МЕХАНИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ С НАРУЖНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно к области нефтяного машиностроения, и может быть использована в поршневых и плунжерных насосах, предназначенных для перекачивания различного рода жидких сред, в том числе при бурении нефтяных и газовых скважин и добыче из них нефти и конденсата.
Известно уплотнение штока или плунжера, содержащее притертые друг к другу и поджимаемые к штоку в противоположных направлениях кольца из антифрикционного материала, при этом кольца имеют эксцентричные отверстия и установлены в упругой обойме (см. авторское свидетельство СССР 391315, кл. F16J 15/26, 25.07.1973).
Однако при перекачке абразивосодержащих жидкостей, например бурового раствора, за счет протока жидкости через щелевой зазор совместно с самопритиркой эксцентричных колец и компенсацией износа будет наблюдаться более интенсивное разрушение поверхностей щелевого зазора за счет эрозионного износа.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является механическое уплотнение деталей с наружной цилиндрической поверхностью, содержащее металлическую обойму с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом с одного из торцев, в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу (см. патент РФ 2241882, кл. F16J 15/16, 10.12.2004).
В данном механическом уплотнении удалось добиться путем разбиения уплотнительных колец на группы выравнивания осевой нагрузки на уплотнительные кольца и обеспечения возможности самоцентрирования установки каждой группы уплотнительных колец относительно уплотняемой наружной цилиндрической поверхности. Однако при высоких перепадах давлений вместе с буровым раствором в пространство между уплотняемой поверхностью и уплотнительными кольцами попадают содержащиеся в буровом растворе абразивные частицы горных пород, что приводит к интенсивному износу уплотнительных колец и, как следствие, снижению надежности работы механического уплотнения.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является предотвращение или существенное снижение поступления абразивных частиц в механическое уплотнение.
Технический результат в повышении надежности работы механического уплотнения путем снижения износа уплотнительных колец механического уплотнения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что механическое уплотнение деталей с наружной цилиндрической поверхностью содержит, по меньшей мере, одну металлическую обойму с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом с одного из торцев, в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу, каждая обойма из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично расположенных колец, а со стороны торца обойма из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой с посадкой с натягом на деталь с наружной цилиндрической поверхностью, при этом между уплотнительными кольцами и манжетой в обойме из упругого материала установлено дроссельное кольцо из пластмассы, причем зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельного кольца и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца, а уплотнительные кольца через дроссельное кольцо и манжету прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту металлической обоймы.
В ходе исследования было установлено, что при повышенных перепадах давлений механических уплотнениях необходимо использовать соответственно большее количество уплотнительных колец. Но при этом эффективность работы колец снижается. Чем дальше от высокого давления расположено кольцо, тем большая гидравлическая нагрузка действует на него и мешает его самоустановке. Сила трения при этом возрастает и кольцо быстрее изнашивается.
Представляется возможность существенно снизить, а в ряде случаев предотвратить, особенно на, начальном этапе работы, поступления абразивных частиц в пространство между уплотняемой поверхностью и уплотнительными кольцами и одновременно создать условия при которых уплотнительные кольца самоустанавливаются относительно уплотняемой поверхности практически при любом перепаде давления на механическом уплотнении.
Было выявлено, что целесообразно использовать в зависимости от перепада давления на механическом уплотнении одно или несколько механических уплотнений последовательно установленных вдоль уплотняемой цилиндрической поверхности, причем каждое механическое уплотнение состоит из металлический обоймы в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом каждая обойма из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично расположенных колец.
Однако возможность самоустановки зависит не только от перепада давления на механическом уплотнении, но и от количества абразивных частиц в жидкой среде (в скважинах это в первую очередь буровой раствор), которая поступает в механическое уплотнение при его работе. Это связано с тем, что абразивные частицы вызывают не только эрозию уплотнительных колец, но и повышают трение между ними и трение уплотнительных колец относительно уплотняемой цилиндрической поверхности. Для резкого снижения, а в ряде случае для предотвращения, особенно в начальный период работы, поступления абразивных частиц в механическое уплотнение со стороны торца обойма из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой с посадкой с натягом на уплотняемую наружную цилиндрическую поверхность, при этом между уплотнительными кольцами и манжетой в обойме из упругого материала установлено дроссельное кольцо из пластмассы. Кроме того, необходимо, чтобы зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельного кольца и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца, а уплотнительные кольца через дроссельное кольцо и манжету прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту металлической обоймы. Как результат уплотняемая цилиндрическая поверхность в зоне расположения уплотнительных колец защищена от поступления абразивных частиц, которые задерживаются манжетой и дроссельным кольцом, причем последнее, дросселируя жидкую среду, уменьшает перепад давления на уплотнительных кольцах, что особенно важно в начальный период работы механического уплотнения, когда уплотнительные кольца притираются к конкретной цилиндрической поверхности, которую они уплотняют. Более того, при выполнении механического уплотнения с несколькими металлическим обоймами каждая обойма с уплотнительными кольцами является барьером для поступления в последующую по ходу перепада давления обойму абразивных частиц, что позволяет резко увеличить надежность работы механического уплотнения и, как следствие, эффективность работы уплотнительных колец увеличивается и необходимое количество уплотнительных колец снижается. Соответственно уменьшается осевой габарит и стоимость механического уплотнения, что важно при использовании механического уплотнения в скважинах, особенно при использовании его в качестве уплотнения штока в клапане дифференциального насоса, также в системах одновременно раздельной эксплуатация двух пластов (ОРЭ) и в плунжерных насосах типа НСБ (патент РФ №2007618).
