(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE. (51) Int Cl. Patentstyret

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. F04B 47/06 (06.01) F04D 13/08 (06.01) F04D 29/ (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag () Prioritet (41) Alm.tilgj (4) Meddelt (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Nils Terje Ottestad, Kalvetangvn. 83, 3132 HUSØYSUND, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Trykk - volum regulator (6) Anførte publikasjoner US 2640 A WO A1 US A1 (7) Sammendrag Trykkvolumregulator () for regulering av tilførsel og trykk til barrierefluid for pumper og kompressorer under vann, innbefattende et innløp (18) for barrierefluid ved et innløpstrykk, et første utløp (19) og et andre utløp (1), hvor innløpstrykket er høyere enn det første utløpstrykket som igjen er høyere enn det andre utløpstrykket. Trykkvolumregulatoren er kjennetegnet ved at innløpet og det andre utløpet er sammenlåst mellom et bevegelig langsgående sammenlåsingslegeme () med ventilelementer operativt anordnet ved hver ende, idet lengden av sammenlåsingslegemet pluss ventilelementene er kortere enn avstanden mellom en åpne-lukke ventilmekanisme til innløpet og en åpnelukke mekanisme til det andre utløpet.

2 1 TRYKK VOLUM REGULATOR Oppfinnelsen område Foreliggende oppfinnelse vedrører utstyr for trykkforsterkning under vann. Mer spesielt tilveiebringer oppfinnelsen en trykkvolumregulator for å regulere tilførsel og trykk til barrierefluid for pumper og kompressor under vann. 1 2 Bakgrunn for oppfinnelsen og teknikkens stand En trykkvolumregulator for bruk under vann for tilførsel og trykkregulering av barrierefluidtilførselen for pumper og kompressorer, er beskrevet og vist i norsk patentpublikasjon NO Hensikten med en trykkvolumregulator er å kontrollere tilførsel og uttak av smørefluid, også betegnet som barrierefluid, etter behov for å sikre et overtrykk i motorhulrommet. Mer spesielt skal barrierefluidet i motorhulrommet holdes ved et visst overtrykk i forhold til pumpe- og kompressortrykket, for å hindre strøm i retningen fra pumpen eller kompressoren til motoren. Regulatoren er typisk anordnet med en tilførselsledning for barrierefluid forbundet med et innløp, et første utløp forbundet med et motorrom og et andre utløp forbundet med et pumpe- eller kompressorrom. Trykket i motorrommet skal opprettholdes ved et høyere nivå enn trykket til pumpe- eller kompressorrommet. Lekkasjebanen for barrierefluid i en motor/pumpe-enhet vil typisk være gjennom akseltetningen som adskiller motoren og pumpe/kompressorrommet. Fluidet i motorrommet vil derved virke som en barriere mot forurensning av partikler og forurensende fluid som ellers ville lekke fra pumpen eller kompressoren inn i motoren og forkorte levetiden til motoren. Barrierefluidet virker også som et kjølemiddel for motoren og smøremiddel for lagrene. Trykkvolumregulatoren i henhold til NO innbefatter et innløp og minst to utløp. Trykket blir redusert for hvert etterfølgende utløp, i strømningsretningen fra innløpet, ved å ha en trykkregulator, så som en forspent kontrollventil eller trykkventil mellom hvert utløp, som åpner ved en forutbestemt verdi som er regulert av forspenningen. Dersom trykkdifferansen mellom et oppstrøms utløp og et nedstrøms utløp overskrider en forutbestemt

