EP1124061A1 - High pressure cryogenic pump - Google Patents

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EP1124061A1
EP1124061A1 EP01400294A EP01400294A EP1124061A1 EP 1124061 A1 EP1124061 A1 EP 1124061A1 EP 01400294 A EP01400294 A EP 01400294A EP 01400294 A EP01400294 A EP 01400294A EP 1124061 A1 EP1124061 A1 EP 1124061A1
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EP01400294A
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Alain Colson
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/04—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]

Definitions

  • the present invention relates to a pump very high pressure cryogenic of the type comprising a sleeve in which a sliding piston is received, this piston being fitted in the vicinity of each end with a guide segment and, between the guide segments, a plurality of sealing segments.

Abstract

The pump consists of a sleeve containing a sliding piston with a guide segment at each end and a number of seal segments (19) between. The seal segments are in pairs (19A, 19B) with straight or inclined joints (20A, 20B) set at 180 degrees to one another and having a common expander (21) for each pair of segments, with the expander slit at 90 degrees to the seal segment joints. The seal segments are made from a fritted composition material e.g. in eight pairs for a pump pressure of 600 - 900 bars.

Description

La présente invention est relative à une pompe cryogénique très haute pression du type comprenant une chemise dans laquelle est reçu un piston coulissant, ce piston étant équipé au voisinage de chaque extrémité d'un segment de guidage et, entre les segments de guidage, d'une pluralité de segments d'étanchéité.The present invention relates to a pump very high pressure cryogenic of the type comprising a sleeve in which a sliding piston is received, this piston being fitted in the vicinity of each end with a guide segment and, between the guide segments, a plurality of sealing segments.

Les pompes cryogéniques à piston sont des pompes volumétriques utilisées pour amener un liquide cryogénique, en particulier de l'azote liquide, à une haute pression de refoulement de la pompe supérieure à la limite supérieure des pompes centrifuges, qui est généralement de l'ordre de 40 bars. Ces pompes sont souvent alimentées par un « booster » qui fournit le débit et la hauteur hydrostatique (NPSH ou Net Positive Suction Head) nécessaire pour éviter les phénomènes de cavitation grâce à un sous-refroidissement suffisant du liquide. Dans certains cas, ces phénomènes peuvent être évités par la simple pressurisation du réservoir d'alimentation.Piston cryogenic pumps are pumps volumetrics used to supply a cryogenic liquid, in particular liquid nitrogen, at a high pressure of pump discharge higher than the upper limit centrifugal pumps, which is usually around 40 bars. These pumps are often powered by a "Booster" which provides flow and hydrostatic head (NPSH or Net Positive Suction Head) necessary to avoid cavitation phenomena thanks to sub-cooling enough liquid. In some cases, these phenomena can be avoided by simply pressurizing the feed tank.

Des pompes cryogéniques à piston actuellement utilisées sont équipées d'une pluralité de segments d'étanchéité simples constitués d'un matériau à base de PTFE (polytétrafluoroéthylène) chargé de bronze et munis d'un expandeur intérieur. La coupe de chaque segment peut être droite ou biaise.Piston cryogenic pumps currently used are equipped with a plurality of segments sealants made of PTFE-based material (polytetrafluoroethylene) loaded with bronze and fitted with a interior expander. The cut of each segment can be straight or bias.

L'expérience montre que le comportement mécanique de tels segments, leur positionnement autour du piston et leur fiabilité sont aléatoires dans le domaine des très hautes pressions, typiquement comprises entre 200 et 1 400 bars, lorsque les conditions de fonctionnement sont sévères : longue durée de fonctionnement continu, charge fortement variable, par exemple de 30 à 100% du débit nominal.Experience shows that the mechanical behavior of such segments, their positioning around the piston and their reliability are random in the area of very high pressures, typically between 200 and 1,400 bars, when the operating conditions are severe: long continuous operation time, heavy load variable, for example from 30 to 100% of the nominal flow.

L'invention a pour but de permettre d'assurer un service continu et à charge variable de la pompe pendant de longues durées, dans le domaine des très hautes pressions, en limitant d'une part les arrêts de la pompe liés à la dégradation des pièces mécaniques provoquée par l'usure (segmentation, piston, chemise en particulier),et d'autre part les pertes de liquide liées à une conception inappropriée et à une dégradation mécanique rapide.The invention aims to provide a continuous and variable load pump service for long durations, in the field of very high pressures, by limiting on the one hand the stops of the pump linked to the degradation of mechanical parts caused by wear (segmentation, piston, liner in particular), and other share of fluid losses related to a design inappropriate and rapid mechanical degradation.

