing element 5 can thus extend in total both in the radial direction-that is, as shown in FIG. 1, upwards (or downwards) -as well as in the axial direction
  • Limiting element 4 opens or forms a gap when pressure.
  • Seal element 5 is closed. By the closure of the gap 6 by the sealing element 5 is an efficient extrusion of the
  • Sealing rings 55 in particular the O-rings 55, prevented in the gap 6.
  • Slidability is usually combined with a deformation of the sealing element 5, i. In addition to or during the displacement of the sealing element 5, this can also deform.
  • This deformation is preferably an elastic deformation, i. a deformation that is completely reversible when depressurized. Since the sealing element 5 is configured as a separate component, that is, for example, is not an integral part of one of the limiting elements 3, 4, one has the greatest possible freedom with regard to the choice of material for the sealing element 5. Thus, for the
  • Sealing element 5 a material can be selected which is optimal in terms of its elastic properties for the particular application.
  • the first sealing surface 51 is configured conically between the first groove 53 and the contact line 56, at which the two sealing surfaces 51, 52 abut one another such that in the pressureless state, the distance between the first sealing surface 51 and the first limiting element 3 at that
  • the boundary edge of the first groove 53 which is closer to the contact line 56 (in FIG. 1, the left boundary limb as shown), is minimal and then increases in the direction of the contact line 56.
  • This bevel of the first sealing surface 51 is shown in Fig. 1 and the associated angle of the cone is denoted by ⁇ . This measure ensures that of the long leg 57 at a
  • the second sealing surface 52 between the second groove 54 and the contact line 56, at which the two sealing surfaces 51, 52 abut each other conical in such a way that in the pressureless state, the distance between the second sealing surface 52 and the second
  • Another optional beneficial measure is when the long
  • Leg 57 or the short leg 58 or preferably both legs 57, 58 in the region between the first and second groove 53, 54 and the contact line 56 opposite end respectively cylindrical (that is, not conical, or not inclined) designed and cut back are.
  • this is recognizable by the fact that these regions each extend parallel to the first or second limiting element 3, 4 and have a greater distance from the first or second limiting element 3, 4 than the respective boundary edge of the first and second groove 53, 54, the closer to the contact line 56 is located.
  • This measure also supports the effect that the respectively greatest surface pressure of the first or second sealing surface 51, 52 occurs in the region of the boundary edge of the first and second groove 53, 54 which is closer to the contact line 56.
  • the two angles ⁇ and ⁇ of the respective cone of the first and the second sealing surface 51, 52 may be the same or different. In practice, it has proven useful if ⁇ and ⁇ each amount to at most 2 ° and preferably at most 1 °. In particular, values between 0.1 ° and 0.2 ° have also proved suitable for ⁇ and ⁇ . It is understood that not only by the seal assembly 1
  • Thermal expansion coefficients of adjacent components can be caused by the displacement of the sealing element. 5
  • Sealing member 5 are of course other geometries for the
  • Cross-section of the sealing element possible, for example, the two legs 57 and 58 may also have the same length, so that the cross-sectional area is an isosceles angle profile, or it may be provided rounding.
  • FIG. 1 and have explained in connection with FIG. 1 meaning. For the sake of clarity, has been omitted in FIGS. 2-6 to the representation of various details.
  • sealing ring 55 which are preferably configured as O-rings, not shown. Also related to
  • Fig. 1 described conical configuration of the sealing surfaces 51, 52 is not shown in Figs. 2-6. It is understood, however, that all measures taken in the In connection with Fig. 1 are described, such as the
  • FIG. 2 is a first variant of the arrangement the sealing element 5 shown.
  • this is an arrangement for the radial seal that can be used in a multi-stage pump.
  • Multi-stage pumps especially those with a so-called back-to-back arrangement (see also Fig. 6) exist between the pressure at the inlet of the pump, for example atmospheric pressure, and the highest pressure in the pressure chamber 2, which is usually connected to the outlet of the pump is, at least one intermediate pressure, which is typically in the middle between the pressure at the input and the highest pressure in the pressure chamber 2 in a back-to-back arrangement, so for example, the pressure at the entrance atmospheric pressure, the pressure in the pressure chamber 2 about
  • Limiting element 3 configured as a pump housing 3 and the second
  • Limiting element 4 serves the separation between the two
  • the support ring 9 is screwed or fastened with respect to the sealing element 5 with play, because the support ring 9 is the sealing element 5 only position, but not jamming or the displaceability of the sealing element 5 in
  • the support ring 9 is no sealing function, he should only ensure that the
  • Seal element 5 is in a defined position in the pressureless state.
  • the support ring 9 each has a substantially L-shaped cross section. With one of the legs of the L, the support ring is supported on the inner wall of the pressure chamber 2, the other leg forms the surface which supports the sealing element 5 in the unpressurized state.
  • the support surface of the sealing element 5, which rests against the support ring in the pressureless state, is in each case the end face of the long leg 57 of the sealing element 5.
  • the pressure chamber 2 may cause a buckling or other stretching of the pump housing 3, resulting in between the pump housing 3 and the second
  • Limiting element 4 can open a gap. This will - as in
  • a second variant for the arrangement of the sealing element 5 is shown.
  • the sealing element 5 serves to seal between the pump housing, which here the first limiting element
  • Limiting element 4 represents.
  • the pump cover 4 is with a plurality of screws 41 screwed to the pump housing 3, of which in Fig. 3 only one is shown typically prevails outside the
  • Seal element 5 in the axial direction - ie in the direction of the axis of rotation A - can move, the sealing element moves under
  • the pump housing 3 can also stretch, so to speak expand. Even this movement can do that
  • Sealing member 5 follow, because it is also displaceable with respect to the radial direction. This displacement with respect to the radial direction is generally accompanied by a widening of the sealing element 5, since the inner diameter also increases when the pump housing 3 expands in the radial direction.
  • sealing element is "displaceably arranged" is therefore to be understood in the context of this application as meaning also an expansion or expansion of an annular sealing element.
  • the sealing element 5 serves to seal the pressure chamber 2 of a pump with respect to an intermediate pressure chamber 7.
  • the maximum pressure prevails, for example 1000 bar
  • the intermediate pressure chamber 7 there is any intermediate pressure which is between the atmospheric pressure or the ambient pressure and the pressure in the pressure chamber 2, for example, the intermediate pressure is half the pressure in the pressure chamber second
  • Limiting element 4 is a component, for example a separating element 4, which delimits the intermediate pressure chamber 7 from the pressure chamber 2.
  • Sealing elements 5 is similar to that shown in Fig. 2. This arrangement is especially suitable for multi-stage pumps in back-to-back arrangements. These pumps have two substantially identical blocks, each of which can contain multiple stages of pumps. These two blocks are mirror images - ie back to back - arranged to each other, so that the pressure chamber 2, in which the highest pressure prevails and which is connected to the outlet of the pump, is usually arranged as an annular space in the middle of the pump. In this variant, two sealing elements 5 are provided.