3 2 verdi vil ventilen åpne. Ventilelementets areal på hvilket trykket til innløpsstrømmen virker, er av samme størrelsesorden som arealet til ventilelementet på hvilke trykket til utløpsstrømmen virker. Det er en mulighet for å ha både innløpsstrømtilførselsventilen og kontrollventilen på den andre eller siste utløpet åpne samtidig. Dette kan resultere i en kontinuerlig dumping av barrierefluidet. Selv om denne typen funksjonelle feil krever et meget stivt eller ikke-komprimerbart volum nedstrøms a det andre eller siste utløpet, er det av avgjørende betydning å eliminere faren for at dette skjer. Det ville også være fordelaktig dersom påliteligheten til trykkvolumregulatoren kunne forbedres ytterligere. 1 Fra US 2640 A er det kjent en trykkregulator for smørefluid for en petroleumspumpe. Regulatoren består av et lukket hus, delt i to kammer av en membran. Fra WO er det kjent et system for å regulere trykket i barrierevæsken ved en undersjøisk pumpemodul, samt trykkavlastning via en linje til det pumpede mediet. Fra US er det kjent en trykkregulator som åpner for å blø av overtrykk som oppstår ved temperaturendringer i distribusjonen av kjølevæske. 2 Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en trykkvolumregulator som eliminerer feilmekanismen nevnt over og som også tilveiebringer forbedret pålitelighet og et forlenget driftsliv. Oppsummering av oppfinnelsen Oppfinnelsen tilveiebringer en trykkvolumregulator for å regulere tilførselen og trykket til barrierefluid for pumper og kompressorer under vann, innbefattende et innløp for barrierefluid, et første utløp og et andre utløp. Innløpstrykket er høyere enn det første utløpstrykket som igjen er høyere enn det andre utløpstrykket. Trykkvolumregulatoren er kjennetegnet ved at

4 3 innløpsventilmekanismen og den andre utløpsventilmekanismen er sammenlåst av et bevegelig, langsgående sammenlåsingslegeme med ventilelementer operativt anordnet ved hver ande., idet lengden av sammenlåsingslegeme pluss nevnte ventilelement er kortere enn avstanden mellom åpne-lukke ventilmekanisme til innløpet og en åpne-lukke ventilmekanisme på det andre utløpet. Med sammenlåsingsfunksjonen som beskrevet, kan ikke innløpet og det andre utløpet være i en posisjon åpen for strømning samtidig, og derved elimineres faren to funksjonsfeil som nevnt over. 1 2 Regulatoren i henhold til oppfinnelsen kan ha mange forskjellige utførelsesformer. I alle foretrukne utførelsesformer er posisjonen til sammenlåsingslegemet og derved åpne-lukke posisjonen til innløps- og utløpsventilene i det vesentligste kontrollert av trykket i det andre utløpet og tilhørende rom eller volumer av regulatoren, og ikke av innløpstrykket. Dette erholdes ved å la trykkdifferansen mellom det første og andre utløpstrykket påvirke et mye større areal enn innløpstrykket, som påvirker innløpsventilen. Derved blir regulatoren i stand til å holde trykkdifferansen mellom det første og andre utløpstrykket ved et relativt konstant nivå, selv når innløpstrykket utsettes for store variasjoner. Fortrinnsvis kan sammenlåsingslegemet beveges mellom en øvre posisjon hvor innløpet er åpent og det andre utløpet er lukket, en nøytral posisjon hvor innløpet og det andre utløpet lukket og en nedre posisjon hvor innløpet er lukket og det andre utløpet er åpent. Regulatoren innbefatter fortrinnsvis et sammenlåsingslegeme med form av en sopp med en hatt og hul stamme, med en åpne-lukke fjærbelastet ventilmekanisme i hatteenden mot det andre utløpet og med en skyvstang i enden mot innløpet, hvilken skyvstang kan skyve innløpsventilen til en åpen posisjon. En forspenningsfjær er fortrinnsvis anordnet rundt og langs stammen til sammenlåsingslegemet for å tilveiebringe en oppover virkende kraft som sikrer et høyere trykk i det første utløpet sammenlignet med referansetrykket til det andre utløpet. I denne kontekst betyr oppover mot utløpet, sett i figurenes

