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Technisches Gebiet
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Diese Anmeldung betrifft Abdichtungspatronen zur Verwendung in Ultrahochdruckrotationsdüsen. Hiermit verbundene Verfahren werden ebenfalls offenbart.
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Hintergrund
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Bei Hochdruckwasserstrahlverfahren wird oft gewünscht, einen Düsenkopf zu rotieren, um eine Oberflächenabdeckung und damit Produktivität zu erhöhen. Eine Abdichtung zwischen den stationären und den rotierenden Komponenten des Wasserstrahlsystems muss jedoch beachtet werden. Die Hochdruckumgebung und die relative Bewegung zwischen den Komponenten beschleunigen einen Verschleiß der Abdichtungskomponenten. Aus diesem Grund müssen die Abdichtungskomponenten regelmäßig ausgetauscht werden. Der für diese Wartung benötigte Zeitraum reduziert die Produktivität des Wasserstrahlsystems. Es wurden vielfach Lösungen entwickelt, um dieses Abdichtungsproblemanzugehen.
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In einer Lösung, bei der Abdichtelemente nicht verwendet werden, sind die stationären und rotierenden Komponenten durch einen sehr kleinen Zwischenraum, zum Beispiel von weniger als einem Tausendstel Zoll, getrennt. Das Arbeitsfluid kann durch diesen Raum entweichen. Da es keinen Kontakt zwischen den Komponenten gibt, wird die Reibung minimiert. In dieser Lösung wird die Leistung verschwendet, die dazu verwendet wird, das entweichende Fluid unter Druck zu setzen, weil es nicht durch die Düse strömt. Bei Ultrahochdruck in der Nähe von 40.000 PSI kann dies bis zu 30% der Leistung betragen, die in dem System verwendet wird.
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In einer anderen Lösung wird das Abdichten unter Verwendung eines Kunststoffdichtelements, das gegen ein metallisches Mantelrohr anliegt, gelöst. Der Druck des Arbeitsfluids zwingt das Kunststoffabdichtelement gegen das Mantelrohr, wodurch das Arbeitsfluid nicht entweichen kann. Das Kunststoffabdichtelement wird typischerweise durch eine metallische Stütz-Hülse gehalten. Obwohl dieses Abdichtungsdesign ziemlich beliebt ist, ist die Wartung des Designs kompliziert und zeitaufwändig. Dieses Abdichtungsdesign verwendet eine Anzahl kleiner Teile, die separat entfernt und ersetzt werden. Das Entfernen und Installieren dieser kleinen Teile verlängert den Zeitraum, der benötigt wird, um die Anordnung zu warten, wodurch die gesamte Wasserstrahlsystemsproduktivität verringert wird. Ferner gibt es ein inhärentes Risiko, dass einige der Teile falsch verwendet werden und entweder beschädigt werden oder verloren gehen, da derartige Teile oft im Feld ausgewechselt werden. Verbesserungen werden benötigt.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Abdichtungspatrone und eine Ultrahochdruck-Rotationsdüsenanordnung, die die Abdichtungspatrone verwendet, werden offenbart. Ein Hauptabdichtelement in der Düsenanordnung ist als ein Teil der Abdichtungspatrone montiert. Die Abdichtungspatrone ist auch von der Rotationsdüsenanordnung leicht abnehmbar, ohne dass ein separates Abnehmen des Hauptabdichtelements oder seiner mit ihr verbundenen Stütz-Hülse erforderlich ist. Diese Konfiguration ermöglicht es einem Benutzer, schnell eine neue oder aufbereitete Abdichtung während eines Betriebs zu installieren, wobei die Notwendigkeit, kleinere Einzelteile im Feld zu verwenden, minimiert oder eliminiert wird.
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In einer Ausführungsform enthält die Abdichtungspatrone ein Mantelrohr mit einer äußeren Oberfläche und einem inneren Fluidpfad, bei dem das Mantelrohr ein stromaufwärtiges Ende mit einem ersten Querschnittsdurchmesser und ein stromabwärtiges Ende mit einem zweiten Querschnittsdurchmesser aufweist, der kleiner als der erste Querschnittsdurchmesser ist. Auch ist ein Aufnahmeelement enthalten, das um das Mantelrohr herum angeordnet und konstruiert und arrangiert ist, um die Abdichtungspatrone mit der Rotationsdüsenanordnung zu verbinden. Die Abdichtungspatrone enthält auch ein Hauptabdichtelement und eine Stütz-Hülse, die beide um einen Teil der äußeren Oberfläche des Mantelrohrs herum angeordnet sind. Das Hauptabdichtelement ist in direktem Kontakt mit dem Mantelrohr, während es einen kleinen freien Spalt zwischen der Stütze und dem Mantelrohr gibt. Die Abdichtungspatrone kann ferner ein stromaufwärtiges Abdichtelement und ein stromabwärtiges Abdichtelement aufweisen, die dazu ausgerichtet sind, eine Dichtung um die äußere Oberfläche der Abdichtungspatrone herum zu erzeugen. Zusätzlich zu oder anstelle von dem stromaufwärtigen Abdichtelement kann das stromabwärtige Ende des Mantelrohrs eine gerade, sich verjüngende Form oder eine gerundete Form zum Bilden einer Abdichtung gegen eine sich verjüngende oder gerundete Abdichtoberfläche des Düsenschafts bilden. Das Hauptabdichtelement kann so geformt sein, dass es eine stromabwärtige Oberfläche aufweist, die in Richtung der äußeren Oberfläche des Mantelrohrs in einer Richtung auf das stromabwärtige Ende des Mantelrohrs zu geneigt ist. In einem solchen Fall kann die Stütz-Hülse auch eine geneigte stromaufwärtige Oberfläche aufweisen, die zumindest in teilweisem Kontakt mit der stromabwärtigen Oberfläche des Hauptabdichtelements ist. Die Abdichtungspatrone kann auch eine Halterung aufweisen, wie zum Beispiel einen Klemmring, die dazu konstruiert und angeordnet ist, die Hauptabdichtung, die Stütz-Hülse und das Aufnahmeelement an dem Mantelrohr zu halten. Ferner kann das Mantelrohr der Abdichtungspatrone direkt an eine Rotationswelle innerhalb der Rotationsdüsenanordnung durch einen Eingreifmechanismus gekoppelt sein.
