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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Bewegen eines Fluids (insbesondere, jedoch nicht
ausschließlich) für Prozeßpumpen, die häufig erforderlich sind, um
gefährliche Fluide zu pumpen. Das Wort "Fluide" bezeichnet
hier Flüssigkeiten, Gase oder Gemische aus beiden.
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Bisher ist ein Vorspanndruck auf ein Öl in einer
abgedichteten Kammer auf der von dem gepumpten Fluid entfernten Seite
der Wellendichtung durch zwei Arten von Einrichtungen
erzeugt worden. Eine Art umfaßt eine Hilfspumpe und ein
dazugehöriges Steuerventil und weist den Nachteil auf, daß sie
im Verhältnis zu den Kosten für die Prozeßpumpe sehr teuer
ist. Die andere bekannte Art Einrichtung umfaßt einen
schweren Kolben, der in einem vertikalen Zylinder gleitet, dessen
oberes Ende mit dem gepumpten Fluid in Verbindung steht, und
dessen unteres Ende mit der erwähnten abgedichteten Kammer
in Verbindung steht, wobei der Zylinder durch den Druck des
gepumpten Fluids und zusätzlich durch sein eigenes Gewicht
auf das untere Ende des Zylinders zu gedrückt wird, und mit
Dichtungseinrichtungen vom Rollmembrantyp versehen ist, die
praktisch reibungslos sind. Diese andere Art von Einrichtung
ist erheblich billiger als erstere Art, weist jedoch
insofern Nachteile auf, als das Übergewicht des Vorspanndrucks
über den Druck des gepumpten Fluids, das durch das Gewicht
des Kolbens erzeugt wird, sehr gering ist, d.h. ein Pound
pro Quadratinch (ungefähr 0,07 Kilogramm pro
Quadratzentimeter), und daß die Rollinembran leicht reißt, wenn das Öl
verlorengeht, so daß möglicherweise gefährliche Fluide in die
Atmosphäre austreten.
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USA 3,471,156, das im vorkennzeichnenden Teil von Anspruch 1
zusammengefaßt ist, offenbart eine aufblasbare
Packungsstopfbuchse für Stopfbuchsen, die um die sich hin- und
herbewegende polierte stange eines produzierenden Ölbohrlochs
eingesetzt wird. Der Druck des Packungselementes auf den
Außenumfang der polierten Stange wird automatisch
aufrechterhalten und gleicht so Verschleiß aus, der durch die Hin- und
Herbewegung der polierten Stange an der Packungsstopfbuchse
erzeugt wird. Vorspanndruck wird durch einen Druckregler
aufrechterhalten, der einen Kolben umfaßt, der in einem
Zylinder gleitet, dessen eines Ende mit dem gepumpten Fluid in
Verbindung steht, und dessen anderes Ende mit einer
abgedichteten Kammer auf der Seite der Wellendichtung in
Verbindung steht, die von dem Fluid entfernt ist, wobei der Kolben
durch Federeinrichtungen sowie durch den Druck des gepumpten
Fluids auf das andere Ende des Zylinders zu gedrückt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Einrichtung zu schaffen, die relativ billig ist, die ein
größeres Übergewicht an Vorspanndruck ausübt, und mit der
sich praktisch die Möglichkeit des Austretens des gepumpten
Fluids vermeiden läßt.
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Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zum Erzeugen eines
Vorspanndrucks auf eine Wellendichtung einer Pumpe
geschaffen, die einen Kolben umfaßt, der in einem Zylinder
verschiebbar ist, dessen eines Ende mit dem gepumpten Fluid in
Verbindung steht, und dessen anderes Ende Öl enthält, das
mit einer abgedichteten Kammer auf der Seite der
Wellendichtung in Verbindung steht, die von dem Fluid entfernt ist,
wobei der Kolben durch Federeinrichtungen sowie durch den
Druck des gepumpten Fluids auf das andere Ende des Zylinders
zu gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit
Dichtungseinrichtungen versehen ist, die in Reibungskontakt
mit dem Zylinder gleiten.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird im folgenden
lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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Fig.1 eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines
Kopfantriebs (headgear) für eine Prozeßpumpe ist,
die mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines
Vorspanndrucks auf eine Wellendichtung derselben
versehen ist;
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Fig.2 eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht der
Einrichtung in größerem Maßstab ist;
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Fig.3 eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines
Kolbens in der Einrichtung in noch größerem
Maßstab ist, die Einzelheiten der
Dichtungseinrichtungen zeigt, mit denen der Kolben versehen ist;
und
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Fig.4 eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht der
Wellendichtung in größerem Maßstab als Fig. 1 ist.