  • the first limiting element 3 is characterized by the
  • Pump housing 3 is formed, while the second limiting element 4 as a separating element is the partition wall between the two blocks arranged back to back. To the one block belongs the
  • FIG. 6 an embodiment of a high-pressure pump according to the invention is shown schematically and in section, which is designated overall by the reference numeral 100.
  • the high-pressure pump 100 is a multi-stage - here four-stage - high-pressure pump with back-to-back arrangement, which is designed as a radial centrifugal pump.
  • High-pressure pump 100 has a pump housing 103, a pump cover 1 12 for closing the pump housing 103, an input 1 10, through which the fluid to be delivered, for example, a liquid such as water or petroleum, enters the high pressure pump 100 and an outlet 1 1 1, by which then pressurized fluid leaves the high pressure pump 100.
  • a pump shaft 1 13 is provided, which is rotated in the operating state about the axis of rotation A and driven by a drive unit, not shown.
  • the high pressure pump 100 has four substantially the same design
  • Stages namely a first stage 1 14, a second stage 1 15, a third stage 1 16 and a fourth stage 1 17.
  • Each of these stages 1 14-1 17 each have an impeller 120.
  • Each impeller 120 is rotationally fixed to the pump shaft. 1 13 connected.
  • the first and the second stage 1 14, 1 15 belong to a first Block 130.
  • the third and the fourth stage 1 16, 1 17 belong to a second block 140.
  • the two blocks 130, 140 are separated from each other by a separating element 104, which is fixed with respect to the pump housing 103.
  • the two essentially identically configured blocks 130, 140 are arranged in mirror image with respect to the separating element 104, ie, back to back, which is why this structure is also referred to as a back-to-back arrangement.
  • the flow path of the fluid through the high-pressure pump 100 is shown in FIG. 6 by arrows, of which only the first at the inlet 110 is designated by the reference numeral 150.
  • the fluid flows from the input 1 10 in the axial direction to the impeller 120 of the first stage 1 14 and is passed from the output in the axial direction to the impeller of the second stage 1 15.
  • Der FluidGood von der ersten Swift 1 14 impulses.
  • the fluid is passed through a flow connection 160 provided in the partition 104 into an intermediate pressure space 108 of the second block 140, through which the fluid enters the inlet the third stage 1 16 passes.
  • the fluid is passed in the axial direction to the input of the fourth stage 1 17, which finally promotes the fluid to the high pressure with which it is available at the outlet 1 1 1 of the high-pressure pump 100.
  • a high-pressure flow connection 170 leads to the pressure chamber 102, which is connected to the outlet 1 1 1 of the high-pressure pump 100.
  • Pressure chamber 102 is configured substantially as an annular space, which leads around the outside of the separating element 104 radially outward.
  • an intermediate pressure chamber 107 is provided, which is configured substantially as an annular space and on the inside
  • This intermediate pressure chamber 107 is connected via a flow connection, not shown in FIG. 6, to the output of the second stage 15, so that the same pressure prevails in the two intermediate pressure chambers 107 and 108, which due to the substantially identical design of the four stages 1 14-1 17, about half the pressure of
  • Pressure in the pressure chamber 2 corresponds.
  • the fluid flows through the second block 140 in the reverse direction with respect to the axial direction
  • the first block 130 flows through from right to left, while the second block flows through from left to right.
  • the separating element 104 adjoins, on the one hand, the pressure chamber 102, in which the highest pressure acts, and, on the other hand, the two
  • the pump housing 103 forms the first limiting element 3 and the separating element forms the second limiting element 4
  • Sealing arrangement 1 is suitable for very high pressures.
  • the pressure in the pressure chamber 102 may be 1000 bar.
  • the pressure in the intermediate pressure spaces 107 and 108 is about 500 bar each.
  • seal assembly 1 can also be used in other places a high-pressure pump.
  • a sealing member 5 may be provided at the boundary between the pump cover 1 12 and the pump housing 103.

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Abstract

Es wird eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen zum Abdichten eines Druckraums (2) in einer Hochdruckpumpe, welcher durch ein erstes und eine zweites Begrenzungselement (3,4) begrenzt wird, mit einem separaten Dichtungselement (5), das eine erste Dichtfläche (51) zum Zusammenwirken mit dem ersten Begrenzungselement (3) sowie eine zweite Dichtfläche (52) zum Zusammenwirken mit dem zweiten Begrenzungselement (4) aufweist, wobei die bei den Dichtflächen (51,52) gegeneinander geneigt sind und jeweils eine Nut (53,54) zur Aufnahme eines Dichtungsrings (55) aufweisen, und wobei das Dichtungselement (5) so angeordnet und ausgestaltet ist, dass es bei Druckbeaufschlagung gesamthaft entlang einer der Begrenzungselemente (3,4) verschiebbar ist. Ferner wird eine Hochdruckpumpe mit einer solchen Dichtungsanordnung vorgeschlagen.

Description

Dichtungsanordnung für eine Hochdruckpumpe sowie Hochdruckpumpe mit einer solchen
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zum Abdichten eines
Druckraums in einer Hochdruckpumpe sowie eine Hochdruckpumpe mit einer solchen Dichtungsanordnung.
Der Druckraum in einer Pumpe, in welchen sich das unter Druck befindliche, von der Pumpe zu fördernde Fluid befindet, muss gegenüber seiner
Umgebung abgedichtet werden. Dabei kann die Umgebung des Druckraums die üblicherweise unter Atmosphärendruck stehende Umgebung der Pumpe sein oder -beispielsweise im Falle einer mehrstufigen Pumpe - ein anderer Druckraum der Pumpe, in welchem das zu fördernde Fluid unter einem höheren oder niedrigerem Druck steht.
Je grösser der von der Pumpe generierte Druck ist, umso schwieriger wird es, effiziente und zuverlässige Dichtungsanordnungen bereitzustellen. Bei hohen Drucken von beispielsweise bis zu 1000 bar Förderdruck kommt es häufig zu druckbedingten Dehnungen oder Verformungen des Pumpengehäuses oder anderer Bauteile. Diese können zur Folge haben, dass sich zwischen
Bauteilen, welche den gleichen Druckraum begrenzen, beispielsweise zwischen Pumpengehäuse und Pumpendeckel, Spalte öffnen. Solche Spalte, die übrigens auch aufgrund unterschiedlicher thermischer Dehnungen der Bauteile auftreten können, müssen dann zuverlässig abgedichtet werden, um eine Leckage des Fluids durch die Spalte zu vermeiden. Das druckinduzierte Öffnen solcher Spalte lässt sich beispielsweise vermeiden oder zumindest auf ein unkritisches Mass begrenzen, indem die Bauteile, zwischen denen der Spalt entsteht, so steif - und das bedeutet in der Regel so dickwandig - ausgestaltet werden, dass auch bei sehr hohen Drucken nur so kleine Spalte entstehen, dass die Funktionstüchtigkeit der Dichtungsanordnung nicht gefährdet ist. Dies hat aber den Nachteil, dass für die dickwandige Ausgestaltung deutlich mehr Material benötigt wird und dass die Pumpe erheblich mehr Masse hat. Beides sind unter wirtschaftlichen Aspekten eher nachteilige Folgen. Daher ist man bemüht, Dichtungsanordnungen zu schaffen, die auch bei sehr hohen Drucken zuverlässig und effizient dichten. Bei vielen
Dichtungsanordnungen ist ein O-Ring vorgesehen, der typischerweise in eine Nut einer Dichtfläche eingelegt wird. In der internationalen (PCT)
Patentanmeldung PCT/EP2012/071654 wird beispielsweise eine
Dichtungsanordnung vorgeschlagen, bei welcher in einem der Bauteile, zwischen denen die Abdichtung erfolgen soll, eine nutförmige Ausnehmung vorgesehen ist, die so ausgerichtet ist, dass bei einer Druckbeaufschlagung der Nut eine Kraft in Richtung auf die Dichtfläche dieses Bauteils ausgeübt wird, welche diese Dichtfläche gegen die Dichtfläche ihres benachbarten Bauteils presst. Dabei kann die Druckbeaufschlagung der Nut eine elastische oder plastische Verformung ihrer Wandung bewirken, um so das
druckinduzierte Öffnen von Spalten zwischen den Bauteilen zu vermeiden oder zu verringern. In einer der beiden sich kontaktierenden Dichtflächen ist ein aus einem Elastomer bestehender O-Ring vorgesehen, der in einer in dieser Dichtfläche vorgesehenen Nut angeordnet ist. Dieser O-Ring dient einer zuverlässigen Abdichtung zwischen den beiden sich kontaktierenden Dichtflächen.