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Ferner kann die Abdichtungspatrone zusammengesetzt sein, durch (a) Installieren eines Halterungselements an einem Mantelrohr, das ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende aufweist, und wobei das Mantelrohr einen inneren Fluidpfad definiert; (b) Installieren einer Stütz-Hülse auf dem Mantelrohr von dem stromaufwärtigen Ende des Mantelrohrs, so dass die Stütz-Hülse und das Halterungselement miteinander in Kontakt gebracht werden können; und (c) Installieren eines Hauptabdichtelements unmittelbar auf das Mantelrohr von einem stromaufwärtigen Ende des Mantelrohrs, so dass das Hauptabdichtelement und die Stütz-Hülse in Kontakt miteinander gebracht werden können. In einem weiteren Schritt kann eine Halterung unmittelbar auf dem Mantelrohr von dem stromaufwärtigen Ende des Mantelrohrs installiert werden, um das Hauptabdichtelement und die Stütz-Hülse an dem Mantelrohr zu befestigen. Die Reibung zwischen dem Abdichtelement und dem Mantelrohr kann jedoch in bestimmten Ausführungsformen auch den notwendigen Widerstand erzeugen, um das Hauptabdichtelement, die Stütz-Hülse und das Halterungselement an dem Mantelrohr zu halten. Andere mögliche Schritte in dem Anordnungsverfahren sind Installieren eines stromaufwärtigen Abdichtelements und Installieren eines stromabwärtigen Abdichtelements auf der Abdichtungspatrone, um eine Abdichtung um die äußere Oberfläche der Abdichtungspatrone zu erzeugen.
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Es ist auch eine Rotationsdüsenanordnung offenbart, welche die oben beschriebene Abdichtungspatrone aufweist, und auch ein Abdichtungspatronengehäuse, das unmittelbar mit der Abdichtungspatrone über das Halterungselement der Abdichtungspatrone verbunden ist, ein Düsengehäuse, das unmittelbar mit dem Abdichtungspatronengehäuse verbunden ist, eine Düsenwelle, die unmittelbar mit dem Mantelrohr der Abdichtungspatrone gekoppelt ist, und einen Rotationsdüsenkopf, der unmittelbar an die Düsenwelle gekoppelt ist, enthalten kann. Die Rotationsdüsenanordnung kann durch Installieren einer vollständig zusammengesetzten Abdichtungspatrone in der Rotationsdüsenanordnung, durch Befestigen der vollständig zusammengesetzten Abdichtungspatrone an dem Abdichtungspatronengehäuse und durch Befestigen des Abdichtungspatronengehäuses an dem Gehäuse der Rotationsdüsenanordnung gewartet werden. Wenn die Abdichtungspatrone einmal verbraucht ist, kann die vollständig zusammengesetzte Abdichtungspatrone von der Rotationsdüsenanordnung entfernt und durch eine neue Abdichtungspatrone ersetzt werden. Mit der Verwendung des Ausdrucks „vollständig zusammengesetzt“ ist gemeint, dass die Abdichtungspatrone während des Installations- und Entnahmeverfahrens intakt bleibt, so dass die Unterkomponenten der Abdichtungspatrone zu keinem Zeitpunkt während des Verfahrens von dem Mantelrohr weiter getrennt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Abdichtungspatrone.
- 2 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Rotationsdüsenanordnung, innerhalb der eine Abdichtungspatrone aus 1 installiert ist.
- 3 ist eine kombinierte Querschnittsseitenansicht der Abdichtungspatrone aus 1.
- 4 ist eine stromaufwärtige Endansicht der Abdichtungspatrone aus 1.
- 5 ist eine kombinierte Querschnittsseitenansicht der Düsenanordnung aus 2, in der die Abdichtungspatrone aus 1 installiert ist.
- 6 ist eine stromaufwärtige Endansicht der Düsenanordnung aus 2, in der die Abdichtungspatrone aus 1 installiert ist.
- 7 ist eine kombinierte Querschnittsseitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Mantelrohrs, das zur Verwendung in der Abdichtungspatrone aus 1 geeignet ist.
- 8 ist eine kombinierte Querschnittsseitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Mantelrohrs, das zur Verwendung in der Abdichtungspatrone aus 1 geeignet ist.
- 9 ist eine kombinierte Querschnittsseitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Mantelrohrs, das zur Verwendung in der Abdichtungspatrone aus 1 geeignet ist.
- 10 ist eine Nahansicht des Mantelrohrs aus 8, das gegen die Abdichtoberfläche einer Rotationsdüsenwelle angeordnet ist.
- 11 ist eine Nahansicht des Mantelrohrs aus 7, das gegen die Abdichtoberfläche einer Rotationsdüsenwelle angeordnet ist.
- 12 ist eine perspektivische Ansicht der Abdichtungspatrone aus 1 und eines Teils der Rotationsdüsenanordnung aus 2.
- 13 ist eine kombinierte Querschnittsseitenansicht einer Stütz-Hülse.
- 14 ist eine perspektivische Ansicht der Stütz-Hülse aus 8.
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Detailbeschreibung
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Diese Offenbarung betrifft Abdichtungspatronen zur Verwendung in Ultrahochdruckrotationsdüsen. 1 repräsentiert eine Ausführungsform einer nicht installierten Abdichtungspatrone 100, die innerhalb einer Rotationsdüsenanordnung 200 installiert werden kann. 2 zeigt die Abdichtungspatrone 100, wie sie in der Rotationsdüsenanordnung 200 installiert ist. 3-4 zeigen zusätzlich Ansichten einer Abdichtungspatrone vor oder nach der Installation in die Rotationsdüsenanordnung 200. 5-6 zeigen zusätzliche Ansichten der Rotationsdüsenanordnung 200, wobei die Abdichtungspatrone 100 darin installiert ist. Die folgenden Absätze beschreiben die verschiedenen Komponenten und Funktionen sowohl der Abdichtungspatrone 100 als auch der Düsenanordnung 200.