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In den Zeichnungen ist zu sehen, daß eine
Zentrifugalprozeßpumpe bekannten Typs einen in Fig. 1 dargestellten
Kopfantrieb hat, der ein Gehäuse 10 umfaßt, in dem eine
Antriebswelle 12 drehbar angebracht ist. Das Gehäuse 10 ist mit
einem im allgemeinen zylindrischen Hauptgehäuse 14
verschraubt, durch das sich die Welle 12 axial erstreckt, und
in dem wenigstens ein Förderkörper (impeller) (nicht
dargestellt) angeordnet ist, der auf Welle 12 befestigt ist.
Normalerweise ist eine Vielzahl von Förderkörpern vorhanden,
die in Reihe wirken. Die Pumpe hat einen Einlaß (nicht
dargestellt) im Gehäuse 14 und einen Auslaß 16 im Gehäuse 10.
Die Welle 12 steht aus dem Ende des Gehäuses 10 vor, das von
dem Gehäuse 14 entfernt ist, und ist mit einem Elektromotor
18 verbunden. Miteinander verbundene Räume 20, 22 in dem
Gehäuse 10 stehen mit dem Einlaß der Pumpe unter anderem über
eine Leitung 24 in Verbindung.
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Um den Druck des gepumpten Fluids in den Räumen 20, 22
aufrechtzuerhalten und seinen Austritt zu verhindern, weist die
Welle 12 eine Dichtungsbaugruppe auf, die allgemein mit 26
bezeichnet ist, und auf die ein Vorspanndruck wirkt, der
größer ist als der Druck des Fluids. Dieser Vorspanndruck
wird durch eine neuartige Einrichtung, die in Fig. 2
dargestellt ist, und einen Kolben 30 umfaßt, der in einen
Zylinder 32 gleitet, dessen eines Ende mit dem Fluid in dem Raum
in Verbindung steht, und dessen anderes Ende mit der Kammer
in Verbindung steht, auf ein Öl in einer Kammer 28 ausgeübt,
die die Dichtungsbaugruppe 26 umgibt. In Fig. 4 ist zu
sehen, daß die Dichtungsbaugruppe 26 vom sogenannten Doppel-
Rücken-an-Rücken-Typ (double back-to-back type) ist und eine
an der Welle 12 mit einer Stellschraube 80 an der Welle 12
befestigte Hülse 34 umfaßt, die zwei ringförmige Nuten in
ihrer Bohrung aufweist, die jeweils einen elastischen
Dichtungsring 82 enthält. Zwei drehbare Dichtungsmanschetten 84
sind verschiebbar an den entsprechenden Enden von Hülse 34
angebracht, und jede der Manschetten weist eine Ringnut in
ihrer Bohrung auf, die einen elastischen Dichtungsring 86
enthält. Die Manschetten 84 werden durch entsprechende,
entgegengesetzt gängige Spiraldruckfedern 90, die jeweils
zwischen einem Absatz an der Hülse 34 und einem Absatz an der
entsprechenden Manschette 84 eingeschlossen sind, in
Stirnflächenkontakt mit entsprechenden stationären
Dichtungsmanschetten 88 gedrückt. Jede Manschette 88 ist verschiebbar in
dem Gehäuse 10 angebracht und wird durch einen Stift 92
gegen Drehung gehalten, und ein elastischer Dichtungsring 94
ist zwischen einem Absatz an der Manschette 88 und einem
Absatz an dem Gehäuse 10 eingeschlossen. Da sie vom Doppel-
Rücken-an-Rücken-Typ ist, hält die Dichtungsbaugruppe 26 den
Vorspanndruck in der Kammer 28 und erhält den Druck des
gepumpten Fluids in den Räumen 20, 22 aufrecht. Der Zylinder
32 umfaßt zwei koaxiale Abschnitte 36, 38 mit
unterschiedlichem Durchmesser, zwischen denen sich eine Wand 40 befindet,
wobei durch eine Bohrung 42 in selbiger eine Kolbenstange 44
mit erheblichen Abstand gleitet. Der Kolben 33 ist starr an
dem Ende der Stange 44 angebracht, das in dem Abschnitt 38
des Zylinders 32 mit größerem Durchmesser angeordnet ist,
und der Umfang des Kolbens 33 ist mit hydraulischen
Dichtungseinrichtungen versehen, die allgemein mit 45 bezeichnet
sind, und vom in Fig. 3 dargestellten bekannten Typ sind,
die in Reibungskontakt mit dem Zylinder 32 gleiten. Die
hydraulischen Dichtungseinrichtungen sind in einer Ringnut 46
in dem Kolben 30 enthalten und umfassen einen inneren
elastischen O-Ring 48, eine äußeren Ring 50 mit rinnenförmigen