Speziell bei Dichtungsanordnungen mit O-Ringen besteht die Gefahr der Extrusion des O-Rings. Damit ist gemeint, dass der O-Ring unter
Druckbeaufschlagung derart verformt wird, dass ein Teil von ihm in einen sich unter Druck öffnende Spalt gepresst wird, was eine Schädigung des O-Rings und damit ein Verlust der Dichtwirkung zur Folge haben kann. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsanordnung zum Abdichten eines Druckraums in einer Hochdruckpumpe vorzuschlagen, die auch bei sehr hohen Drucken noch zuverlässig arbeitet und bei der insbesondere eine Extrusion eines Dichtungsrings, speziell eines O-Rings, in einen sich unter Druck öffnenden Spalt verhindert wird. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckpumpe mit einer solchen Dichtungsanordnung vorzuschlagen.
Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.
Erfindungsgemäss wird also eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen zum Abdichten eines Druckraums in einer Hochdruckpumpe, welcher durch ein erstes und eine zweites Begrenzungselement begrenzt wird, mit einem separaten Dichtungselement, das eine erste Dichtfläche zum
Zusammenwirken mit dem ersten Begrenzungselement sowie eine zweite Dichtfläche zum Zusammenwirken mit dem zweiten Begrenzungselement aufweist, wobei die beiden Dichtflächen gegeneinander geneigt sind und jeweils eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsrings aufweisen, und wobei das Dichtungselement so angeordnet und ausgestaltet ist, dass es bei Druckbeaufschlagung gesamthaft entlang einer der Begrenzungselemente verschiebbar ist.
Bei dieser Dichtungsanordnung kann sich folglich das gesamte
Dichtungselement bei Druckbeaufschlagung entlang einer der
Begrenzungselemente verschieben. Hierdurch wird bewirkt, dass ein sich unter Druck öffnender Spalt zwischen den beiden Begrenzungselementen durch die Verschiebung des Dichtungselements von dem Dichtungselement zuverlässig abgedeckt wird, sodass eine Extrusion eines Dichtungsrings in den sich öffnenden Spalt vermieden wird. Dies gewährleistet eine effiziente Dichtwirkung auch bei sehr hohen Drucken von beispielsweise bis zu 1000 bar.
Das Vorsehen eines separaten Dichtungselements mit den Nuten zur Aufnahme von Dichtungsringen hat zudem den Vorteil, dass für dieses Dichtungselement ein unterschiedlicher Werkstoff gewählt werden kann als beispielsweise der Werkstoff, aus dem die Begrenzungselemente gefertigt werden. Daher kann für das Dichtungselement ein Werkstoff gewählt werden, dessen mechanischen Eigenschaften, wie z. B. die elastischen
Eigenschaften, unter der Druckbelastung möglichst optimal sind.
Vorzugsweise schliessen die beiden Dichtflächen des Dichtungselements einen Winkel von im Wesentlichen 90° ein. Diese Massnahme ist
insbesondere für die Verschiebbarkeit des Dichtungselements unter
Druckbelastung vorteilhaft. Eine vorteilhafte Massnahme ist es, wenn ein Stützring zum Positionieren des Dichtungselements insbesondere im drucklosen Zustand vorgesehen ist. Dadurch lässt es sich realisieren, dass das Dichtungselement eine definierte Ausgangsposition bzw. Ausgangslage hat, sodass es bei Druckbelastung in der gewünschten Weise reagiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der Stützring im drucklosen Zustand an einer Stützfläche des Dichtungselements an, wobei die Stützfläche verschieden ist von den beiden Dichtflächen des Dichtungselements.
Hierdurch ist es gewährleistet, dass sich das Dichtungselement bei
Druckbeaufschlagung ohne Behinderung durch den Stützring verschieben kann.
Gemäss einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, das sich in der Praxis bewährt hat, weist das Dichtungselement einen im Wesentlichen L- förmigen Querschnitt auf mit einem langen Schenkel, welcher die erste Dichtfläche bildet, und mit einem kurzen Schenkel, welcher die zweite
Dichtfläche bildet.
Vorzugsweise ist das Dichtungselement entlang des zweiten
Begrenzungselements verschiebbar angeordnet. Dies ist insbesondere bei der Ausgestaltung mit dem im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt bevorzugt. Die durch den langen Schenkel gebildete druckbeaufschlagte Fläche des Dichtungselements ist grösser als die durch den kurzen Schenkel gebildete druckbeaufschlagte Fläche. Daraus resultiert durch den Druck eine grössere Kraft auf die durch den langen Schenkel gebildete erstgenannte Fläche, sodass das Dichtungselement durch diese grössere Kraft zuverlässig entlang des zweiten Begrenzungselements verschoben wird, das mit der durch den kürzeren Schenkel gebildeten Dichtfläche zusammenwirkt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Dichtungselement entlang des ersten und des zweiten Begrenzungselements verschiebbar angeordnet ist, denn dadurch kann das Dichtungselement druckinduzierten Verschiebungen oder Wölbungen sowohl des ersten als auch des zweiten Begrenzungselements folgen. Hiermit ist in einer Hochdruckpumpe eine zuverlässige Abdichtung sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung realisierbar.
