УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО САЛЬНИКА ШТОКА
SEALING DEVICE OF ROD SEAL

Область техники
Заявляемое техническое решение относится к уплотнительной технике и применяется в сальниках штоков поршневых компрессоров среднего и высокого давлений, работающих при больших перепадах давления со смазкой, с ограниченной смазкой и без смазки цилиндров и сальников.
Уровень техники
Известно, например, уплотнительное устройство высокого давления компрессора (патент РФ на полезную модель №143449, МПК F16J 15/00 / Ворошилов И.В., №2013138325/06, заявл. 19.08.2013; опубл. 20.07.2014, бюл. №20, [1]). Как и в данном техническом решении, указанный аналог [1] содержит первые сальниковые камеры. В каждой первой сальниковой камере размещены уплотнительные кольца первого вида и второго вида, браслетные пружины и опорное кольцо. Кольца имеют по три радиальных разреза и стянуты браслетными пружинами. Опорное кольцо выполнено без разрезов.
У аналога [1] уплотнительные кольца зафиксированы между собой штифтом.
Первым недостатком аналога [1] является то, что опорное кольцо прилегает только к одному из уплотнительных колец. При изменении направления движения газа второе уплотнительное кольцо не защищено. Вторым недостатком аналога [1] является то, что опорное кольцо свободно лежит на штоке, что приводит к износу опорного кольца и штока.
Известен сальник для газовых компрессоров (патент РФ на изобретение №2561960, МПК F16J 15/00, F04D 29/08 / Ворошилов И.В., №2013138323/06, заявл. 19.08.2013; опубл. 10.09.2015, бюл. №25 [2]). Как и в данном техническом решении, указанный аналог [2] содержит уплотнительные камеры. Каждая камера содержит разрезанное уплотнительное кольцо, сегменты которого стянуты кольцом-пружиной, и разрезанное замыкающее кольцо, сегменты которого также стянуты кольцом-пружиной. В состав каждой уплотнительной камеры дополнительно входит упорное кольцо.
У аналога [2] упорное кольцо закреплено к корпусу направляющими винтами и поджимается к уплотнительному кольцу по крайней мере одной точечной пружиной.
Недостатком аналога [2] является то, что упорное кольцо поджато только к одному кольцу. Это приводит к экструзии материала второго кольца зазор между штоком и камерой.
Также известен сальник с плоскими уплотнительными элементами (интернет-ресурс http://egineerinasystems.ru/trudi-mezhdunarodnoy-nauchno-tehnicheskoy-konferencii-po-kompressorostroyeniyu/analiz-raboti-shtoka.php, 15.01.2016, 15:33, [3]).
Как и в данном техническом решении, указанный аналог [3] содержит камеры с уплотнительными элементами, состоящими из двух разрезных колец и двух неразрезных опорных колец. Каждое из разрезных колец охватывается по окружности браслетной пружиной, производящей предварительное уплотнение между кольцом сальника и штоком. Второе по направлению движения газа разрезное кольцо выполнено уплотняющим и разрезано на шесть частей таким образом, что короткие радиальные прорезы перекрыты сверху сегментами. Опорные кольца установлены с двух сторон в расточках разрезных колец. Разрезные кольца выполнены из графитофторопласта АФГ-80 ВС. Опорные кольца выполнены из текстолита, в котором в качестве наполнителя используется шифон.
В указанном аналоге [3] первое по направлению движения газа разрезное кольцо выполнено замыкающим и разрезано на три части. Замыкающее кольцо не устраняет прохода газа в камеру и, будучи прижато давлением газа к уплотняющему кольцу, служит для того, чтобы перекрывать с торца прорезы уплотняющего кольца. Опорные кольца установлены с наружных сторон в расточках разрезных замыкающего и уплотняющего колец. Указанные опорные кольца установлены по отношению к штоку с гарантированным зазором. Между наружными поверхностями опорных колец и внутренними расточками замыкающего и уплотняющего колец после изготовления предусматривается зазор, по величине меньший, чем зазор между опорными кольцами и штоком.
Первым недостатком указанного аналога [3] является деформация разрезных уплотняющего и замыкающего колец при больших перепадах давления. Это уменьшает герметичность сальника штока. При перепаде давления на уплотнительный элемент, например, равном 4 МПа, разрезные кольца прижимаются к стенкам камеры с такой силой, что это вызывает пластическую деформацию разрезных колец. В результате этой деформации кольцо настолько плотно прилегает к стенке камеры, что мешает самоустановке штока при перекосах, несооосности и радиальном биении. Шток, стремясь занять нужное для него положение, разбивает внутренний диаметр разрезных колец. При этом между штоком и разрезными кольцами увеличивается зазор, что приводит к уменьшению герметичности сальника. Кроме того, при самоустановке штока между разрезными кольцами и штоком возрастает трение. При трении материал разрезных колец нагревается и происходит его экструзия в зазор между штоком и камерой.