Querschnitt, der durch den O-Ring 48 auf die Bohrung des
Zylinders 32 zu gedrückt wird, sowie einen Elastomerring 52,
der in der Rinne des Rings 50 angeordnet ist. Die
Kolbenstange 44 weist des weiteren eine Scheibe 54 auf, die
mittels eines Sprengrings 56 an dem ihrer Enden in dem
Abschnitt 36 des Zylinders 32 mit kleinerem Durchmesser
befestigt ist, und der Umfang der Scheibe 54 ist mit einem
Gleitring 58 versehen, der in Kontakt mit dem Zylinder 32
gleitet. Eine Spiraldruckfeder 60 ist unter Druck zwischen
der Scheibe 54 und der Wand 40 eingeschlossen, und eine
Lüftungsöffnung 62 ist durch die Scheibe 54 hindurch
ausgebildet. Das Ende des Abschnitts 38 des Zylinders 32 mit
größerem Durchmesser, das von der Stange 44 entfernt ist, steht
über eine Öffnung 64 und ein Rohr 66 mit dem gepumpten Fluid
in Verbindung, und das Ende des Abschnitts 36 des Zylinders
32 mit kleinerem Durchmesser, das von der Stange 44 entfernt
ist, steht über eine Öffnung 68 und ein Rohr 70 mit dem Öl
in der Kammer 28 in Verbindung. Aufgrund des Vorhandenseins
der Lüftungsöffnung 62 durch die Scheibe 54 hindurch und des
Abstandes zwischen der Stange 44 und der Bohrung 42 in der
Wand 40 füllt das Öl den gesamten Zylinder 32 auf der
Stangenseite des Kolbens 30 aus. Die Scheibe 54 trägt
ringförmige Magneten 72, mit denen die Ausrichtung jeder einer
Reihe von Gelenkklappen 73 gesteuert wird, die in einem
Gehäuse 74 angeordnet sind, das an der Außenseite des
Abschnitts 36 des Zylinders 32 mit kleinerem Durchmesser
angebracht ist, wobei die Seiten der Klappen, die dem Abschnitt
38 des Zylinders 32 mit größerem Durchmesser zugewandt sind,
rot gestrichen sind, und die in die andere Richtung
gewandten die gleichen Farbe haben, wie das Äußere des Zylinders
32, so daß eine sichtbare Anzeige der Stellung der Scheibe
54 und damit des Kolbens 30 gewährleistet ist. Die Magnete
72 steuern auch einen Schalter 76, der an der Außenseite des
Abschnitts 36 des Zylinders 32 mit kleinerem Durchmesser
angeordnet ist, der automatisch das Nachfüllen von Öl auslöst,
wenn dies erforderlich ist, und einen weiteren Schalter 78,
der an der Außenseite des Abschnitts angeordnet ist und das
Auffüllen des Öls automatisch beendet.
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In Funktion wirkt der Druck des gepumpten Fluids auf die
Seite des Kolbens 30, die von der Stange 44 entfernt ist,
und erzeugt einen entsprechenden Druck in dem Öl auf der
anderen Seite des Kolbens 30, das mit der Kaminer 28 in
Verbindung steht, und die Spiraldruckfeder 60 wirkt zusammen mit
dem Fluid und erzeugt ein Übergewicht von ungefähr zwischen
1 und 2 bar des Vorspanndrucks, der durch das Öl ausgeübt
wird, gegenüber dem Druck des gepumpten Fluids. Wenn Öl
allmählich aus dem System austritt, wird dies durch die
Gelenkklappen 73 angezeigt und schließlich durch die beiden
Schalter 76, 78 aufgefüllt. Wenn das gesamte Öl aus dem
System verlorengegangen ist, sind die hydraulischen
Dichtungseinrichtungen 48, 50, 52 am Kolben 30 so stark, daß
sie ein Austreten des möglicherweise gefährlichen Fluids in
die Atmosphäre verhindern, das über die Seite des Kolbens 30
gepumpt wird, die an die Stange 44 und die Kammer 28
angrenzt, wobei es mit dieser Seite in Verbindung steht.
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Bei einer Abwandlung wird das Öl nicht automatisch
aufgefüllt, und der Magnet 72 steuert einen einzelnen Schalter,
der an der Außenseite des Abschnitts 36 des Zylinders 32 mit
kleinerem Durchmesser angeordnet ist, der ein Fernwarnsignal
auslöst, wenn aufgefüllt werden muß. Bei einer weiteren
Abwandlung wird die Druckfeder 60 durch einen Stapel
Tellerfedern ersetzt.