Eine weitere vorteilhafte Massnahme besteht darin, dass die erste Dichtfläche zwischen der in ihr vorgesehenen Nut und ihrem der zweiten Dichtfläche zugewandten Ende konisch ausgestaltet ist. Damit ist gemeint, dass die erste Dichtfläche von der in ihr vorgesehenen Nut beginnend in Richtung auf die Kontaktlinie zwischen den beiden Dichtflächen abgeschrägt ausgestaltet ist. Dies hat zur Folge, dass die erste Dichtfläche sich von der Nut in Richtung der Kontaktlinie immer weiter von dem ersten Begrenzungselement entfernt. Durch diese Massnahme ist sichergestellt, dass diejenige Kante, welche die Nut in der ersten Dichtfläche begrenzt und näher an der Kontaktlinie liegt, bei einer Druckbeaufschlagung als erstes in Kontakt mit dem ersten
Begrenzungselement kommt und dass an dieser Kante bzw. im Bereich dieser Kante die höchste Flächenpressung auftritt. Diese Massnahme stellt eine zusätzliche Sicherheit dar, dass ein in die Nut eingelegter Dichtungsring, z. B. ein O-Ring, bei Druckbeaufschlagung eine Extrusion erfährt. Aus dem gleichen Grunde ist es vorteilhaft, wenn die zweite Dichtfläche zwischen der in ihr vorgesehenen Nut und ihrem der ersten Dichtfläche zugewandten Ende konisch ausgestaltet ist.
In der Praxis hat es sich dabei bewährt wenn der Winkel des Konus jeweils höchstens 2°, vorzugsweise höchstens 1 ° beträgt. Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dichtungsanordnung als radiale Dichtungsanordnung ausgestaltet. Durch die Erfindung wird ferner eine Hochdruckpumpe vorgeschlagen mit einer erfindungsgemässen Dichtungsanordnung. Durch diese
Dichtungsanordnung kann die Hochdruckpumpe auch bei sehr hohen
Drucken von beispielsweise bis zu 1000 bar sicher und zuverlässig betrieben werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Hochdruckpumpe mit einem Pumpendeckel und einem Pumpengehäuse versehen, wobei die
Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen dem Pumpendeckel und dem Pumpengehäuse vorgesehen ist. Gemäss einer bevorzugten Anwendung ist die Hochdruckpumpe als mehrstufige Pumpe ausgestaltet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Hochdruckpumpe ist die
Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen einem Druckraum und einem Zwischendruckraum vorgesehen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Hochdruckpumpe ist es, wenn die Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen einem Trennelement und dem Pumpengehäuse oder zwischen dem Pumpendeckel und dem
Pumpengehäuse vorgesehen ist.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen, teilweise im Schnitt: Fig. 1 : eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemässen Dichtungsanordnung,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer ersten Variante für die
Anordnung des Dichtungselements, Fig. 3: eine schematische Darstellung einer zweiten Variante für die Anordnung des Dichtungselements,
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer dritten Variante für die
Anordnung von Dichtungselementen, Fig. 5: eine schematische Darstellung einer vierten Variante für die
Anordnung von Dichtungselementen, und
Fig.6: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Hochdruckpumpe.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Dichtungsanordnung, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist und zum Abdichten eines Druckraums 2 in einer Hochdruckpumpe 100 (siehe Fig. 6) dient. Der Druckraum 2 wird durch ein erstes Begrenzungselement 3 und ein zweites Begrenzungselement 4 begrenzt. Die Dichtungsanordnung 1 umfasst ferner ein separates
Dichtungselement 5, das eine erste Dichtfläche 51 zum Zusammenwirken mit dem ersten Begrenzungselement 3 sowie eine zweite Dichtfläche 52 zum Zusammenwirken mit dem zweiten Begrenzungselement 4 aufweist. Mit dem Begriff„separates Dichtungselement" ist dabei gemeint, dass das
Dichtungselement 5 nicht integraler Bestandteil beispielsweise einer der Begrenzungselemente 3, 4 ist, sondern als eigenes Bauteil ausgestaltet ist.
Wie deutlich zu erkennen ist, zeigt die Darstellung in Fig. 1 nur einen Teil der Dichtungsanordnung 1 , nämlich beispielsweise die obere Hälfte. In einer Hochdruckpumpe 100 ist das Dichtungselement 5 in der Regel
rotationssymmetrisch bezüglich der Pumpenwelle ausgestaltet, die in Fig. 1 durch eine Drehachse A angedeutet ist, um welche die rotierenden Teile der Pumpe im Betriebszustand rotieren. Das heisst, das Dichtungselement 5 ist üblicherweise ringförmig ausgestaltet. In Fig. 1 ist somit nur ein Querschnitt durch das ringförmige Dichtungselement 5 dargestellt. Auch der Druckraum 2 ist üblicherweise als Ringraum ausgestaltet, der die Pumpenwelle umgibt. In jeder der beiden Dichtflächen 51 , 52 des Dichtungselements 5 ist jeweils eine Nut vorgesehen, nämlich eine erste Nut 53 und eine zweite Nut 54, die jeweils der Aufnahme eines Dichtungsrings 55 dienen, der beispielsweise als O-Ring ausgestaltet ist. Die Dichtungsringe 55 dienen in an sich bekannter Weise der Abdichtung zwischen der jeweiligen Dichtfläche 51 bzw. 52 und dem mit dieser zusammenwirkenden Begrenzungselement 3 bzw. 4 und sind z.B. aus einem Elastomer-Material gefertigt.
Es versteht sich, dass die Dichtungsringe auch andere an sich bekannte Dichtungsmittel sein können, beispielsweise metallische Ringe oder
Ringscheiben oder Dichtungsmittel aus einem Kunststoff wie PTFE oder PEEK.
Wie dies Fig. 1 zeigt, sind die beiden Dichtflächen 51 , 52 des
Dichtungselements 5 gegeneinander geneigt und grenzen entlang einer Kontaktlinie 56 aneinander an. Im speziellen schliessen bei diesem
Ausführungsbeispiel die beiden Dichtflächen 51 , 52 einen Winkel von im
Wesentlichen 90° ein. Das Dichtungselement 5 gemäss Fig. 1 weisst einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt auf mit einem langen Schenkel 57, welcher die erste Dichtfläche 51 bildet und mit dem ersten
Begrenzungselement 3 zusammenwirkt, und mit einem kurzen Schenkel 58, welcher die zweite Dichtfläche 52 bildet und mit dem zweiten
Begrenzungselement 4 zusammenwirkt.
Erfindungsgemäss ist das Dichtungselement 5 so angeordnet und
ausgestaltet, dass es bei einer Druckbeaufschlagung gesamthaft zumindest entlang einer der Begrenzungselemente 3, 4 verschiebbar ist. Dies wird im Folgenden anhand von Fig. 1 erläutert.
Im drucklosen Zustand, d. h. wenn in dem Druckraum 2 relativ zu seiner Umgebung kein Überdruck herrscht, liegt das erste Begrenzungselement 3 auf der Grenzfläche 43 des zweiten Begrenzungselements 4 auf. Dies kann in einer Pumpe beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das Bauteil, welches das erste Begrenzungselement 3 bildet, mit demjenigen Bauteil, das das zweite Begrenzungselement 4 bildet, fest verschraubt ist. Wenn nun in dem Druckraum 2 ein immer höherer Druck generiert wird, so kann es durch druckinduzierte Verformungen, beispielsweise Wölbungen, des ersten oder des zweiten Begrenzungselements 3 bzw. 4 passieren, dass sich zwischen den Begrenzungselementen 3, 4 ein Spalt 6 öffnet. Dieser Zustand ist in Fig. 1 dargestellt. Da der Druck im Druckraum 3 auch das Dichtungselement 5 beaufschlagt und dieses gesamthaft entlang des zweiten
Begrenzungselements 4 verschiebbar ist, bewegt sich das gesamte
Dichtungselement 5 darstellungsgemäss nach oben und verschliesst dadurch den Spalt 6 gegenüber dem Druckraum 2, sodass kein Fluid aus dem
Druckraum 2 durch den Spalt 6 entweichen kann, sondern die Dichtwirkung auch bei sehr hohen Drucken erhalten bleibt.