5 4 orientering, hvor det soppformede sammenlåsingslegemet er orientert vertikalt med stammen oppover mot innløpet og hatte orientert nedover. 1 2 Sammenlåsingselementet blir skjøvet nedover mot innløpsventilen for derved å åpne denne når kraften dannet av trykket til det andre utløpet pluss kraften som blir dannet av trykket til det første utløpet. Sammenlåsingselementet blir skjøvet nedover mot den andre utløpsventilen og åpner denne når kraften fra trykket til det første utløpet er større enn kraften som er dannet av trykket fra det andre utløpskammeret pluss kraften tilveiebragt av forspenningsfjæren. Regulatoren innbefatter fortrinnsvis en belg anordnet fluidtett mellom en fast del av regulatorhuset og en ytre del av hatten til sammenlåsingslegemet mot det andre utløpet. Belgen er lukket for fluidstrøm mellom et referansekammer til det andre utløpet og det første utløpskammeret. Dette referansekammeret er på usiden av belgen og under den hatteformede enden av sammenlåsingslegemet, når man antar at det soppformede sammenlåsingslegemet har hatteformen ved den nedre enden. Innløps og ventildelen og ventilsetet i dette, sammenlåsingslegemets stamme, forspenningsfjæren og ventilelementet anordnet i hatteenden av sammenlåsingslegemet er plassert inne i belgen. Innsiden av belgen tilveiebringer derved et rent barrierefluidkammer inne i belgen, i hvilket kritiske komponenter og ventilseter er anordnet. Siden det er lavere trykk i pumpene eller kompressorene som er forbundet med det andre utløpet på utsiden av belgen, blir faren for kontaminering inn i barrierefluidkammeret minimalisert. Dette trekket forlenger levetiden og øker påliteligheten siden alle kritiske komponenter og tetningsflater er beskyttet av det relativt rene fluidet inne i belgen. Som nevnt er overflatearealet på hvilket trykket til fluidet i det andre utløpet virker fortrinnsvis mye større enn overflatearealet på hvilket trykket til innløpet virker. Forholdet mellom disse arealene bør fortrinnsvis være av en størrelsesorden to til tre, og må alltid være større enn forholdet mellom innløpstrykket og det andre utløpstrykket. Det er mulig med et forhold på ca. 600.

6 Fortrinnsvis er alle komponentene til regulatoren fremstilt av metall eller keramisk materiale, ikke polymerer av noen type. Fortrinnsvis er belgen laget av et utmatnings- og korrosjonsbestandig materiale, så som Hastelloy C 276. Oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av en volumtrykkregulator i henhold til oppfinnelsen for regulering av barrierefluidtilførselen til en undersjøisk pumpe eller kompressor. Figurer Oppfinnelsen blir illustrert med fem figurer, hvor: 1 Figur 1 viser et langsgående snitt av en trykkvolumregulator i henhold til oppfinnelsen, Figur 2 viser sammenstillingen av regulatoren i fig. 1, Figur 3 viser detaljer ved fødemodusen for regulatoren i fig. 1, Figur 4 viser regulatoren i fig. 1 i en dumpemodus, og Figur viser en annen utførelsesform av en trykkvolumregulator i henhold til oppfinnelsen, forholdsvis lik utførelsesformen illustrert i figurene 1-4, men forenklet og enklere å forstå. 2 Detaljert beskrivelse Det henvises til figur 1 som viser en trykkvolumregulator i henhold til oppfinnelsen i et langsgående snitt. Mer spesielt er det vist en trykkvolumregulator for å regulere tilførselen og trykket av barrierefluid for pumper og kompressorer under vann. Regulatoren innbefatter et innløpt 18 for barrierefluid ved et innløpstrykk, et første utløp 19 og et andre utløp 1, hvor innløpstrykket er høyere enn det første utløpstrykket som igjen er høyere enn det andre utløpstrykket. Innløpet vil være forbundet med en tilførsel av barrierefluid, som holdes ved et trykk på for eksempel 400 bar. Det første utløpet 19 vil være forbundet med en motor eller et motorrom til en pumpe eller kompressor som holdes ved for eksempel 70 bar. Det andre utløpet 1 vil være forbundet med en pumpe eller kompressor og skal holdes ved et trykk på for