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In der gezeigten Ausführungsform enthält die Abdichtungspatrone 100 ein Mantelrohr 102. Das Mantelrohr 102 ist eine rotierende Komponente, um einen inneren Strömungspfad bereitzustellen, durch den unter Druck stehendes Fluid strömen kann, um eine positive Druckvorspannung bereitzustellen, wenn unter Druck stehendes Fluid (nicht gezeigt) durch das Mantelrohr strömt, und um eine Abdichtoberfläche bereitzustellen, um unter Druck stehendes Fluid daran zu hindern, aus der Düsenanordnung 200 zu entweichen, in der die Abdichtungspatrone installiert ist. Mit der Verwendung des Ausdrucks „positive Druckvorspannung“ ist gemeint, dass das Mantelrohr dazu ausgestaltet ist, dass das unter Druck stehende Fluid einen effektiven Druck oder eine Kraft auf das Mantelrohr in derselben Richtung ausübt, wie das unter Druck stehende Fluid strömt. Wie am besten in 3-4 zu sehen ist, definiert das Mantelrohr 102 eine äußere Oberfläche, gegen die das Hauptabdichtelement 104, das später diskutiert wird, eine Dichtung bilden kann.
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Das Mantelrohr 102 definiert auch einen inneren Strömungspfad 102b, durch den das unter Druck stehende Fluid strömen kann. Wie in 3 gezeigt ist, strömt das unter Druck stehende Fluid in einer ersten Richtung 120 von einem stromaufwärtigen Ende 102d zu einem stromabwärtigen Ende 102f. Mit der Verwendung des Ausdrucks „stromaufwärtiges Ende“ ist das Ende des Mantelrohrs gemeint, in dessen nächster Nähe unter Druck stehendes Fluid in den inneren Strömungspfad 102b einströmt. Mit der Verwendung des Ausdrucks „stromabwärtiges Ende“ ist das Ende des Mantelrohrs gemeint, in dessen nächster Nähe unter Druck stehendes Fluid aus dem inneren Strömungspfad 102b herausströmt. Das stromaufwärtige Ende 102b hat einen Querschnittsdurchmesser 102c, während das stromabwärtige Ende 102f einen Querschnittsdurchmesser 102e aufweist, der kleiner als der Querschnittsdurchmesser 102c ist. Dieser Durchmesserunterschied führt dazu, dass das stromaufwärtige Ende 102d des Mantelrohrs 102 eine größere Querschnittsfläche als das stromabwärtige Ende 102 hat. Daherübt das Fluid einen ersten Druck 122 auf das stromaufwärtige Ende 102d und einen zweiten Druck 124 auf das stromabwärtige Ende 102f aus, wenn das Mantelrohr 102 unter Druck stehendem Fluid ausgesetzt wird. Weil die Querschnittsfläche des stromaufwärtigen Endes 102d größer als die Querschnittsfläche des stromabwärtigen Endes 102f ist, wird das unter Druck stehende Fluid eine effektive Kraft auf das Mantelrohr in Richtung der Strömung des unter Druck stehenden Fluids 120 ausüben. Damit wird durch das unter Druck stehende Fluid eine positive Druckvorspannung auf das Mantelrohr ausgeübt. Diese Druckvorspannung wird durch die Reibungskräfte zwischen dem unter Druck stehenden Fluid und dem inneren Strömungspfad 102b des Mantelrohrs 102 weiter erhöht, die einen Druckabfall zwischen dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende erzeugen. Der Vorteil der positiven Druckvorspannung ist, dass die Abdichtungspatrone 100 inhärent in ihrer gewünschten Position innerhalb der Düsenanordnung 200 gehalten wird, wenn unter Druck stehendes Fluid strömt, wodurch die Notwendigkeit überwunden wird, die Abdichtungspatrone 100 weiter durch mechanische oder andere Mittel an der Düsenanordnung 200 zu befestigen.
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Ein weiteres Merkmal des Mantelrohrs 102 betrifft die verschiedenen Formen des Frontendes 102f, das entsprechend geformt werden kann. Diese verschiedenen Formen dienen dazu, eine Metall-gegen-Metall-Dichtung zwischen dem Frontende 102f des Mantelrohrs 102 und einer Abdichtoberfläche 202d an der Düsenwelle 202 bilden zu können. Dieser Abdichtungstyp kann anstelle von oder in Verbindung mit der Abdichtung verwendet werden, die durch die stromabwärtige Abdichtung 114 gebildet wird. Viele Typen von Formen sind für den Zweck des Bildens einer Metall-gegen-Metall-Dichtung geeignet. Beispielsweise kann das Frontende 102f mit einer geraden, sich verjüngenden Form ausgebildet sein, die einen Winkel α in Bezug auf die Strömungsrichtung 120 hat, wie am besten in 7 zu sehen ist. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist α etwa 29,0 bis 29,5 Grad. Anstelle einer geraden, sich verjüngenden Form kann das Frontende 102f eine gekrümmte oder gerundete Form haben, die durch den Radius „r“ definiert ist, wie am besten in 8 und 9 zu sehen ist. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist der Radius „r“ ein konstanter Radius von etwa 0,058 Zoll. In einer weiteren Variation kann der innere Strömungspfad 102b an dem Frontende 102f in einem Winkel β nach außen verjüngt sein, wie am leichtesten in 9 zu sehen ist. Diese Verjüngung nach außen kann dabei helfen, eine zusätzliche Dichtkraft bereitzustellen. Mit Bezug auf die Welle 202 kann die Abdichtoberfläche 202c entweder eine gerade, sich verjüngende Form haben, wie in 10 zu sehen ist, oder eine gekrümmte oder gerundete Form, wie in 11 gezeigt ist. In der genauen gezeigten Ausführungsform in 10 ist die Verjüngung θ etwa 30,0 bis 30,5 Grad in Bezug auf die Strömungsrichtung 120. In der genauen in 11 gezeigten Ausführungsform ist der Radius R etwa 0,075 Zoll.