Вторым недостатком указанного аналога [3] является то, что первое по направлению движения газа разрезное кольцо выполнено замыкающим. Радиальные прорезы у замыкающего кольца не перекрыты сегментами (Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 2. Основы проектирования. Конструкции. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2008. Стр. 360-361, рис. 3.5.7, 6, [4]). Так как замыкающее кольцо не устраняет прохода газа в камеру, то герметичность сальника снижается.
Указанный аналог [3] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к данному техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Раскрытие сущности технического решения
Первым техническим результатом, обеспечиваемым данным техническим решением, является повышение герметичности уплотнительного устройства сальника штока.
Вторым техническим результатом является повышение производительности компрессора.
Третьим техническим результатом является снижение износа уплотнительных колец сальника штока.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что уплотнительное устройство сальника штока содержит по крайней мере одну камеру, в которой размещены первое и второе разрезные кольца, части которых стянуты пружинами, первое и второе неразрезные опорные кольца, которые установлены по обе стороны от разрезных колец и выполнены из материала, более прочного, чем материал разрезных колец. Отличается тем, что:
- разрезные кольца и неразрезные опорные кольца имеют одинаковые наружные диаметры;
- разрезные кольца выполнены уплотняющими, при этом разрезы уплотняющих колец перекрыты и смещены друг относительно друга в угловом направлении;
- на каждом опорном кольце, на стороне, обращенной к разрезному кольцу, выполнен концентрический выступ, наружная поверхность которого полностью охватывается впадиной разрезного кольца.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Впадины по глубине могут быть выполнены по меньшей мере до середины осевой высоты колец.
Между кольцевыми поверхностями выступов опорных колец и кольцевыми поверхностями впадин уплотняющих колец преимущественно выполнены зазоры, по величине меньшие, чем зазоры между опорными кольцами и штоком.
Осевая высота второго опорного кольца может быть больше осевой высоты первого опорного кольца, при этом осевая высота второго разрезного кольца больше осевой высоты первого разрезного кольца.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технических результатов.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показан чертеж уплотнительного устройства сальника штока, на фиг. 2 - выполнение опорного кольца; на фиг. 3 - выполнение уплотняющего кольца по примеру 1; на фиг. 4 - выполнение уплотняющего кольца по примеру 2; фиг. 5 - выполнение уплотнительного устройства сальника штока по примеру 5.
Осуществление технического решения.
Уплотнительное устройство сальника штока (фиг. 1) содержит по крайней мере одну камеру (1), в которой размещены первое разрезное кольцо (2), второе разрезное кольцо (3), первое неразрезное опорное кольцо (4), второе неразрезное опорное кольцо (5) и пружины (6).
Разрезные кольца (2, 3) и неразрезные опорные кольца (4, 5) имеют одинаковые наружные диаметры. Неразрезные опорные кольца (4, 5) установлены по обе стороны от разрезных колец (2, 3). Первое опорное кольцо (4) закрывает с торца прорезы в первом разрезном кольце (2), что повышает герметичность уплотнительного устройства. В период расширения газа из мертвого пространства в цилиндре компрессора и в период всасывания газа давление в сальнике может быть больше давления в цилиндре, что приводит к подсосу газа из сальника и уменьшению производительности компрессора. Установка первого опорного кольца (4) со стороны торца первого разрезного кольца (2) устраняет этот недостаток, делая уплотнительное устройство более герметичным, что приводит к повышению производительности компрессора. Опорные кольца (4, 5) выполняют дополнительно роль противоэкструзионных колец.
Расположение опорных колец (4, 5) по обе стороны от разрезных колец (2, 3) позволяет оба разрезных кольца (2, 3) выполнять уплотняющими. Разрезы уплотняющих колец (2, 3) перекрыты и смещены друг относительно друга в угловом направлении. Так как в камере (1) установлены два уплотняющих кольца (2, 3), то закрыто больше зазоров по сравнению с прототипом [1]. Это повышает герметичность сальника. Части разрезных колец (2, 3) стянуты пружинами (6), производящими предварительное уплотнение между кольцами (2, 3) и штоком. Разрезные кольца (2, 3) выполнены неметаллическими, из самосмазывающегося материала, например, на основе фторлона - 4.
Материал опорных колец (4, 5) должен быть более прочным по отношению к уплотнительным кольцам (2, 3). За счет более прочного материала опорные кольца (4, 5) не подвергаются пластической деформации. Для компрессоров без смазки опорные кольца (4, 5) могут быть изготовлены, например, из текстолита марки Ш и графелона. Для компрессоров с ограниченной смазкой и со смазкой опорные кольца (4, 5) могут быть изготовлены, например, из текстолита марки Ш, графелона, бронзы.