7 6 eksempel 8 bar. Trykkene er kun typiske eksempler og kan variere i stor grad, men innløpstrykket vil alltid være høyere, vanligvis i en størrelsesorden på to, enn utløpstrykkene. Innløpet 18 og det andre utløpet 1 er sammenlåst av et bevegelig langsgående sammenlåsingslegeme med ventilelementer 17, 16, 7, 8, 9 som er operativt anordnet ved hver ende. Lengden til sammenlåsingslegemet pluss ventilelementene er kortere enn avstanden mellom en åpne-lukke ventilmekanisme til innløpet og en åpne-lukke ventilmekanisme til det andre utløpet. 1 2 Sammenlåsingslegemet sikrer at innløpet og det andre utløpet aldri kan være i en åpen posisjon samtidig og eliminerer derved muligheten for samtidig tilførsel og dumping av væske. Sammenlåsingselementet og tilkoblede eller tilhørende ventilelementer ved hver ende, totalt ganske enkelt er for korte til at både innløpet og det andre utløpet er åpne samtidig. En justeringsskrue 6 er anordnet med en låsemutter som gjør det mulig å justere dødgangen til sammenlåsingslegemets bevegelse som er nødvendig for tilfredsstillende funksjon til sammenlåsingslegemet. Den viste utførelsesformen innbefatter et sammenlåsingslegeme med en soppform med en hatt og en hul stamme, med en åpne-lukke fjærbelastet ventilmekanisme 7-9 i hatteenden mot det andre utløpet, og med en skyvstang i stammeenden som kan skyve innløpsventilen 16, 17 til den åpne posisjonen. Sammenlåsingslegemet kan ha mange utførelsesformer; den kan være oppdelt i flere deler, og den trenger ikke å ha en hul stamme, forutsatt at lengden, inkludert integrerte ventildeler, er for kort til at innløpet og det andre utløpet kan være åpne samtidig. En forspenningsfjær 11 er anordnet rundt og langs stammen til sammenlåsingslegemet, og virker fra en skive 13 som er festet til sammenlåsingslegemet via en hylse 12 som er festet til regulatorhuset 1, 2. Denne fjæren 11 sikrer et høyere trykk i en utløpskammer (II) til det første utløpet 19 enn i et referansekammer (III) i det andre utløpet 1. Innløpet 18 virker på innløpsventilen i kammeret (I). Hylsen 12 har som mål å sikre en ren aksiell bevegelse av sammenlåsingslegemet ført av hylsene. Trykket til det andre utløpet, referansekammeret (III), oppviser et trykk på hatten til sammenlåsingslegemet, for derved å skyve innløpsventilen til

8 7 den åpne posisjonen når dette trykket pluss trykket tilveiebragt av forspenningsfjæren er større enn trykket i det første utløpskammeret. 1 Videre innbefatter den viste regulatoren en belg 4 anordnet fluidtett mellom en fast del 3 til regulatorhuset 1, 2og en ytre del til hatten til sammenlåsingslegemet. Når ventilen 7, 8, 9 er lukket, er det indre av belgen og innsiden av hatten et lukket kammer forbundet med det første utløpet 19 og innløpsventil 16, 17. Tilsvarende, når ventilen 7, 8, 9 er lukket, er det ingen passasje for fluidstrøm mellom referansekammeret til det andre utløpet 1, som er på utsiden av belgen og kan inneholde kontaminert fluid, og det første innløpskammeret 19 inne i belgen. Siden det indre av belgen inneholder rent barrierefluid ved et overtrykk, vil en mulig lekkasje i ventil 7, 8, 9 medføre at rent fluid strømmer fra det indre av belgen til referansekammeret til det andre utløpet 1. Innløpsventilen 16, 17, sammenlåsingslegemets stamme, forspenningsfjæren 11 og ventilelementene 7, 8 9 og sensitive komponenter som ikke bær utsettes for kontaminert fluid. Disse komponentene er anordnet inne i det rene barrierefluidkammeret og øker der påliteligheten og levetiden til regulatoren. 2 Som det fremgår er arealet som blir påvirket av trykkdifferansen mellom utløpskammeret II og referansekammeret II mye større enn overflatearealet til innløpsventilen, som er påvirket av innløpstrykket. Sistnevnte areal er det projiserte arealet i bevegelsesretningen til ventillegemet 17, som lukker mot setet 16. Derved vil små forskjelliger i denne trykkdifferansen kontrollere bevegelsen og den operative posisjonen til ventilene til regulatoren slev om et stort trykk blir påført på innløpet 18. Det henvises videre til figur 2 som viser sammenstillingen av regulatoren i fig. 1. Mer spesielt blir de indre delene av belgen satt på plass først, deretter blir forspenningsfjæren komprimert og festet i posisjon med låsemuttere 14 (Fig. 1) ved bruk av et anpasset verktøy. Deretter blir lengden til belgsammenstillingen målt nøyaktig, hvorefter den korrekte justeringen av skruen 6 kan utføres.