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Beim Betrieb bewirkt die positive Druckvorspannungskraft, dass das Frontende 112f des Mantelrohrs 102 gegen die Abdichtoberfläche 102d der Welle 202 gezwungen wird. Die resultierende Kontaktfläche zwischen dem Frontende 112f und 202d ist so gestaltet, dass sie relativ klein ist, so dass die positive Druckvorspannkraft einen geeignet hohen Druck zum Erzeugen der Dichtung erzeugt. Die Größe der Kontaktfläche kann durch verschiedene Verfahren gesteuert werden. Ein Beispiel ist die Verwendung eines geraden, sich verjüngenden Frontendes 112f, das einen etwas kleineren Winkel α als ein gerader, sich verjüngender Winkel θ an der Abdichtoberfläche 202 aufweist. Dieser Winkelunterschied ermöglicht, dass nur die Spitze des Frontendes 112f in Kontakt mit der Abdichtoberfläche 202d gelangt, wodurch eine ausreichend kleine Kontaktfläche erzeugt wird. Alternativ kann die Kontaktfläche durch Verwendung eines gerundeten Frontendes 112f gegen entweder eine sich verjüngende Abdichtoberfläche 202c (gezeigt in 10) oder eine gerundete Abdichtoberfläche 202d (gezeigt in 11) minimiert werden. Dieser Ansatz ermöglicht, dass nur ein Teil des gerundeten Frontendes 112f in Kontakt mit der Abdichtoberfläche gelangt. Die genaue Anordnung eines gerundeten Frontendes 112f und einer geraden, sich verjüngenden Abdichtoberfläche 202d ist in 10 gezeigt. Für diese spezielle Ausführungsform kontaktiert der Radius des Mantelrohrs 102 zunächst die gewinkelte Oberfläche 202d der Welle 202 in einer Kontaktkreislinie. Die Deformation des Materials sowohl des Mantelrohrs 102 als auch der Welle 202 wird eine kleine Kontaktoberflächenfläche erzeugen. Noch ein anderer Ansatz, um die Kontaktfläche zu minimieren, wird durch Verwenden eines geraden, sich verjüngenden Frontendes 112f gegen eine gerundete Abdichtoberfläche 202d realisiert. Diese besondere Anordnung ist in 11 gezeigt. Wo ein Radius für das Frontende 112f oder die Abdichtoberfläche 202d verwendet wird, wird erwartet, dass, verglichen mit einer Konfiguration eines sich verjüngenden Frontendes 112f gegen eine sich verjüngende Abdichtoberfläche 202d, wobei eine Nut gebildet werden kann, weniger Materialabnutzung resultieren wird. Viele andere Kombinationen von Größen und Formen des Frontendes 112f und der Abdichtoberfläche 202d können dazu verwendet werden, eine Metall-gegen-Metall-Dichtung zu ermöglichen, soweit die resultierende Kontaktfläche klein genug ist, um die positive Druckvorspannkraft zur Erzeugung von genügend hohem Druck zur Bildung einer Dichtung möglich ist.
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Andere Aspekte des Mantelrohrs 102 sind ein erster vergrößerter Abschnitt 102g und ein zweiter vergrößerter Abschnitt 102h. Der erste vergrößerte Abschnitt 102g ermöglicht, dass das Mantelrohr 102 leichter bearbeitet werden kann und dient auch als eine Oberfläche, um das Halterungselement 108 zu ergreifen, wenn die Abdichtungspatrone 100 von der Düse 200 entfernt wird. Der zweite vergrößerte Abschnitt 102a dient dazu, eine Montageoberfläche für einen Eingreifmechanismus 116 bereitzustellen. Der Eingreifmechanismus 116 und das Halterungselement 108 werden detaillierter unten diskutiert. In der genauen gezeigten Ausführungsform haben sowohl der erste als auch der zweite vergrößerte Abschnitt 102g, 102h einen Durchmesser, der größer als die Querschnittsdurchmesser 102c und 102e ist. Zusätzlich hat der zweite vergrößerte Abschnitt 102h einen Durchmesser, der größer als der des ersten vergrößerten Abschnitts 102g ist. Es sollte bemerkt werden, dass das Mantelrohr 102 nicht so bearbeitet werden muss, dass es einen ersten und zweiten vergrößerten Abschnitt 102g, 102h hat, und dass, falls diese nicht vorhanden sind, ein Eingreifmechanismus 116 an einem nicht vergrößerten Abschnitt des Mantelrohrs 102 installiert werden könnte und dieselbe Entnahmefunktion wie der Abschnitt 102g durchführen würde.
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In der genauen Ausführungsform, die in 3-4 gezeigt ist, ist der innere Fluidpfad 102b des Mantelrohrs 102 0,94 Zoll, der stromaufwärtige Durchmesser 102c ist 0,181 Zoll und der stromabwärtige Durchmesser 102e ist 0,175 Zoll. Wie gezeigt ist, ist das Mantelrohr 102 auch aus aushärtbarem 17-4 Edelstahl hergestellt. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass andere Materialien und Größen möglich sind, ohne von den hierin präsentierten Konzepten abzuweichen.
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Ein weiterer Aspekt der Abdichtungspatrone 100 ist die Abdichtanordnung, die aus einem Hauptabdichtelement 104 und einer Stütz-Hülse 106 besteht. Die Abdichtanordnung dient dazu, unter Druck stehendes Fluid daran zu hindern, über die äußere Oberfläche 102a des Mantelrohrs 102 hinaus auszulaufen, so dass das gesamte unter Druck stehende Fluid durch den inneren Strömungspfad 102b und zu der Düsenanordnung 200 gelenkt wird. Die Abdichtanordnung kann in vielen Variationen konstruiert werden, ohne von diesem Konzept abzuweichen. Wie gezeigt ist, werden das Hauptabdichtelement 104 und die Stütz-Hülse 106 um die äußere Oberfläche 102a des Mantelrohrs 102 herum angeordnet, wobei das Hauptabdichtelement 104 in direktem Kontakt mit dem Mantelrohr 102 ist.