Falls sich das zweite Begrenzungselement 4 unter der Einwirkung des Drucks im Druckraum 2 relativ zum ersten Begrenzungselement 3 entlang der Grenzfläche 43 verschiebt, beispielsweise gemäss der Darstellung in Fig. 1 nach links, so kann das Dichtungselement 5 auch dieser Bewegung folgen, nämlich indem sich das Dichtungselement 5 gesamthaft entlang des ersten Begrenzungselements 3 verschiebt. Bei dieser Verschiebung dehnt sich das im Wesentlichen ringförmige Dichtungselement 5 aus.
Bezogen auf die Drehachse A kann sich somit das Dichtungselement 5 gesamthaft sowohl in radialer Richtung - also darstellungsgemäss in Fig. 1 nach oben (oder unten) - als auch in axialer Richtung - also
darstellungsgemäss in Fig. 1 nach rechts (oder nach links) verschieben. Die Verschiebung in axialer Richtung geht dann selbstverständlich mit einer Aufweitung des im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements 5 einher.
Durch diese Verschiebbarkeit sowohl in axialer als auch in radialer Richtung werden nicht nur Spalte 6 zwischen den Begrenzungselementen 3 und 4 verschlossen, sondern es wird ferner Vorteilhaftermassen vermieden, dass sich zwischen der ersten Dichtfläche 51 und dem ersten Begrenzungselement 3 oder zwischen der zweiten Dichtfläche 52 und dem zweiten
Begrenzungselement 4 bei Druck ein Spalt öffnet oder bildet. Durch diese Verschiebbarkeit des Dichtungselements 5 ist also gewährleistet, dass auch bei sehr hohen Drucken im Druckraum 2 von beispielsweise bis zu 1000 bar eine zuverlässige Abdichtung des Druckraums 2 realisiert ist. Insbesondere gewährleistet es die radiale Verschiebbarkeit des
Dichtungselements 5, dass der sich unter Druck öffnende Spalt 6 zwischen den beiden Begrenzungselementen 3 und 4 zuverlässig durch das
Dichtungselement 5 verschlossen wird. Durch das Verschliessen des Spaltes 6 durch das Dichtungselement 5 wird effizient eine Extrusion der
Dichtungsringe 55, im speziellen der O-Ringe 55, in den Spalt 6 verhindert.
Bei einer Druckbeaufschlagung des Dichtungselements 5 ist dessen
Verschiebbarkeit in der Regel mit einer Deformation des Dichtungselements 5 kombiniert, d.h. neben oder bei der Verschiebung des Dichtungselements 5 kann dieses sich auch verformen. Diese Verformung ist vorzugsweise eine elastische Verformung, d.h. eine Verformung, die bei Druckentlastung vollkommen reversibel ist. Da das Dichtungselement 5 als separates Bauteil ausgestaltet ist, also beispielsweise nicht integraler Bestandteil einer der Begrenzungselemente 3, 4 ist, hat man bezüglich der Materialauswahl für das Dichtungselement 5 eine grösstmöglich Freiheit. Somit kann für das
Dichtungselement 5 ein Material gewählt werden, das bezüglich seiner elastischen Eigenschaften optimal für den jeweiligen Anwendungsfall ist. Als ein besonders bevorzugtes Material für das Dichtungselement 5 hat sich Titan erwiesen. Um einen noch höheren Schutz der Dichtungsringe 55 bzw. der O-Ringe 55 gegen Extrusion zu realisieren, sind die im Folgenden beschriebenen
Massnahmen vorteilhaft.
Die erste Dichtfläche 51 ist zwischen der ersten Nut 53 und der Kontaktlinie 56, an der die beiden Dichtflächen 51 , 52 aneinander stossen, konisch ausgestaltet und zwar derart, dass im drucklosen Zustand der Abstand zwischen der ersten Dichtfläche 51 und dem ersten Begrenzungselement 3 an derjenigen Begrenzungskante der ersten Nut 53, die der Kontaktlinie 56 näher ist (in Fig. 1 die darstellungsgemäss linke Begrenzungskannte), minimal ist und sich dann in Richtung der Kontaktlinie 56 vergrössert. Diese Abschrägung der ersten Dichtfläche 51 ist in Fig. 1 dargestellt und der zugehörige Winkel des Konus ist mit α bezeichnet. Durch diese Massnahme ist gewährleistet, dass von dem langen Schenkel 57 bei einer
Druckbeaufschlagung des Dichtungselements 5 als erstes diese darstellungsgemäss linke Begrenzungskante der ersten Nut 53 bzw. der Bereich an dieser Begrenzungskante mit dem ersten Begrenzungselement 3 in Kontakt kommt und dass dort auch (bezogen auf die erste Dichtfläche 51 ) die höchste Flächenpressung herrscht. Dadurch lässt es sich noch besser vermeiden, dass es zu einer Extrusion des Dichtungsrings 55 aus der ersten Nut 53 zwischen die erste Dichtfläche 51 und das erste Begrenzungselement 3 kommt.
Vorzugsweise ist auch die zweite Dichtfläche 52 zwischen der zweiten Nut 54 und der Kontaktlinie 56, an der die beiden Dichtflächen 51 , 52 aneinander stossen, konisch ausgestaltet und zwar derart, dass im drucklosen Zustand der Abstand zwischen der zweiten Dichtfläche 52 und dem zweiten
Begrenzungselement 4 an derjenigen Begrenzungskante der zweiten Nut 54, die der Kontaktlinie 56 näher ist (in Fig. 1 die darstellungsgemäss obere Begrenzungskannte), minimal ist und sich dann in Richtung der Kontaktlinie 56 vergrössert. Diese Abschrägung der zweiten Dichtfläche 52 ist in Fig. 1 dargestellt und der zugehörige Winkel des Konus ist mit ß bezeichnet. Durch diese Massnahme ist gewährleistet, dass von dem kurzen Schenkel 58 bei einer Druckbeaufschlagung des Dichtungselements 5 als erstes diese darstellungsgemäss obere Begrenzungskante der zweiten Nut 54 bzw. der Bereich an dieser Begrenzungskante mit dem zweiten Begrenzungselement 4 in Kontakt kommt und dass dort auch (bezogen auf die zweite Dichtfläche 52) die höchste Flächenpressung herrscht. Dadurch lässt es sich noch besser vermeiden, dass es zu einer Extrusion des Dichtungsrings 55 aus der zweiten Nut 54 zwischen die zweite Dichtfläche 52 und das zweite
Begrenzungselement 4 kommt.
