УСТРОЙСТВО УПЛОТНЕНИЯ С УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, в частности, к уплотняющим устройствам, и может быть использовано для уплотнения областей между взаимно перемещающимися поверхностями, например, между ротором и статором газотурбинного двигателя и т.п.
Известно устройство, например, щеточных уплотнений, в котором между фронтальной и опорной пластинами методом сварки в нерабочей части зафиксирован пакет упругих элементов (см. патент США №5335920 F16J 15/447)
Недостатком такого устройства уплотнения, при всей простоте конструкции, является наличие сварного соединения, приводящего к возможному отрыву проволочек в местах сварки.
Этот недостаток устранен в конструкции немецкой фирмы MTU (см. например, патент Германии №3907614 F16J 15/16 или патент России №2208190 F16J 15/16), в которой пакет упругих элементов обвит вокруг стержня и механически зафиксирован между фронтальной и опорной пластинами, образующими корпус уплотнения.
Недостатком такой конструкции является ее сложность, повышенная металлоемкость, сложность технологии изготовления при обязательном наличии специализированного оборудования.
Известно, также, устройство (принято в качестве прототипа), в котором пакет упругих элементов зафиксирован между фронтальной и опорной пластинами посредством его изгиба и дополнительной сварки в периферийной, нерабочей части уплотнения (см. патент Германии №19642781 F16J 15/16).
Недостатком подобной конструкции являются сложная форма заготовок, относительная сложность их изготовления и сборки. Задачей изобретения является создание простой и технологичной конструкции уплотнения с упругим элементом.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность изготовления уплотнений простой конструкции при использовании простых технологий, оборудования и инструмента при минимальном расходе материалов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве уплотнения с упругим элементом, состоящем из скрепленных между собой фронтальной и опорной пластин, между которыми с изгибом нерабочей части зафиксирован пакет упругих элементов, по крайней мере, один изгиб нерабочей части выполнен посредством фиксирующего кольца, прижатого вместе с пакетом упругих элементов к рельефной кольцевой поверхности, выполненной хотя бы на одной пластине, при этом рельефная кольцевая поверхность может быть выполнена в виде кольцевой канавки, размеры которой соответствуют размерам и форме фиксирующего кольца, а фиксирующее кольцо может быть выполнено из трубки или прутка, практически любого профиля, торцы которого плотно прилегают друг к другу под углом к радиусу кольца.
Кроме того, результат достигается тем, что фронтальная и опорная пластины и пакет упругих элементов могут быть размещены в кольцевой оправке и скреплены между собой посредством деформирования, по крайней мере, части ее кромок, а также тем, что фронтальная и опорная пластины могут быть скреплены между собой посредством сварки в области нерабочей части пакета упругих элементов, ограниченной фиксирующим кольцом, например, посредством сварки сквозь пакет упругих элементов дискретно расположенными точками.
Достижению технического результата способствует также то, что фронтальная или опорная пластина может быть выполнена совместно с кольцевой оправкой в виде корпуса уплотнения, при этом пакет упругих элементов может быть зафиксирован в корпусе уплотнения посредством деформирования хотя бы части кромки корпуса уплотнения.
Кроме того, технический результат может быть достигнут при изготовлении уплотнений, фронтальная и опорная пластины которого имеют одинаковые форму и размеры, что способствует упрощению оснастки при их изготовлении.
Предложенное решение поясняется следующими фигурами:
На фиг.1 представлен вариант уплотнения с плоским фиксирующим кольцом, сваренного дискретными точками сквозь пакет упругих элементов;
На фиг.2 - вариант уплотнения, сваренного в периферийной зоне;
На фиг.3 - вариант уплотнения с приваркой кольцевой оправки;
На фиг 4 - вариант уплотнения с завальцовкой кромок кольцевой оправки;
На фиг.5 - вариант разборного уплотнения с разрезными клиновидными кольцами;
На фиг.6 представлено увеличенное сечение с клиновидным кольцом;
На фиг 7 - вариант корпусного уплотнения с круглым фиксирующим кольцом;
На фиг.8 - вариант оформления плоскости стыка фиксирующего кольца;
На фиг.9 представлен вариант с двумя фиксирующими кольцами.
На фиг.10 - вариант уплотнения с четырьмя фиксирующими кольцами;
На фиг.11 - вариант сварной конструкции уплотнения с использованием сварки по периметру;
На фиг.12 - уплотнение с идентичными фронтальной и опорной пластинами.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для упрощения конструкции уплотнений с гибким элементом и процесса изготовления, например, щеточных уплотнений (см. фиг.1), состоящих из опорной пластины 1, пакета упругих элементов 2 и фронтальной пластины 3, без использования сложных механизмов и технологических процессов предлагается фиксацию пакета упругих элементов 2 осуществлять посредством хотя бы одного фиксирующего кольца 4, размещаемого в процессе изготовления уплотнения в канавке 5. Это упрощает конструкцию и технологию изготовления заготовок и их сборку, поскольку фронтальная и опорная пластины получаются практически плоскими. С увеличением количества фиксирующих колец и изгибов 6 пакета упругих элементов увеличивается надежность фиксации и практически не усложняется конструкция заготовок.
Если, например, в пластине 1 выполнить рельефную канавку 5, с размерами, соответствующими размерам фиксирующего кольца 4, с учетом толщины пакета упругих элементов 2, то после сжатия опорной 1 и фронтальной 3 пластин образуется изгиб 6 упругого элемента, который обеспечивает его фиксацию в устройстве уплотнения. Остается только зафиксировать это положение, что может быть осуществлено различными способами.