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Wie am besten in 3 zu sehen ist, wird das Hauptabdichtelement 104 so gezeigt, dass es eine stromabwärtige Oberfläche 104a, eine stromaufwärtige Oberfläche 104b und eine innere Abdichtoberfläche 104c definiert. Die innere Abdichtoberfläche 104c ist in der Form einer Bohrung gezeigt und ist die Oberfläche, die eine Dichtung gegen das Mantelrohr 102 bewirkt, wodurch verhindert wird, dass unter Druck stehendes Fluid aus der Düsenanordnung 200 ausläuft. Die stromaufwärtige Oberfläche 104b des Hauptabdichtelements 104 ist dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt und wird damit in die Richtung des Fluidstroms 120 gezwungen. Die stromabwärtige Oberfläche 104a des Hauptabdichtelements 104 ist in Richtung des Mantelrohrs 102 in der Richtung der Fluidströmung 120 geneigt. Das Hauptabdichtelement 104 weist auch eine Ausnehmung 104d zum Aufnehmen eines stromaufwärtigen Abdichtelements auf, das eine Dichtung zwischen dem Äußeren des Hauptabdichtelements 104 und dem Inneren der Rotationsdüsenanordnung ermöglicht. Daher kann das unter Druck stehende Fluid nicht an einem stromaufwärtigen Ende des Mantelrohrs 102 um die äußere Oberfläche der zusammengesetzten Abdichtungspatrone 100 auslaufen. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist die Dichtung 112 ein O-Ring, aber kann jeder andere geeignete Dichtungstyp sein, der im Stand der Technik bekannt ist, der dazu ausgestaltet ist, diese Funktion auszuüben. Mit der Verwendung des Ausdrucks „stromaufwärtiges Abdichtelement“ ist gemeint, dass das Abdichtelement näher an dem stromaufwärtigen Ende des Mantelrohrs als an dem stromabwärtigen Ende des Mantelrohrs angeordnet ist ist. Ferner ist eine Halterung 110 vorgesehen, um das Hauptabdichtelement 104 und die Stütz-Hülse 106 auf dem Mantelrohr 102 während des Entfernens von der Düse 200 zu halten. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist die Halterung 110 ein Sicherungsring und das Hauptabdichtelement 104 ist eine Elastomerkomponente, kann jedoch aus anderen geeigneten Materialien gemacht sein, die im Stand der Technik bekannt sind.
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Wie gezeigt ist, weist die Stütz-Hülse 106 eine stromaufwärtige Oberfläche 106a und eine stromabwärtige Oberfläche 106b auf. Die Stütz-Hülse 106 hat auch eine Bohrung 106c, durch die ein Ende des Mantelrohrs hindurch dringt. Die stromaufwärtige Oberfläche 106a der Stütz-Hülse 106 ist derart geneigt, dass zumindest ein Teil der stromaufwärtigen Oberfläche 106a in Kontakt mit der geneigten stromabwärtigen Oberfläche 104a des Abdichtelements 104 gebracht werden kann. Weil unter Druck stehendes Fluid das Abdichtelement 104 in der Richtung der Fluidströmung (in Richtung der Stütz-Hülse 106) drängt, greifen die geneigten Oberflächen 104a, 106b in einander ein, um die innere Abdichtoberfläche 104c gegen die äußere Oberfläche 102a des Mantelrohrs 102 zu zwingen. Damit kann die Abdichtanordnung durch die Verwendung des Drucks des Arbeitsfluids selbst eine zusätzliche Abdichtkraft gegen das Mantelrohr 102 ausüben. Die Bohrung 106c der Stütz-Hülse 106 hat einen sehr kleinen Zwischenraum, zum Beispiel von weniger als zwei Tausendstel Zoll, um das Mantelrohr 102 herum. Dieser kleine Zwischenraum verhindert, dass das Abdichtelement 104 über die Stütz-Hülse 106 hinaus unter der Wirkung des unter Druck stehenden Fluids herausgedrückt wird. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist die Stütz-Hülse 106 9C Bronze. Die Stütz-Hülse 106 kann jedoch zum Erfüllen der oben genannten Funktionen der Stütz-Hülse 106 aus anderen geeigneten Materialien gemacht sein.
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Die Stütz-Hülse 106 kann auch mit einer Gegenbohrung 106d versehen sein, wie in 8-9 gezeigt ist. Während des Betriebs der Düse 200 können sich Teile des Hauptabdichtelements 104 verschlechtern und von dem Hauptabdichtelement 104 trennen. Einiges von diesem Material kann zwischen der äußeren Oberfläche 102a des Mantelrohrs 102 und der Bohrung 106c der Stütz-Hülse eingefangen werden. Wenn dies einmal eintritt, kann die Rotationsreibung bis zu einem Punkt ansteigen, wo die Düse 200 nicht mehr zuverlässig rotiert. Das Hinzufügen der Gegenbohrung 106b hat den Effekt, die Länge der Oberfläche, die mit der Bohrung 106c verbunden ist, zu kürzen und dadurch die Fläche zu reduzieren, auf der das eingefangene Abdichtmaterial von dem Abdichtelement 104 reiben kann.