На фиг.1 представлен продольный разрез механического уплотнения.
На фиг.2 представлен продольный разрез механического уплотнения штока или плунжера с несколькими металлическими обоймами с уплотнительными кольцами.
На фиг.3 представлено схематически пространственное расположение пар уплотнительных колец относительно друг друга в механическом уплотнении.
На фиг.4 представлен фрагмент продольного разреза обоймы из упругого материала с манжетой.
На фиг.5 представлен корпус приемного клапана дифференциального насоса с установленным в нем механическом уплотнении штока с несколькими металлическими обоймами с уплотнительными кольцами.
1
2
3
4
Механическое уплотнение деталей 1 с наружной цилиндрической поверхностью (например, шток или плунжер) содержит, по меньшей мере, одну металлическую обойму 2 с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом 3 с одного из торцев, в которой установлена обойма 4 из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круглые посадочные места 5, в которых расположены уплотнительные кольца 6, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу. Каждая обойма 4 из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично с равным эксцентриситетом e, e, e, e (см, фиг.3) расположенных колец 6, причем эксцентриситет соседних пар уплотнительных колец 6 выполнен под углом 90°. Со стороны торца обойма 4 из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой 7 с посадкой с натягом на деталь 1 с наружной цилиндрической поверхностью. Между уплотнительными кольцами 6 и манжетой 7 в обойме 4 из упругого материала установлено дроссельное кольцо 8 из пластмассы, причем зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельной кольца 8 и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали 1 меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца 6. Уплотнительные кольца 6 через дроссельное кольцо 8 и манжету 7 прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту 3 металлической обоймы 2. При использовании механического уплотнения в клапане дифференциального насоса (см. фиг.5) металлические обоймы 2 с уплотнительными кольцами 6 устанавливают в корпусе 9 клапана над тарелкой 10 клапана и фиксируют механическое уплотнение в корпусе 9 клапана с помощью накидной гайки 11.
При установке механического уплотнения уплотнительные кольца 6 прижимаются к уплотняемой поверхности деталей 1 с наружной цилиндрической поверхностью, например, плунжеру насоса в тех местах, где ширина уплотнительного кольца 6 вместе с толщиной стенки обоймы 4 из упругого материала максимальна. В местах прижатия уплотнительных колец 6 щелевой зазор равен нулю. С противоположной от точки касания стороны щелевой зазор максимальный. Однако ввиду того, что круглые посадочные места 5 в обойме 4 из упругого материала выполнены с эксцентриситетом, а уплотнительные кольца 6 по торцам плотно прижаты друг к другу и попарно развернуты относительно одно от другого, между уплотняемой цилиндрической поверхность детали 1 и каждой группой уплотнительных колец 6 образуется сложная лабиринтная щель и, следовательно, большое гидравлическое сопротивление потоку жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления. Гидравлическое сопротивление в зазоре уплотнения возрастает также ввиду того, что поток жидкости, проходя через зазор, многократно меняет свое направление. Размеры зазора в работающем уплотнении постепенно уменьшаются за счет приработки трущихся поверхностей уплотнительных колец 6 и уплотняемой цилиндрической поверхности детали 1, при этом происходит автоматическое прижатие трущихся поверхностей и, следовательно, компенсация износа за счет обоймы 4 из упругого материала. При этом в начальный период работы манжета 7 надежно герметизирует зазор, а металлические уплотнительные кольца 6 притираются по ответной поверхности детали 1. К тому моменту когда манжета 7 частично или полностью износится, уплотнительные кольца 6 притрутся и обеспечат необходимую степень герметичности узла.
Таким образом достигается повышенная герметичность уплотнения с одновременным увеличением срока его службы, а, следовательно, высокая надежность работы механического уплотнения.
Полезная модель может применяться в насосах, компрессорах, мешалках, в запорной арматуре, в гидро- и пневмоустройствах и других машинах и аппаратах, работающих под избыточным давлением.