Eine weitere optionale vorteilhafte Massnahme ist es, wenn der lange
Schenkel 57 oder der kurze Schenkel 58 oder vorzugsweise beide Schenkel 57, 58 in dem Bereich zwischen der ersten bzw. zweiten Nut 53, 54 und dem der Kontaktlinie 56 abgewandten Ende jeweils zylindrisch (das heisst nicht konisch, bzw. nicht geneigt) ausgestaltet und zurückgeschnitten sind. In Fig. 1 ist dies daran erkennbar, dass diese Bereiche jeweils parallel zu dem ersten bzw. zweiten Begrenzungselement 3, 4 verlaufen und einen grösseren Abstand von dem ersten bzw. zweiten Begrenzungselement 3, 4 aufweisen als die jeweilige Begrenzungskante der ersten bzw. zweiten Nut 53, 54, die näher an der Kontaktlinie 56 liegt. Auch durch diese Massnahme wird die Wirkung unterstützt, dass die jeweils grösste Flächenpressung der ersten bzw. zweiten Dichtfläche 51 , 52 im Bereich derjenigen Begrenzungskante der ersten bzw. zweiten Nut 53, 54 auftritt, die näher an der Kontaktlinie 56 liegt. Die beiden Winkel α und ß des jeweiligen Konus der ersten bzw. der zweiten Dichtfläche 51 , 52 können gleich oder verschieden sein. In der Praxis hat es sich bewährt, wenn α und ß jeweils höchstens 2° und bevorzugt höchstens 1 ° betragen. Insbesondere haben sich für α und ß auch Werte zwischen 0.1 ° und 0.2° bewährt. Es versteht sich, dass durch die Dichtungsanordnung 1 nicht nur
druckinduzierte sondern in sinngemäss gleicher weise auch thermisch induzierte Spalte, wie sie beispielsweise durch unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten aneinander grenzender Bauteile verursacht werden können, durch die Verschiebung des Dichtungselements 5
verschlossen werden können.
Neben dem hier beschriebenen L-förmigen Querschnitt des
Dichtungselements 5 sind natürlich auch andere Geometrien für den
Querschnitt des Dichtungselements möglich, beispielsweise können die beiden Schenkel 57 und 58 auch die gleiche Länge haben, sodass die Querschnittsfläche ein gleichschenkliges Winkelprofil ist, oder es können Abrundungen vorgesehen sein.
Bei der folgenden Beschreibung von verschiedenen Varianten für die
Anordnung des Dichtungselements 5 sowie eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Hochdruckpumpe sind von der Funktion her gleiche oder gleichwertige Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in
Fig. 1 und haben die im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterte Bedeutung. Aus Gründen der besseren Übersicht ist in den Fig. 2-6 auf die Darstellung verschiedener Einzelheiten verzichtet worden. So sind beispielsweise die in den Nuten 53 und 54 vorgesehenen Dichtungsring 55, die vorzugsweise als O-Ringe ausgestaltet sind, nicht dargestellt. Auch die im Zusammenhang mit
Fig. 1 beschriebene konische Ausgestaltung der Dichtflächen 51 , 52 ist in den Fig. 2-6 nicht dargestellt. Es versteht sich aber, dass alle Massnahmen, die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben sind, wie beispielsweise das
Zurückschneiden und die zylindrische Ausgestaltung der Dichtungsflächen 51 , 52 im Bereich zwischen der ersten bzw. zweiten Nut 53, 54 und ihrem der Kontaktlinie 56 abgewandten Ende, in sinngemäss gleicher Weise auch bei den in den Fig. 2-6 dargestellten Ausgestaltungen jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander realisiert sein können. Umgekehrt gelten die im Zusammenhang mit den Fig. 2-6 gemachten Erläuterungen in sinngemäss gleicher Weise auch für die Ausführungsform gemäss Fig. 1 und für die jeweils anderen Ausführungsformen der Fig. 2 - 6. In Fig. 2 ist eine erste Variante für die Anordnung des Dichtungselements 5 dargestellt. Im speziellen ist dies eine Anordnung für die radiale Abdichtung wie sie in einer mehrstufigen Pumpe verwendet werden kann. Bei
mehrstufigen Pumpen, insbesondere bei solchen mit einer sogenannten back- to-back Anordnung (siehe auch Fig. 6) existiert zwischen dem Druck am Eingang der Pumpe, beispielsweise Atmosphärendruck, und dem höchsten Druck im Druckraum 2, der üblicherweise mit dem Auslass der Pumpe verbunden ist, mindestens ein Zwischendruck, der bei einer back-to-back Anordnung typischerweise in der Mitte zwischen dem Druck am Eingang und dem höchsten Druck im Druckraum 2 liegt, so kann beispielsweise der Druck am Eingang Atmosphärendruck sein, der Druck im Druckraum 2 etwa
1000 bar betragen und der Zwischendruck bei 500 bar liegen. In Fig. 2 sind neben dem Druckraum 2 zwei Zwischendruckräume 7 und 8 vorgesehen, in welchen der Druck des zu fördernden Fluids jeweils etwa halb so gross ist wie im Druckraum 2. Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante ist das erste
Begrenzungselement 3 als Pumpengehäuse 3 ausgestaltet und das zweite
Begrenzungselement 4 dient der Trennung zwischen den beiden
Zwischendruckräumen 7, 8 sowie der jeweiligen Trennung jedes der
Zwischendruckräume 7, 8 vom Druckraum 2. Es sind zwei Dichtungselemente 5 vorgesehen, die jeweils Teil einer radialen Dichtungsanordnung sind und von denen das eine Dichtungselement 5 der Dichtung zwischen dem
Druckraum 2 und dem Zwischendruckraum 7 und das andere
Dichtungselement der Dichtung zwischen dem Druckraum 2 und dem
Zwischendruckraum 8 dient. Zusätzlich zu den in Fig. 1 beschriebenen Komponenten ist bei diesen Dichtungsanordnungen jeweils noch ein Stützring 9 vorgesehen, dessen Funktion das Positionieren des jeweiligen Dichtungselemnts 5 im drucklosen Zustand ist. Der Sützring 9 kann
beispielsweise als Split-Ring ausgestaltet sein, das heisst aus zwei oder mehr Segmenten bestehen, die beispielsweise in der Druckraum 2 eingelegt und an seiner Wandung verschraubt werden. Dabei wird der Stützring 9 bezüglich des Dichtungselements 5 mit Spiel verschraubt bzw. befestigt, denn der Stützring 9 soll das Dichtungselement 5 nur positionieren, nicht aber verklemmen oder die Verschiebbarkeit des Dichtungselements 5 in
ungewünschter Weise verhindern oder beeinträchtigen. Dem Stützring 9 kommt keine Dichtfunktion zu, er soll nur gewährleisten, das sich das
Dichtungselement 5 im drucklosen Zustand in einer definierten Position befindet.
Bei der hier gezeigten Ausgestaltung hat der Stützring 9 jeweils einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt. Mit dem einen der Schenkel des L stützt sich der Stützring an der inneren Wandung des Druckraums 2 ab, der andere Schenkel bildet die Fläche, welche das Dichtungselement 5 im drucklosen Zustand stützt. Die Stützfläche des Dichtungselements 5, die im drucklosen Zustand an dem Stützring anliegt, ist hier jeweils die Stirnseite des langen Schenkels 57 des Dichtungselements 5.