9 8 Figur 3 viser regulatoren i fødemodus. Strømningsretningen, fra innløpet 18 gjennom innløpsventilen, inn i utløpskammeret (II) og videre ut til det første utløpet 19 er vist med piler. I den viste fødemodus er trykket i utløpskammeret (II) lavere enn trykket i referansekammeret (III) pluss trykket tilveiebragt av forspenningsfjæren. Figur 4 viser regulatoren i en dumpingsmodus. Pilene viser at fluidet blir ledet gjennom det første utløpet 19 og boringen i stammen til sammenlåsingselementet, gjennom ventilen i hattepartiet til sammenlåsingselementet, ut i referansekammeret (III) og deretter ut gjennom det andre utløpet 1. I den viste dumpingsmodus er trykket i utløpskammeret (II) større enn trykket i referansekammeret (III) pluss trykket tilveiebragt av forspenningsfjæren. 1 2 Det henvises videre til figur, som viser en annen utførelsesform av en trykkvolumregulator i henhold til oppfinnelsen, forholdsvis lik utførelsesformen vist i figurene 1-4, men forenklet og enklere å forstå. For klarhets skyld er det tatt med noe tekst i figuren. Mer spesielt er betingelsene for henholdsvis likevekt, føde til det første utløpet og dump til det andre utløpet, gitt som ligninger. De styrende kreftene: Fjærkraft (FS), Kraft (F1) dannet av første utløpstrykk og Kraft 2 (F2) dannet av det andre utløpstrykket, deres plassering og retning er vist, og ventilelementene in innløpet og mot det andre utløpet er vist klart. I likevektsmodus: F1 = FS + F2, er sammenlåsingslegemet i en nøytral eller mellomliggende posisjon, hvor både innløpet og det andre utløpet er lukket. I føden til første utløpsmodus: F1 < FS + F2, er sammenlåsingslegemet i en øvre posisjon, hvilket betyr at det tilstøter og skyver åpen innløpsventilmekanismen, hvor innløpet er åpent med det andre utløpet er lukket. I dump til andre utløpsmodus: F1> FS + F2, er sammenlåsingslegemet i en nedre posisjon, hvilket betyr at det tilstøter og skyver åpent det andre utløpet, hvor innløpet er lukket med det andre utløpet er åpent. I figur er sammenlåsingslegemet i en nøytral eller likevektsposisjon og derved er både innløpet og det andre utløpet lukket. Trykkvolumregulatoren i henhold til oppfinnelsen kan være forskjellig fra de viste utførelsesformene.

10 9 Trykkvolumregulatoren i henhold til oppfinnelsen kan innbefatte ethvert trekk som er beskrevet eller illustrert her, i enhver operativ kombinasjon, idet hver slik kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen.