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Noch ein weiterer Aspekt der Abdichtungspatrone 100 ist das Halterungselement 108. Das Halterungselement 108 dient dem Installieren und Entfernen der Abdichtungspatrone 100 an und von der Rotationshülsenanordnung 200. Das Halterungselement 108 führt auch die Funktion des an-ihrem-Ort-Haltens des Hauptabdichtelements 104 und der Stütz-Hülse 106 in dem Abdichtungspatronengehäuse 212 durch, bis es notwendig ist, die Abdichtungspatrone 100 zu ersetzen. In der gezeigten Ausführungsform gelangt das Mantelrohr 102 durch das Halterungselement 108 hindurch, so dass die stromabwärtige Oberfläche 106b der Stütz-Hülse 106 gegen das Halterungselement 108 anliegt. Diese Anordnung ermöglicht es, dass die Stütz-Hülse 106 gegen den Druck von dem Hauptabdichtelement 104 in ihrer Position verbleibt, wenn das Hauptabdichtelement 104 unter Druck stehendem Fluid ausgesetzt ist. Das Halterungselement 108 weist auch einen Verbindungspunkt 108b auf, um die Abdichtungspatrone 100 an der Rotationsdüsenanordnung 100 zu befestigen. In der genauen gezeigten Ausführungsform enthält der Verbindungspunkt 108b spiralförmige Gewinde, die dazu gestaltet sind, in einem komplementären Satz von Gewinden an dem Verbindungspunkt 112d an der Rotationsdüsenanordnung 200 einzugreifen. Andere Typen mechanischer Verbindungen, die im Stand der Technik bekannt sind, sind ebenfalls geeignet. Das Halterungselement 108 enthält auch einen Kopf 108a, so dass ein Benutzer ein Werkzeug verwenden kann, um die Abdichtungspatrone 100 in dem und aus dem Abdichtungspatronengehäuse 212 der Rotationsdüsenanordnung 200 zu installieren und zu entfernen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kopf 108a ein Sechskantkopf, der dazu ausgestaltet ist, mit einem Schraubenschlüssel verwendet zu werden. Andere Konfigurationen des Kopfs 108a, die im Stand der Technik bekannt sind, sind jedoch möglich.
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Ein weiterer Aspekt der Abdichtungspatrone 100 ist ein Eingreifmechansimus 116. Der Eingreifmechanismus 116 dient dem Eingreifen des Mantelrohrs 102 der Abdichtungspatrone 100 in die Rotationswelle 202 der Düsenanordnung 200, so dass die Rotationswelle 202 eine Rotationskraft auf das Mantelrohr 102 ausüben kann. Wie gezeigt ist, enthält der Eingreifmechanismus 116 zwei Stifte, die in den zweiten vergrößerten Abschnitt 102h des Mantelrohrs 102 eingesetzt sind. Wenn die Stifte des Eingreifmechanismus 116 installiert worden sind und die Abdichtungspatrone vollständig in die Düsenanordnung 200 eingesetzt ist, werden das Mantelrohr 102 und die Welle 202 derart miteinander in Eingriff gebracht, dass sie zusammen rotieren werden. Der Akt des Eingreifens zwischen den Stiften des Eingriffmechanismus 116 und der Welle 202 ist am besten in 7 zu sehen, wo zu sehen ist, dass die Stifte des Eingreifmechanismus 116 in Rasten 202c der Welle 202 eingreifen, um eine Rotation des Mantelrohrs 102 zu bewirken. Zusätzlich wird auch die Reibung, die durch die positive Druckvorspannung erzeugt wird, die durch das unter Druck stehende Fluid bewirkt wird, dazu beitragen, dass die Welle 202 und das Mantelrohr 102 ineinander eingreifen. Ein Fachmann wird erkennen, dass der Eingreifmechanismus 116 andere Mittel verwenden kann, um das Mantelrohr 102 und die Welle 202 in Rotationseingriff miteinander zu bringen, als die Verwendung von Stiften und Rasten, ohne von den hierin präsentierten Konzepten abzuweichen. Beispielsweise könnten polygonale, zueinander passende Oberflächen, Keile oder Reibung allein dazu verwendet werden, die Rotationswelle 202 und das Mantelrohr 102 zu koppeln.
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Noch ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist ein stromabwärtiges Abdichtelement 114. Das stromabwärtige Abdichtelement 114 dient dem Bereitstellen einer wasserdichten Abdichtung zwischen dem Mantelrohr 102 und der Welle 202, so dass Wasser nicht unbeabsichtigt aus der Düsenanordnung 200 ausläuft. Mit dem installierten stromabwärtigen Abdichtelement 114 kann das unter Druck stehende Fluid nicht um die äußere Oberfläche der zusammengesetzten Abdichtungspatrone 100 an dem stromabwärtigen Ende des Mantelrohrs 102 auslaufen. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist das stromabwärtige Abdichtelement 114 innerhalb einer Ausnehmung in der Welle 202 angebracht und gelangt in Kontakt mit dem Mantelrohr 102, wenn die Abdichtungspatrone in die Welle 202 eingesetzt wird. Viele Typen von Dichtelementen sind für diesen Zweck nützlich. Mit der Verwendung des Ausdrucks „stromabwärtiges Abdichtelement“ ist das Abdichtelement gemeint, das näher an dem stromabwärtigen Ende des Mantelrohrs als an dem stromaufwärtigen Ende des Mantelrohrs angeordnet ist. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist die Dichtung 114 ein O-Ring-Dichtelement. Jeder andere Typ des Abdichtelements, der im Stand der Technik bekannt ist, das dazu ausgestaltet ist, diese Funktion durchzuführen, kann jedoch auch verwendet werden.