Wird nun der Druckraum 2 mit Druck beaufschlagt, so kann es zu einer Wölbung oder einer sonstigen Dehnung des Pumpengehäuses 3 kommen, wodurch sich zwischen dem Pumpengehäuse 3 und dem zweiten
Begrenzungselement 4 ein Spalt öffnen kann. Dieser wird - wie im
Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert durch das Verschieben der
Dichtungselemente 5 wirkungsvoll verschlossen. Es versteht sich, dass auch bei dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel sowie bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 3-6 in sinngemäss gleicher Weise ein Stützring 9 vorgesehen sein kann.
In Fig. 3 ist eine zweite Variante für die Anordnung des Dichtungselements 5 dargestellt. Bei dieser Variante dient das Dichtungselement 5 zur Abdichtung zwischen dem Pumpengehäuse, welches hier das erste Begrenzungselement
3 darstellt, und einem Pumpendeckel, welcher hier das zweite
Begrenzungselement 4 darstellt. Typischerweise ist der Pumpendeckel 4 mit mehreren Schrauben 41 am Pumpengehäuse 3 festgeschraubt, von denen in Fig. 3 nur eine dargestellt ist Typischerweise herrscht ausserhalb des
Pumpengehäuses 3 Atmosphärendruck, während im Druckraum 2 ein erhöhter Druck herrscht. Bei sehr hohen Drucken im Druckraum 2 wölbt sich der Pumpendeckel 4 auf, wodurch sich ein Spalt zwischen dem
Pumpengehäuse 3 und dem Pumpendeckel 4 öffnet. Da sich das
Dichtungselement 5 in axialer Richtung - also in Richtung der Drehachse A - bewegen kann, verschiebt sich das Dichtungselement unter
Druckbeaufschlagung darstellungsgemäss nach rechts und verschliesst so zuverlässig den Spalt zwischen dem Pumpendeckel 4 und dem
Pumpengehäuse 3. Zusätzlich kann sich das Pumpengehäuse 3 auch dehnen, also quasi aufblähen. Auch dieser Bewegung kann das
Dichtungselement 5 folgen, weil es auch bezüglich der radialen Richtung verschiebbar ist. Dieses Verschieben bezüglich der radialen Richtung geht in der Regel mit einer Aufweitung des Dichtungselements 5 einher, da sich bei einer Dehnung des Pumpengehäuses 3 in radialer Richtung auch dessen Innendurchmesser vergrössert.
Der Begriff, dass das Dichtungselement„verschiebbar angeordnet" ist, soll daher im Rahmen dieser Anmeldung so verstanden werden, dass damit auch eine Aufweitung bzw. eine Dehnung eines ringförmigen Dichtungselements gemeint bzw. umfasst ist.
Bei der in Fig. 4 dargestellten dritten Variante dient das Dichtungselement 5 dazu, den Druckraum 2 einer Pumpe gegenüber einem Zwischendruckraum 7 abzudichten. Im Druckraum 2 herrscht der maximale Druck, beispielsweise 1000 bar, und im Zwischendruckraum 7 herrscht irgendein Zwischendruck, der zwischen dem Atmosphärendruck bzw. dem Umgebungsdruck und dem Druck im Druckraum 2 liegt, beispielsweise ist der Zwischendruck halb so gross wie der Druck im Druckraum 2. Bei dieser Variante bildet das
Pumpengehäuse das erste Begrenzungselement 3. Das zweite
Begrenzungselement 4 ist ein Bauteil, beispielsweise ein Trennelement 4, welchen den Zwischendruckraum 7 vom Druckraum 2 abgrenzt.
Die in Fig. 5 dargestellte vierten Variante für die Anordnung von
Dichtungselementen 5 ist ähnlich der in Fig. 2 dargestellten. Diese Anordnung ist speziell für mehrstufige Pumpen in back-to-back Anordnungen geeignet. Bei diesen Pumpen gibt es zwei im Wesentlichen identische Blöcke, von denen jeder mehrere Pumpenstufen enthalten kann. Diese beiden Blöcke sind spiegelbildlich - also Rücken an Rücken - zueinander angeordnet, sodass der Druckraum 2, in dem der höchste Druck herrscht und der mit dem Auslass der Pumpe verbunden ist, üblicherweise als Ringraum in der Mitte der Pumpe angeordnet ist. Bei dieser Variante sind zwei Dichtungselemente 5 vorgesehen. Das erste Begrenzungselement 3 wird durch das
Pumpengehäuse 3 gebildet, während das zweite Begrenzungselement 4 als Trennelement die Trennwand zwischen den beiden Rücken an Rücken angeordneten Blöcken ist. Zu dem einen Block gehört der
Zwischendruckraum 7, zu dem anderen Block gehört der Zwischendruckraum 8. Ausserhalb des Pumpengehäuses 3 herrscht der Atmosphären- oder Umgebungsdruck und in den beiden Zwischendruckräumen 7 bzw. 8 herrscht im Wesentlichen der gleiche Druck, der typischerweise jeweils halb so gross ist wie der Druck im Druckraum 2.
In Fig. 6 ist schematisch und im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Hochdruckpumpe dargestellt, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Bei der Hochdruckpumpe 100 handelt es sich um eine mehrstufige - hier vierstufige - Hochdruckpumpe mit back-to- back Anordnung, die als Radial-Kreiselpumpe ausgestaltet ist. Die
Hochdruckpumpe 100 hat ein Pumpengehäuse 103, einen Pumpendeckel 1 12 zum Verschliessen des Pumpengehäuses 103, einen Eingang 1 10, durch welchen das zu fördernde Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser oder Erdöl, in die Hochdruckpumpe 100 gelangt und einen Auslass 1 1 1 , durch welchen das dann unter Druck stehen Fluid die Hochdruckpumpe 100 verlässt. Zum Antreiben der Hochdruckpumpe 100 ist eine Pumpenwelle 1 13 vorgesehen, die im Betriebszustand um die Drehachse A rotiert und von einer nicht dargestellten Antriebseinheit angetrieben wird. Die Hochdruckpumpe 100 hat vier im Wesentlichen gleich ausgestaltete
Stufen, nämlich eine erste Stufe 1 14, eine zweite Stufe 1 15, eine dritte Stufe 1 16 und eine vierte Stufe 1 17. Jede dieser Stufen 1 14-1 17 hat jeweils ein Laufrad 120. Jedes Laufrad 120 ist drehfest mit der Pumpenwelle 1 13 verbunden. Die erste und die zweite Stufe 1 14, 1 15 gehören zu einem ersten Block 130. Die dritte und die vierte Stufe 1 16, 1 17 gehören zu einem zweiten Block 140. Die beiden Blöcke 130, 140 sind durch ein Trennelement 104 voneinander getrennt, das bezüglich des Pumpengehäuses 103 fixiert ist. Die beiden im Wesentlichen gleich ausgestalteten Blöcke 130, 140 sind bezüglich des Trennelements 104 spiegelbildlich, also Rücken an Rücken, angeordnet, weshalb dieser Aufbau auch als back-to back Anordnung bezeichnet wird.