11 P a t e n t k r a v 1. Trykkvolumregulator (2) for regulering av tilførsel og trykk til barrierefluid for pumper og kompressorer undervann, innbefattende et innløp (18) for barrierefluid ved et innløpstrykk, et føreste utløp (19) og et andre utløp (1), idet innløpstrykket er høyere enn det første utløpstrykket som igjen er høyere enn det andre utløpstrykket, k a r a k t e r i s e r t v e d at innløpet og det andre utløpet er sammenlåst mellom et bevegelig langsgående sammenlåsingslegeme () med ventilelementer operativt anordnet ved hver ende, idet lengden til sammenlåsingslegemet pluss ventilelementene er kortere enn avstanden mellom en åpne-lukke ventilmekanisme til innløpet og en åpne-lukke ventilmekanisme ved det andre utløpet Regulator i henhold til krav 1, hvor sammenlåsingslegemet kan beveges mellom en øvre posisjon hvor innløpet er åpent men det andre utløpet er lukket, en nøytral posisjon hvor både innløpet og utløpet er lukket og en nedre posisjon hvor innløpet er lukket med det andre utløpet er åpent, idet posisjonen til sammenlåsingselementet i hovedsak er bestemt av trykkdifferansen mellom det første utløpet og et referansekammer ved det andre utløpet Regulator i henhold til krav 2, hvorved det innbefatter et sammenlåsingslegeme i form av en sopp med en hatt og en hul stamme, med en åpne-lukke fjærbelastet mekanisme i hatteenden mot det andre utløpet og med en skyvstang i enden mot innløpet, hvilken skyvstang kan skye en ventil i innløpet til åpen posisjon; en forspenningsfjær (11) anordnet rundt og langs stammen til sammenlåsingslegemet, som virker fra en skive (13) som er festet til sammenlåsingslegemet () til en hylse (12) som er festet til regulatorhuset (1, 2) som sikrer et høyere trykk i et utløpskammer (II) til det første utløpet (19) enn i et referansekammer (III) til det andre utløpet (1); idet trykket i referansekammeret oppviser et trykk på hatten til sammenlåsingslegemet for

12 11 derved å skyve sammenlåsingselementet mot innløpet for derved å åpne innløpsventilen når trykket til det andre utløpet pluss trykket tilveiebragt av forspenningsfjæren er større enn trykket til det første utløpskammeret Regulator i henhold til krav 1-3, hvorved den innbefatter en belg (4) anordnet fluidtett mellom en fast del (3) av regulatorhuset og den ytre delen av hatten til sammenlåsingslegemet (), hvilken belg er lukket for fluidstrøm mellom referansekammeret til det andre utløpet (1), som er på utsiden av belgen, og det første utløpskammeret (19), innløpsåpningen og ventildelene og ventilsete i denne, sammenlåsingslegemets stamme, forspenningsfjæren og ventilelementet anordnet i hatteenden av sammenlåsingslegemet, tilveiebringer et rent barrierefluidkammer inne i belgen, med kritiske komponenter anordnet inne i det rene barrierefluidkammeret.. Regulator i henhold til krav 1-4, hvorved overflatearealet på hvilket trykket til fluidet i det andre utløpet virker, er større enn overflatearealet på hvilket trykket til innløpet virker, med minst en størrelsesorden, fortrinnsvis minst to størrelsesordener, mest foretrukket minst cirka to til tre størrelsesordener Regulator i henhold til krav 4, hvorved alle tetningselementene og tetningsoverflatene er anordnet i det rene kammeret inne i belgen. 7. Regulator i henhold til krav 1-6 hvor alle komponentene er fremstilt av metall eller keramiske materialer, ikke polymerer av noen type. 8. Regulator i henhold til krav 1-7, hvorved den innbefatter en belg av utmatnings og korrosjonsbestandig materiale, så som Hastelloy C 276.

13 12 9. Anvendelse av en trykkvolumregulator i henhold til hvilke som helst av kravene 1-8 for regulering av barrierefluidtilførsel til en undervanns pumpe eller kompressor.

14

15

16

17

18