Например, для упрощения сборки может использоваться кольцевая оправка 7, обеспечивающая центрирование заготовок при сборке. Конструкция кольцевой оправки зависит от устройства и назначения уплотнения, т.е. зависит от расположения рабочей части пакета упругих элементов и технологии изготовления уплотнения в целом. Такая оправка при необходимости может использоваться в конструкции уплотнения, как показано на фиг.1, или играть роль вспомогательного приспособления, в котором собираются и фиксируются заготовки уплотнений.
Ниже рассматриваются варианты устройства уплотнений с рабочей частью обращенной к валу, т.е. внешний диаметр уплотнения является нерабочим.
Количество канавок, их форма и размеры могут определяться конструктивными особенностями уплотнения.
Рассмотрим вариант с одним фиксирующим кольцом и, соответственно, с одной канавкой, выполненной, например, на опорной пластине 1. Если на нее положить пакет упругих элементов 2, фиксирующее кольцо 4 и пластину 3, то при сжатии заготовок в оправке 7 фиксирующее кольцо 4 с пакетом упругих элементов 2 опускается в канавку 5, прижимая и фиксируя последний. При данной технологии сборки несколько осложнено центрирование фиксирующего кольца, но этот недостаток легко устраняется, если обе пластины имеют канавки. Окончательная фиксация заготовок уплотнения может быть осуществлена различными способами. Наиболее простыми и надежными являются сварка, пластическая деформация, а также механическая фиксация, например, посредством разрезных колец.
Использование сварки при изготовлении уплотнений позволяет получать конструкции уплотнения без кольцевой оправки (см. фиг.2 и 3). Учитывая уже имеющуюся фиксацию пакета упругих элементов посредством фиксирующего кольца, сварку можно вести отдельными точками, что повышает качество уплотнения, не вызывая его коробления. Основная задача сварки - зафиксировать взаимное положение фронтальной и опорной пластин. Такая фиксация может быть осуществлена, как отдельными точками 8 (см. фиг.1) с использованием оправки в конструкции уплотнения, так и сквозь пакет упругих элементов (см. фиг.2) точками 9, кроме того, возможен вариант с точками 10, расположенными по периферии уплотнения (см. фиг.3). В любом случае рабочая часть уплотнения не подвергается воздействию сварки, а зона термического влияния, возникающая при сварке, остается в нерабочей части пакета упругих элементов. Выбор способа сварки определяется конструкцией уплотнения и наличием оборудования.
Использование кольцевой оправки 7 в конструкции уплотнения обеспечивает возможность фиксации заготовок посредством пластической деформации хотя бы части ее кромок 11 (см. фиг.4). Такой способ фиксации позволяет изготавливать уплотнения без использования сварки. Завальцовка части кромок 11 также может осуществляться на участках, равномерно распределенных по периметру оправки.
Механический способ фиксации заготовок (фиг.5) посредством, например, разрезных колец 12, имеющих клиновое сечение и размещаемых в пазах 13 кольцевой оправки 7 (фиг.6), при определенных условиях, позволяет многократно использовать имеющиеся заготовки уплотнения. Использование клинового сечения разрезных колец позволяет плотно фиксировать положение деталей уплотнения.
В свою очередь, фиксирующее кольцо 14 может иметь круглое сечение, например, как показано на фиг.7, т.е. может быть выполнено из проволоки, трубки, прутка и т.п., что упрощает процесс его изготовления, при этом смыкание кромок кольца целесообразно осуществлять по плоскости 15 (см. фиг.8), образующей некоторый угол с направлением укладки проволоки 16, в случае щеточных уплотнений, или, в общем случае, с радиусом изгиба фиксирующего кольца. Кроме того, на фиг.7 представлена возможность использования заготовки 17, выполненной в виде корпуса уплотнения, объединяющего, например, опорную пластину и кольцевую оправку. Такая конструкция заготовки оказывается сложнее, но обеспечивает более точные габаритные и посадочные размеры, а при эксплуатации уплотнений, работающих при больших давлениях, корпус может воспринимать большие нагрузки, защищая конструкцию уплотнения. Использование корпуса уплотнения практически не изменяет технологии изготовления уплотнения, включая использование сварки, вальцовки и фиксации посредством разрезного кольца.
На фиг.9 и фиг.10 представлены варианты устройства уплотнения с двумя и четырьмя фиксирующими кольцами 14, увеличивающими число перегибов 18 пакета упругих элементов и надежность его фиксации.
На фиг.11 представлена возможность осуществления сварки в периферийной части уплотнения, например, точками 19, располагаемыми в пазах 20, выполненных в корпусе 17.
Использование фиксации посредством фиксирующего кольца позволяет унифицировать форму и размеры заготовок. Например, на фиг.12 представлен вариант устройства уплотнения, заготовки фронтальной 21 и опорной 22 пластин которого выполнены путем пластического деформирования, например, штамповки, и имеют одинаковые форму и размеры. В этом случае может быть получено симметричное расположение рабочей части пакета упругих элементов относительно обеих пластин. Преимуществом такого уплотнения является не только упрощение процесса изготовления, но и возможность равноценной работы в условиях реверсирования давления и при неустановившихся режимах. Очевидно, что фиксация заготовок такого устройства может быть осуществлена любым из перечисленных способов, который определяется в зависимости от конструкции и назначения уплотнения.