Der Strömungsverlauf des Fluids durch die Hochdruckpumpe 100 ist in Fig. 6 durch Pfeile dargestellt, von denen nur der erste am Einlass 1 10 mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnet ist. Das Fluid strömt vom Eingang 1 10 in axialer Richtung zum Laufrad 120 der ersten Stufe 1 14 und wird von deren Ausgang in axialer Richtung zum Laufrad der zweiten Stufe 1 15 geleitet. Vom Ausgang der zweiten Stufe 1 15, der gleichzeitig auch den Ausgang des ersten Blocks 130 bildet, wird das Fluid durch eine Strömungsverbindung 160, die im Trennelement 104 vorgesehen ist, in einen Zwischendruckraum 108 des zweiten Blocks 140 geleitet, durch den das Fluid zum Eingang der dritten Stufe 1 16 gelangt. Vom Ausgang der dritten Stufe 1 16 wird das Fluid in axialer Richtung zum Eingang der vierten Stufe 1 17 geleitet, welche das Fluid schliesslich auf den Hochdruck fördert, mit welchem es am Auslass 1 1 1 der Hochdruckpumpe 100 zur Verfügung steht. Vom Ausgang der vierten Stufe 1 17 führt eine Hochdruckströmungsverbindung 170 zum Druckraum 102, der mit dem Auslass 1 1 1 der Hochdruckpumpe 100 verbunden ist. Der
Druckraum 102 ist im Wesentlichen als Ringraum ausgestaltet, der radial aussen um das Trennelement 104 herumführt.
Auch im ersten Block 130 ist ein Zwischendruckraum 107 vorgesehen, welcher im Wesentlichen als Ringraum ausgestaltet und innenliegend am
Pumpengehäuse 103 angeordnet ist. Dieser Zwischendruckraum 107 ist über eine in Fig. 6 nicht dargestellte Strömungsverbindung mit dem Ausgang der zweiten Stufe 1 15 verbunden, sodass in den beiden Zwischendruckräumen 107 und 108 der gleiche Druck herrscht, der aufgrund der im Wesentlichen gleichen Ausgestaltung der vier Stufen 1 14-1 17, etwa dem halben Druck des
Drucks im Druckraum 2 entspricht.
Wie dies die Pfeile in Fig. 6 verdeutlichen durchströmt das Fluid bezüglich der axialen Richtung den zweiten Block 140 in umgekehrter Richtung wie den ersten Block 130. Darstellungsgemäss wird der erste Block 130 von rechts nach links durchströmt, während der zweite Block von links nach rechts durchströmt wird.
Das Trennelement 104 grenzt einerseits an den Druckraum 102 an, in welchem der höchste Druck wirkt, und andererseits an die beiden
Zwischendruckräume 107 und 108, in denen ein etwa halb so grosser Druck wirkt wie im Druckraum 2. Dies entspricht im Grundsatz der in Fig. 2 dargestellten Konfiguration. Zur Abdichtung des Druckraums 102 gegenüber den Zwischendruckräumen 107 und 108 ist jeweils ein Dichtungselement 5 vorgesehen, das mit den benachbarten Begrenzungselementen eine
Ausgestaltung der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung 1 bildet. In Fig. 6 bildet das Pumpengehäuse 103 das erste Begrenzungselement 3 und das Trennelement das zweite Begrenzungselement 4. Diese
Dichtungsanordnung 1 eignet sich für sehr hohe Drucke. So kann der Druck im Druckraum 102 beispielsweise 1000 bar betragen. Dann ist der Druck in den Zwischendruckräumen 107 und 108 jeweils etwa 500 bar.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung 1 auch an anderen Stellen eine Hochdruckpumpe verwendet werden kann. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise auch an der Grenze zwischen dem Pumpendeckel 1 12 und dem Pumpengehäuse 103 ein Dichtungselement 5 vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
Dichtungsanordnung zum Abdichten eines Druckraums
(2) in einer Hochdruckpumpe, welcher durch ein erstes und eine zweites
Begrenzungselement (3,4) begrenzt wird, mit einem separaten
Dichtungselement (5), das eine erste Dichtfläche (51 ) zum
Zusammenwirken mit dem ersten Begrenzungselement (3) sowie eine zweite Dichtfläche (52) zum Zusammenwirken mit dem zweiten
Begrenzungselement (4) aufweist, wobei die beiden Dichtflächen (51 ,52) gegeneinander geneigt sind und jeweils eine Nut (53,54) zur Aufnahme eines Dichtungsrings (55) aufweisen, und wobei das Dichtungselement (5) so angeordnet und ausgestaltet ist, dass es bei
Druckbeaufschlagung gesamthaft entlang einer der
Begrenzungselemente (3,4) verschiebbar ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 , bei welchem die beiden
Dichtflächen (51 ,52) des Dichtungselements (5) einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschliessen.
3. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher ein Stützring (9) zum Positionieren des Dichtungselements (5) insbesondere im drucklosen Zustand vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der Stützring (9) im
drucklosen Zustand an einer Stützfläche des Dichtungselements (5) anliegt, wobei die Stützfläche verschieden ist von den beiden
Dichtflächen (51 ,52) des Dichtungselements (5).
5. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dichtungselement (5) einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist mit einem langen Schenkel (57), welcher die erste Dichtfläche (51 ) bildet, und mit einem kurzen Schenkel (58), welcher die zweite Dichtfläche (52) bildet.
6. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dichtungselement (5) entlang des ersten und des zweiten
Begrenzungselements (3,4) verschiebbar angeordnet ist.
7. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die erste Dichtfläche (51 ) zwischen der in ihr vorgesehenen
Nut (53) und ihrem der zweiten Dichtfläche (52) zugewandten Ende konisch ausgestaltet ist.
8. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die zweite Dichtfläche (52) zwischen der in ihr vorgesehenen Nut (54) und ihrem der ersten Dichtfläche (51 ) zugewandten Ende konisch ausgestaltet ist.
9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Winkel des Konus (a, ß) jeweils höchstens 2°, vorzugsweise höchstens 1 ° beträgt.
10. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche
ausgestaltet als radiale Dichtungsanordnung.
1 1 . Hochdruckpumpe mit einer Dichtungsanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
12. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 1 mit einem Pumpendeckel (4) und einem Pumpengehäuse (3), wobei die Dichtungsanordnung (1 ) zum Abdichten zwischen dem Pumpendeckel und dem Pumpengehäuse vorgesehen ist.
13. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 1 oder 12 ausgestaltet als
mehrstufige Pumpe
14. Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 1 -13, wobei die
Dichtungsanordnung (1 ) zum Abdichten zwischen einem Druckraum (102) und einem Zwischendruckraum (107,108) vorgesehen ist.
15. Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 1 -14, wobei die
Dichtungsanordnung (5) zum Abdichten zwischen einem Trennelement (104) und dem Pumpengehäuse (103) oder zwischen dem
Pumpendeckel (1 12) und dem Pumpengehäuse (103) vorgesehen ist.
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