A cet effet, l'invention a pour objet une pompe cryogénique du type précité, caractérisée en ce que chaque segment d'étanchéité est constitué de deux segments élémentaires accolés dont les coupes sont droites ou biaises et sont décalées au montage de 180° l'une par rapport à l'autre, et d'un expandeur commun, et en ce que les segments élémentaires sont constitués d'un matériau composite qui contient plus de 50% de bronze, environ 5% de bisulfure de molybdène et le reste de PTFE.To this end, the invention relates to a pump cryogenic of the aforementioned type, characterized in that each sealing segment consists of two segments elementary contiguous whose cuts are straight or biased and are offset during assembly by 180 °, one with respect to the other, and a common expander, and in that the segments elementary are made of a composite material which contains more than 50% bronze, approximately 5% disulphide molybdenum and the rest of PTFE.

L'invention a également pour objet un piston pour une pompe cryogénique telle que définie ci-dessus.The invention also relates to a piston for a cryogenic pump as defined above.

Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel :

  • la Figure 1 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale d'une pompe cryogénique suivant l'invention ;
  • la Figure 2 est une vue analogue à plus grande échelle du piston de cette pompe ;
  • la Figure 3 est une vue en bout d'un segment d'étanchéité de cette pompe; et
  • la Figure 4 est une vue de côté du même segment d'étanchéité, avec son expandeur décalé axialement pour la clarté du dessin.
An embodiment of the invention will now be described with reference to the attached drawing, in which:
  • Figure 1 is a partial schematic view in longitudinal section of a cryogenic pump according to the invention;
  • Figure 2 is a similar view on a larger scale of the piston of this pump;
  • Figure 3 is an end view of a sealing segment of this pump; and
  • Figure 4 is a side view of the same sealing segment, with its expander axially offset for clarity of the drawing.

La pompe cryogénique 1 représentée schématiquement sur la Figure 1 comprend un corps de pompe 2 dans lequel est fixée une chemise 3. Dans cette chemise, un piston 4 coulisse en va-et-vient sous l'action d'un système d'entraínement schématisé par une double flèche F. The cryogenic pump 1 shown diagrammatically in Figure 1 comprises a pump body 2 in which is fixed a sleeve 3. In this sleeve, a piston 4 slides back and forth under the action of a system drive shown schematically by a double arrow F.

A l'exception des segments du piston, qui seront décrits plus loin, la structure de la pompe est classique. En service, le liquide cryogénique est introduit sous une basse pression suffisante, via un raccord d'entrée 5 muni d'un clapet d'entrée, dans une chambre annulaire 6. Lorsque le piston recule (vers la gauche de la Figure 1), le liquide passe de la chambre 6, via des conduits obliques 7, dans la chemise 3. Lorsque le piston avance, le liquide est refoulé sous la haute pression à travers un conduit de refoulement 8, via un clapet de sortie.With the exception of the piston rings, which will described below, the structure of the pump is conventional. In service, the cryogenic liquid is introduced under a sufficient low pressure, via an inlet connection 5 provided an inlet valve, in an annular chamber 6. When the piston moves back (to the left of Figure 1), the liquid passes from chamber 6, via oblique conduits 7, into the jacket 3. When the piston advances, the liquid is discharged under high pressure through a discharge pipe 8, via an outlet valve.

Un excès de liquide sous la basse pression est en permanence évacué via un espace annulaire 9 du corps 2 qui entoure la chemise 3, et de là via un raccord 10. La chemise est centrée dans le corps 2 par une plage 11 située à gauche de l'espace 9, et une chambre annulaire de fuite 12 est ménagée à gauche de la plage 11. Le liquide de fuite recueilli dans la chambre 12 est évacué via un raccord 13.An excess of liquid under the low pressure is in permanently evacuated via an annular space 9 from the body 2 which surrounds the folder 3, and from there via a fitting 10. The folder is centered in the body 2 by a range 11 on the left of space 9, and an annular leak chamber 12 is located to the left of the beach 11. The leaking liquid collected in chamber 12 is evacuated via a connector 13.

La chemise 1 comporte un alésage central à section circulaire, et son axe X-X est supposé horizontal ou légèrement incliné dans le sens ascendant vers la sortie 8.The jacket 1 has a central section bore circular, and its X-X axis is assumed to be horizontal or slightly inclined in the upward direction towards exit 8.