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Die oben beschriebenen Komponenten können zusammengesetzt werden, um die Abdichtungspatrone 100 wie folgt zu bilden. Zuerst wird das Mantelrohr 102 durch das Halterungselement 108 vom stromabwärtigen Ende 102a des Mantelrohrs 102 durchgeführt, bis ein ausreichender Freiraum an dem Mantelrohr 102 zum Installieren der Stütz-Hülse 6, des Hauptabdichtelements 104 und der Halterung 110 vorliegt. In einigen Fällen kann dies der Fall sein, wenn das Halterungselement 108 gegen einen des ersten oder zweiten vergrößerten Abschnitts 102g, 102h des Mantelrohrs 102 gedrückt wird. Wenn der erste und zweite vergrößerte Abschnitt 102g, 102h auf dem Mantelrohr 102 nicht vorliegen, kann das Halterungselement 108 auf das Mantelrohr 102 aufgesetzt werden, bis es in Kontakt mit dem Eingreifmechanismus 116 gelangt. Zweitens wird die Stütz-Hülse auf dem Mantelrohr 102 angebracht, bis sie an das Halterungselement 108 anschlägt. Das Hauptabdichtelement 104 wird dann auf dem Mantelrohr 102 montiert, bis seine geneigte stromabwärtige Oberfläche 104a in Kontakt mit der geneigten stromaufwärtigen Oberfläche 106a der Stütz-Hülse 106 gelangt. Danach wird die Halterung 110 auf dem Mantelrohr 102 installiert, um zu verhindern, dass das Hauptabdichtelement 104, die Stütz-Hülse 106 und das Halterungselement 108 von dem Mantelrohr 102 entfernt werden. Das Abdichtelement 112 kann auf dem Hauptabdichtelement 104 zu jedem Zeitpunkt während des Zusammensetzverfahrens installiert sein. Der Eingreifmechanismus kann auch zu jedem Zeitpunkt im Verfahren installiert werden, sie werden jedoch bevorzugt als erster Schritt installiert, wenn der Zugang zum Mantelrohr 102 leichter ist. Das Zerlegen der Abdichtungspatrone 100 erfolgt umgekehrt. Wenn sie einmal vollständig zusammengesetzt ist, kann die Abdichtungspatrone 100 in der Düsenanordnung 200 bereits installiert werden. Es sollte erkannt werden, dass die Abdichtungspatrone 100 derart konfiguriert werden kann, dass die einzelnen Komponenten der Abdichtungspatrone 100 in einer anderen Reihenfolge als hierin beschrieben installiert oder entfernt werden können.
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Es sollte erkannt werden, dass das Zusammensetzen und Zerlegen der Abdichtungspatrone 100 nicht im Feld durchgeführt werden muss und dass mehrere Abdichtungspatronen an einer zum Arbeiten mit kleinen Teilen geeigneten Stelle zusammengesetzt oder wieder aufgebaut werden können. Dies ermöglicht, dass ein Benutzer im Feld eine fehlerhafte Abdichtungspatrone 100 leicht von einer Düsenanordnung 200 entfernen und eine zweite Abdichtungspatrone 100 schnell installieren kann. Daher kann die Düsenanordnung 200 schnell wieder in Betrieb genommen werden. Dies steht im Gegensatz zu vielen Düsenanordnungen aus dem Stand der Technik, die das vollständige Zerlegen und Ersetzen der fehlerhaften Abdichtteile im Feld erfordern, um eine Düsenanordnung wieder in Betrieb zu nehmen.
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Nun mit Bezug auf 2 und 5 ist eine Düsenanordnung 200 gezeigt, in die eine Abdichtungspatrone 100 eingesetzt wird. Wie zuvor diskutiert wurde, enthält die Düsenanordnung 200 eine Rotationsdüsenwelle 202. Ähnlich dem Mantelrohr 102 definiert die Rotationsdüsenwelle 202 einen inneren Strömungspfad 202b, durch den unter Druck stehendes Fluid strömen kann. Wenn die Düsenwelle 202 und das Mantelrohr 102 über den Eingreifmechanismus 116 bzw. die Abdichtung 114 gekoppelt und zusammen abgedichtet sind, bilden die inneren Strömungspfade 102b und 202b einen durchgehenden Kanal, durch den unter Druck stehendes Fluid von einer Druckfluidquelle zum Düsenkopf 206 strömen kann. Der Düsenkopf 206 wird im folgenden Absatz diskutiert. Die Rotationsdüsenwelle 202 weist auch eine äußere Oberfläche 202a auf.
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Wie am besten in 5 zu sehen ist, enthält die Düsenanordnung 200 auch einen Düsenkopf 206. Der Düsenkopf 206 dient dem Abgeben von unter Druck stehendem Fluid, so dass es zur zu behandelnden Oberfläche gebracht werden kann. Wie gezeigt ist, ist der Düsenkopf 206 mit der Rotationswelle 202 über eine Gewindeverbindung gekoppelt, wobei ein Metallkegel und ein Metallsitz verwendet werden. Andere Verbindungsverfahren können ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich können der Metallkegel und der Metallsitz durch ein Elastomerabdichtelement ersetzt werden. Der Düsenkopf 206 und die Rotationswelle 202 können auch als eine einstückige Komponente ausgebildet sein.
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Für den Düsenkopf 206 wird auch gezeigt, dass er mehrere innere Strömungspfade 206a enthält, von denen jeder zu Abgabedüsenbehältern 206b führt. Die Düsenbehälter 206b sind dazu angepasst, eine austauschbare Öffnung aufzunehmen, um die gewünschte Sprühausgabe aus der Düsenanordnung 200 zu erzeugen. In der genauen gezeigten Ausführungsform sind die Düsenbehälter 206b in Bezug auf die Fluidströmungsrichtung 120 derart angewinkelt, dass das abgegebene, unter Druck stehende Fluid den Düsenkopf 206, die Rotationswelle 202 und das Mantelrohr 102 dazu bringen werden, zu rotieren. Diese Rotationskraft bringt die Düsenanordnung 200 dazu, das unter Druck stehende Fluid in einem Kreismuster auf die zu behandelnde Oberfläche zu bringen, was den Strahl- oder Reinigungseffekt der Düsenanordnung 200 verbessert. Für den Düsenkopf 206 wird auch gezeigt, dass er eine Schutzabdeckung 206d aufweist, die Öffnungen 206e hat, die den Abgabedüsenbehältern 206b entsprechen.
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Die Düsenwelle 202 kann auch durch die Verwendung einer zusätzlichen Leitungsquelle, wie zum Beispiel eines Luft-, Hydraulik- oder Elektromotors dazu gebracht werden, zu rotieren. Bei einer solchen Anwendung wäre es für die Düsenbehälter 206b nicht notwendig, angewinkelt zu sein oder von einem genauen Wasserdruck abzuhängen, um eine besondere Rotationsgeschwindigkeit zu erhalten. Die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 202 kann jedoch selbst ohne eine zusätzliche Leistungsquelle durch die Verwendung einer Bremsvorrichtung 210 gesteuert werden, wie in 2 und 5 gezeigt ist. In der genauen in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist die Bremsvorrichtung 210 eine Bremsanordnung vom Magnetwirbelstromtyp. Andere Bremsvorrichtungen können jedoch verwendet werden, wie zum Beispiel Zentrifugalbremsschuhe.