На каждом опорном кольце (4, 5), на стороне, обращенной к разрезному кольцу (2, 3), выполнен концентрический выступ (7) (фиг. 2), наружная поверхность (9) которого охватывается впадиной (8) (фиг. 3) разрезного кольца (2, 3). Наружная поверхность (9) выступа (7) состоит из торцевой поверхности и кольцевой поверхности. Впадины (8) по глубине выполнены по меньшей мере до середины осевой высоты уплотняющих колец (2, 3). При этом глубина впадины (8) разрезного кольца (2, 3) больше высоты выступа (7) опорного кольца (4, 5).
Первое и второе опорные кольца (4, 5) установлены по отношению к штоку с гарантированным зазором. Между кольцевыми поверхностями выступов (7) опорных колец (4, 5) и кольцевыми поверхностями впадин (8) уплотняющих колец (2, 3) после изготовления сальникового уплотнения предусматривается радиальный зазор, по величине меньший, чем зазор между опорными кольцами (4, 5) и штоком. После приработки по внутреннему диаметру уплотнительные кольца (2, 3) опираются на выступы (7) опорных колец (4, 5) и не прижимаются к штоку. Кроме того, за счет наличия опорных колец (4, 5) уплотняющие кольца (2, 3) не прижимаются к стенкам камеры (1). Таким образом уплотнительные кольца (2, 3) не деформируются и сохраняют способность перемещаться при биении и перекосах штока. Это повышает герметичность уплотнительного устройства сальника штока и снижает износ уплотнительных колец сальника штока.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Уплотняющие кольца (2, 3) состоят из четырех частей.
Пример 2. Уплотняющие кольца (2, 3) состоят из шести частей (фиг. 4).
Пример 3. Если сжимаемый в цилиндре газ влажный, то опорные кольца (4, 5) могут быть изготовлены из графелона-20, текстолита Ш.
Пример 4. Если сжимаемый в цилиндре газ сухой, то опорные кольца (4, 5) могут быть изготовлены из графелона-25М, текстолита Ш.
Пример 5. Если сжимаемый в цилиндре газ влажный, то уплотняющие кольца (2, 3) могут быть выполнены из флубона - 20.
Пример 6. Если сжимаемый в цилиндре газ сухой, то уплотняющие кольца (2, 3) могут быть выполнены из флубона - ДМ - 2.
Пример 7. Осевая высота первого опорного кольца (5) равна осевой высоте второго опорного кольца (4).
Пример 8. С целью увеличения прочности сальникового уплотнения при высоких перепадах давления, действующих на уплотнительное устройство, осевая высота второго опорного кольца (5) больше осевой высоты первого опорного кольца (4). При этом осевая высота второго разрезного кольца (3) больше осевой высоты первого разрезного кольца (2) (фиг. 5).
Пример 9. Для обеспечения перекрытия стыков уплотняющие кольца (2, 3) взаимно фиксированы штифтами (не показано).
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами.
Описание работы
Во время работы компрессора разрезные кольца (2, 3) и опорные кольца (4, 5) прижимаются перепадом давления в осевом направлении к торцевой поверхности корпуса следующей камеры. Кроме того, разрезные кольца (2, 3) под действием перепада давления прижимаются к штоку и в радиальном направлении. Если оба разрезных кольца (2, 3) выполнены уплотняющими, то обеспечивается уплотнение штока при перепадах давления, действующих как в одну сторону, так и в другую. При перепаде давления, действующем в прямом направлении, основным уплотняющим кольцом является кольцо (3), а при обратном направлении перепада давлений основным уплотняющим кольцом является кольцо (2).
Опорные кольца (4, 5) не дают уплотняющим кольцам (2, 3) прижиматься к стенкам камеры (1). В результате не происходит деформации уплотняющих колец (2, 3). Кроме того, не происходит экструзии материала уплотняющих колец (2, 3) в зазор между камерой (1) и штоком. При этом по мере приработки уплотняющих колец (2, 3) к штоку радиальные зазоры между кольцевыми поверхностями выступов (7) опорных колец (4, 5) и кольцевыми поверхностями впадин (8) уплотняющих колец (2, 3) ликвидируются. После этого уплотняющие кольца (2, 3) плотно охватывают выступы (7) опорных колец (4, 5) своими впадинами (8). В результате этого не происходит дальнейшего прижатия уплотняющих колец (2, 3) к штоку. При этом снижается износ уплотняющих колец (2, 3) сальника штока, уменьшаются потери на трение и повышается герметичность уплотнительного устройства сальника штока.
Промышленная применимость
Данное техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлено на любом промышленном предприятии и найдет широкое применение в уплотнительной технике при герметизации цилиндра компрессора.