Le piston 4 comprend un corps 14 extérieurement cylindrique, de rayon légèrement inférieur au rayon intérieur de la chemise 3. Ce corps est pourvu extérieurement de deux types de gorges circulaires : au voisinage de chaque extrémité, une gorge 15 de longueur L relativement importante, et entre les deux gorges 15, une pluralité de gorges 16 de longueur l plus faible. L'ensemble des gorges 16 définit une région d'étanchéité 17 du piston.The piston 4 comprises an externally cylindrical body 14, of radius slightly smaller than the internal radius of the jacket 3. This body is externally provided with two types of circular grooves: in the vicinity of each end, a groove 15 of length L relatively large, and between the two grooves 15, a plurality of grooves 16 of shorter length l . The set of grooves 16 defines a sealing region 17 of the piston.

Dans chaque gorge 15 est reçu un segment de guidage 18 ayant sensiblement la longueur L. Ce segment est un anneau à coupe droite ou biaise et comporte sur sa surface extérieure des rainures longitudinales d'équilibrage.In each groove 15 is received a guide segment 18 having substantially the length L. This segment is a ring cut straight or bias and has on its surface exterior of the longitudinal balancing grooves.

Dans chaque gorge 10 est reçu un segment d'étanchéité 19 représenté sur les Figures 2 et 3 à l'état de repos. Ce segment est constitué de deux segments élémentaires 19A, 19B identiques, à coupe 20A, 20B droite comme représenté. Chaque segment élémentaire a une longueur sensiblement égale à l/2. Les deux segments élémentaires sont accolés, et leurs coupes sont décalées angulairement de 180° l'une par rapport à l'autre. Dans chaque paire de segments 19A, 19B est disposé un expandeur intérieur 21 annulaire fendu à coupe droite en acier inoxydable austénitique ou en un autre matériau équivalent, de longueur sensiblement égale à l. La fente 22 de cet expandeur, orientée axialement, est décalée au montage de 90° par rapport à celles des deux segments élémentaires 19A et 19B.In each groove 10 is received a sealing segment 19 shown in Figures 2 and 3 in the rest state. This segment consists of two identical elementary segments 19A, 19B, with cross section 20A, 20B straight as shown. Each elementary segment has a length substantially equal to 1/2 . The two elementary segments are joined, and their sections are angularly offset by 180 ° relative to each other. In each pair of segments 19A, 19B is disposed a split annular internal expander 21 with a straight cut made of austenitic stainless steel or another equivalent material, of length substantially equal to l . The slot 22 of this expander, oriented axially, is offset during assembly by 90 ° relative to those of the two elementary segments 19A and 19B.

Les segments élémentaires sont constitués d'un matériau fritté sous pression à chaud et composé d'environ 30% de PTFE, d'environ 65% de bronze et d'environ 5% de bisulfure de molybdène MoS2. Les segments 18 sont constitués du même matériau.The elementary segments are made of a material sintered under hot pressure and composed of approximately 30% of PTFE, approximately 65% of bronze and approximately 5% of molybdenum disulphide MoS 2 . The segments 18 are made of the same material.

A l'état monté, le jeu circonférentiel de chaque segment élémentaire 19A, 19B est inférieur à 0,1 mm à l'emplacement de sa coupe, et il en est de même pour chaque segment de guidage 18.In the assembled state, the circumferential clearance of each elementary segment 19A, 19B is less than 0.1 mm at the location of its cut, and it is the same for each guide segment 18.

La pompe décrite ci-dessus, avec huit segments d'étanchéité 19 régulièrement répartis sur la longueur de la région 17, qui est d'environ 15 cm pour une longueur de piston d'environ 20 cm, s'est révélée convenir pour un fonctionnement continu sans maintenance d'au moins 500 heures par périodes de cinq jours sans arrêt, avec une pression de refoulement inférieure ou égale à 850 bars et une charge variant de 30 à 100%. Cette variation de charge correspond dans cet exemple à une vitesse linéaire moyenne du piston variant de 0,15 à 0,7 m/s environ. Une telle gamme de vitesses moyennes, inférieures à 1 m/s, conduit à une relativement faible usure des pièces.The pump described above, with eight segments 19 evenly distributed over the length of the region 17, which is about 15 cm for a length of piston about 20 cm, has proven to be suitable for a continuous operation without maintenance of at least 500 hours in five-day periods non-stop, with a discharge pressure less than or equal to 850 bars and a charge varying from 30 to 100%. This load variation corresponds in this example to an average linear speed of the piston varying from 0.15 to 0.7 m / s approximately. Such a range average speeds, less than 1 m / s, leads to a relatively low wear on parts.