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Wie in 2 und 5 zu sehen ist, ist die Rotationsdüsenwelle 202 insbesondere innerhalb eines Düsengehäuses 204 angebracht, und wird durch mehrere Lageranordnungen 208a,b gehalten. Die Lageranordnungen 208a,b dienen dazu, es der Rotationsdüsenwelle 202 zu ermöglichen, innerhalb des Düsengehäuses 204 ohne unnötige Reibungskräfte, die durch die Rotation der Welle 202 und den durch das abgegebene unter Druck stehende Fluid erzeugten Schub bewirkt werden, zu rotieren. Viele Typen von Lageranordnungen 208a,b sind möglich. In der genauen gezeigten Ausführungsform ist die Lageranordnung 208a ein Paar Winkelkontaktkugellager, die nicht abgedichtet sind, während die Lageranordnung 208b ein abgedichtetes einzelnes Radialkugellager ist. Andere Typen von Lageroberflächen, die im Stand der Technik bekannt sind und für diesen Zweck ausgestaltet sind, wie zum Beispiel Buchsen, können jedoch auch verwendet werden.
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Das Düsengehäuse 204 enthält auch ein Hauptgehäuse 204a und ein Pilotlagergehäuse 204b, die abnehmbar miteinander verbunden sind. Das Pilotlagergehäuse 204a sichert die Lageranordnung 208b und andere innere Komponenten der Düsenanordnung 200 in der Nähe des Punktes, wo das Mantelrohr 102 und die Welle 202 über den Eingreifmechanismus 116 in Eingriff gelangen. Das Hauptgehäuse 204a befestigt die Lageranordnung 208a und die inneren Komponenten der Düsenanordnung 200 stromabwärts des Pilotlagergehäuses. Bei dem Pilotlagergehäuse 204b ist ein Verbindungspunkt 204c vorgesehen, um das Düsengehäuse 204 mit einem entsprechenden Verbindungspunkt 212c auf dem Abdichtungspatronengehäuse 212 zu verbinden. In der genauen gezeigten Ausführungsform enthält der Verbindungspunkt 204c Spiralgewinde, die dazu ausgestaltet sind, einen komplementären Gewindesatz am Verbindungspunkt 212c an dem Abdichtungspatronengehäuse 212 zu ergreifen. Andere Typen mechanischer Verbindungen, die im Stand der Technik bekannt sind, sind ebenfalls geeignet.
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Wie oben angezeigt wurde, ist ein weiterer Aspekt der Düsenanordnung 200 das Abdichtungspatronengehäuse 212. Das Abdichtungspatronengehäuse 212 dient dem Anbringen und Halten der Abdichtungspatrone 100 an der Düsenanordnung 200. Viele Ausgestaltungen des Abdichtungspatronengehäuses 212 sind möglich, ohne von den hierin vorgestellten Konzepten abzuweichen. Wie zuvor diskutiert wurde, hat das Abdichtungspatronengehäuse 212 einen Verbindungspunkt 212c, um das Abdichtungspatronengehäuse 212 mit dem Pilotlagergehäuse 204b des Düsengehäuses 204 zu verbinden, und einen weiteren Verbindungspunkt 212d, um das Abdichtungspatronengehäuse 212 mit der Abdichtungspatrone 100 zu verbinden. Wie gezeigt ist, weist die Abdichtungspatrone 212 auch einen inneren Fluidpfad 212a auf, der in Fluidverbindung mit dem inneren Fluidpfad 102a der Abdichtungspatrone 100 ist. Der innere Fluidpfad 212a des Abdichtungspatronengehäuses 212 kann auch in Fluidverbindung mit einer unter Druck stehenden Fluidquelle platziert sein und kann mit der unter Druck stehenden Fluidquelle über den Verbindungspunkt 212e gekoppelt sein. In der genauen gezeigten Ausführungsform enthält der Verbindungspunkt 212e Schraubgewinde. Es können jedoch auch andere Verbindungsverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden. Für das Abdichtungspatronengehäuse 212 ist auch gezeigt, dass es eine innere Oberfläche definiert, gegen die das Abdichtelement 112 der Abdichtungspatrone 100 eine wasserdichte Dichtung bildet, um zu verhindern, dass unter Druck stehendes Fluid aus der Düsenanordnung 200 ausläuft.
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Gemäß der obigen Beschreibung wird die Abdichtungspatrone 100 wie folgt in der Düsenanordnung 200 installiert. Zuerst wird die Abdichtungspatrone 100 212 über Verbindungspunkte 108b und 212d mit dem Abdichtungspatronengehäuse verbunden. In der gezeigten Ausführungsform wird dieser Schritt durch Gewindeverbinden der Abdichtungspatrone 100 und des Abdichtungspatronengehäuses 212 durchgeführt. Danach wird das Abdichtungspatronengehäuse mit dem Gehäuse 204 der Düsenanordnung über Verbindungspunkte 204c und 212c verbunden. In der gezeigten Ausführungsform wird dieser Schritt durch Gewindeverbinden des Abdichtungspatronengehäuses 212 und des Düsengehäuses 204 durchgeführt. Wenn dieser Schritt durchgeführt wird, wird das Mantelrohr 102 derart in die Welle 202 eingezogen, dass das Mantelrohr 102 und die Düsenanordnungsrotationswelle 202 durch den Eingreifmechanismus 116 und Rasten 202c miteinander in Rotationseingriff gelangen. Das Entfernen der Abdichtungspatrone 100 aus der Düsenanordnung geschieht durch die Umkehrung der oben beschriebenen Schritte. Es sollte auch bemerkt werden, dass die Düsenanordnung 200 anders konfiguriert werden kann, so dass die Abdichtungspatrone 100 vor dem Schritt des Verbindens der Abdichtungspatrone 100 mit dem Abdichtungspatronengehäuse 212 installiert werden kann.
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Die oben beschriebenen Beispiele sind Prinzipbeispiele. Viele Ausführungsformen können erzeugt werden.