Claims (14)

Pompe cryogénique très haute pression, du type comprenant une chemise (3) dans laquelle est reçu un piston coulissant (4), ce piston étant équipé au voisinage de chaque extrémité d'un segment de guidage (18) et, entre les segments de guidage, d'une pluralité de segments d'étanchéité (19), caractérisée en ce que chaque segment d'étanchéité est constitué de deux segments élémentaires (19A, 19B) accolés dont les coupes (20A, 20B) sont droites ou biaises et sont décalées au montage de 180° l'une par rapport à l'autre, et d'un expandeur commun (21), et en ce que les segments élémentaires sont constitués d'un matériau composite qui contient plus de 50% de bronze, environ 5% de bisulfure de molybdène et le reste de PTFE.Very high pressure cryogenic pump, of the type comprising a jacket (3) in which a piston is received sliding (4), this piston being equipped in the vicinity of each end of a guide segment (18) and, between the guide segments, of a plurality of segments sealing (19), characterized in that each segment sealing consists of two elementary segments (19A, 19B) joined together with cuts (20A, 20B) straight or biased and are offset by 180 ° mounting one by relative to the other, and a common expander (21), and in this that the elementary segments are made of a material composite that contains more than 50% bronze, about 5% of molybdenum disulfide and the rest of PTFE. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau composite contient environ 65% de bronze, environ 5% de bisulfure de molybdène et environ 30% de PTFE.Cryogenic pump according to claim 1, characterized in that the composite material contains about 65% bronze, about 5% molybdenum disulfide and about 30% PTFE. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau composite est fritté.Cryogenic pump according to claim 1, characterized in that the composite material is sintered. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'expandeur (21) possède une fente (22), notamment une fente droite, décalée, au montage, de 90° par rapport aux coupes (20A, 20B) des deux segments élémentaires (19A, 19B).Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the expander (21) has a slot (22), in particular a straight slot, offset, during assembly, by 90 ° to the cuts (20A, 20B) of the two elementary segments (19A, 19B). Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la longueur (l) de chaque segment d'étanchéité (19) est inférieure à celle (L) de chaque segment de guidage (18).Cryogenic pump according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the length ( l ) of each sealing segment (19) is less than that (L) of each guide segment (18). Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, à l'état monté, le jeu circonférentiel de chaque segment élémentaire (19A, 19B) à l'emplacement de sa coupe (20A, 20B) est inférieur à 0,1 mm. Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that, as it stands mounted, the circumferential clearance of each elementary segment (19A, 19B) at the location of its cut (20A, 20B) is less than 0.1 mm. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les segments d'étanchéité (19) sont régulièrement répartis entre les deux segments de guidage (18).Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the segments sealing (19) are evenly distributed between the two guide segments (18). Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (4) comporte cinq à douze segments d'étanchéité.Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the piston (4) has five to twelve sealing segments. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (4) comporte huit segments d'étanchéité (19) pour une haute pression de refoulement comprise entre environ 600 et environ 900 bars.Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the piston (4) has eight sealing segments (19) for a high discharge pressure between approximately 600 and around 900 bars. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la vitesse linéaire moyenne du piston (4) varie, en fonction de la charge de la pompe, dans une gamme dont la borne supérieure est inférieure à 1 m/s.Cryogenic pump according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the speed average linear of the piston (4) varies, depending on the pump load, in a range including the upper limit is less than 1 m / s. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'au moins un segment de guidage (18) comporte sur sa surface extérieure des rainures longitudinales d'équilibrage.Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that at least one guide segment (18) has on its outer surface longitudinal balancing grooves. Pompe cryogénique suivant la revendication 11, caractérisée en ce que chaque segment de guidage (18) comporte sur sa surface extérieure des rainures longitudinales d'équilibrage.Cryogenic pump according to claim 11, characterized in that each guide segment (18) has grooves on its outer surface longitudinal balancing. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la chemise (3) est entourée d'un espace annulaire (9) dans lequel, en service, du liquide cryogénique circule.Cryogenic pump according to any one of Claims 1 to 12, characterized in that the jacket (3) is surrounded by an annular space (9) in which, in service, cryogenic liquid is circulating. Piston pour une pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13 .Piston for a cryogenic pump according to one any of claims 1 to 13.
EP01400294A 2000-02-11 2001-02-06 High pressure cryogenic pump Withdrawn EP1124061A1 (en)

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