Сальник с одним уплотнительным кольцом
OIL SEAL WITH ONE SEALING RING

Область техники, к которой относится изобретение
Варианты осуществления изобретения относятся в целом к уплотнительным устройствам для газовых компрессоров и, в частности, к сальниковому уплотнительному устройству для поршневого газового компрессора.
Описание предшествующего уровня техники
Сальниковое уплотнение представляет собой уплотнительный узел, который уплотняет зону вокруг поршневого штока в поршневом компрессоре для минимизации утечки технологического газа из находящегося под давлением цилиндра компрессора в атмосферу и/или во внутренние пространства компрессора. Вследствие возвратно-поступательного движения поршневого штока с высокой скоростью внутренние компоненты сальника могут со временем подвергаться сильному фрикционному износу. Например, отдельные уплотнительные элементы, используемые для образования уплотнения у поверхности поршневого штока, могут иметь короткий эксплуатационный срок службы вследствие нагрева при трении и фрикционного износа, вызываемого между наружной поверхностью поршневого штока и внутренней поверхностью уплотнения. Как будет понятно, короткий срок службы данных уплотнительных элементов приводит к сравнительно коротким интервалам между циклами технического обслуживания для соответствующего компрессора. Чем чаще компрессор должен выводиться из эксплуатации для замены уплотнительных элементов, тем менее эффективной будет эксплуатация системы в целом.
2
Предшествующие попытки решить проблему износа уплотнительных элементов в поршневых компрессорах были направлены на корректировку/изменение материалов, используемых для образования уплотнительных элементов. Например, уплотнения изготавливали из политетрафторэтилена (PTFE) или полиэфирэфиркетона (PEEK) в сочетании с наполнителями, такими как углерод, графит, дисульфид молибдена (MoS), стекловолокно и тому подобные. Другие попытки предусматривали использование множества уплотнительных колец и колец для прерывания давления в сальнике и/или применение технических средств компенсации давления для ограничения износа.
Тем не менее такие попытки не привели к созданию уплотнения с заданным продолжительным сроком службы, который может обеспечить соответствующим образом увеличенные интервалы между циклами технического обслуживания. Таким образом, существует потребность в усовершенствованной конструкции сальника, предназначенной для использования в поршневых компрессорах.
Раскрытие изобретения
Раскрыто сальниковое уплотнительное устройство, которое предназначено для устранения вышеуказанных недостатков в предшествующем уровне техники и которое является более стойким к износу в процессе эксплуатации, чем имеющиеся в настоящее время уплотнительные узлы, в особенности в условиях высокого давления и отсутствия смазки.
Раскрытая конструкция включает в себя два компонента. Во-первых, компенсация давления используется для уменьшения радиальной силы, действующей на уплотнительные кольца. Во-вторых, предусмотрены новые износостойкие внутренние уплотнительные кольца. Меньшая радиальная сила, действующая на уплотнительные кольца, (вследствие компенсации давления) непосредственно приводит к меньшему трению и, следовательно, к меньшему износу и тепловыделению. Кроме того, конструкция с усовершенствованными внутренними уплотнительными кольцами уменьшает утечку газа вследствие высокой способности тонких (в радиальном направлении) уплотнительных колец принимать нужную форму.
В некоторых вариантах осуществления материал, используемый для внутренних уплотнительных колец, имеет уменьшенный коэффициент трения, который обеспечивает дополнительное уменьшение фрикционного износа. Материал уплотнений также может выдерживать высокие внутренние нагрузки, вызываемые компенсацией давления при высоких давлениях (например, > 100 бар). Кроме того, материал имеет высокую стойкость к загрязнению частицами.
Обычные сальники, как правило, состоят из множества карманов, содержащих множество колец, и часто требуют смазки для уменьшения износа. Раскрытая конструкция кольцевого уплотнения обеспечивает эффективное уплотнение поршневых штоков в условиях эксплуатации без смазки и при высоких давлениях (> 100 бар). Это приводит к компактной конструкции сальника в целом.
Кроме того, раскрытая конструкция может включать в себя элемент для компенсации давления, который включает канавки в отдельных уплотнительных кольцах. Данные канавки могут быть соединены со стороной высокого давления сальника посредством разреза в части опорного кольца кольцевого уплотнения. Закрывающее уплотнительное кольцо может содержать обычный материал, представляющий собой политетрафторэтилен, в то время как внутренние уплотнительные кольца могут быть изготовлены из усовершенствованного материала, стойкого к трению и содержащего полиэфирэфиркетон с добавками из наноматериала для уменьшения трения и увеличения теплопроводности. Данные внутренние уплотнительные кольца имеют высокую прочность, так что комплект колец может быть использован при очень высоких давлениях. Вследствие данной высокой механической прочности внутренних уплотнительных колец ширина колец может быть малой, что в сочетании с элементом для компенсации давления может привести к низкой мощности, расходуемой на преодоление сопротивления трения во время эксплуатации. Раскрытое применение внутренних уплотнительных колец в сочетании с одним или более закрывающими уплотнительными кольцами представляет собой усовершенствование по отношению к предшествующим конструкциям. Несмотря на то, в решениях в соответствии с предшествующими попытками использовалась компенсация давления, подобные попытки обеспечивали возможность только частичной компенсации давления и предусматривали использование множества разрезных колец без внутренних уплотнительных колец.
Раскрытая комбинация компенсации давления и внутренних уплотнительных колец с низким трением может привести к уплотнительному узлу, который имеет конфигурацию кольцевого уплотнения вместо предшествующих многочисленных комплектов уплотнительных колец. Получающийся в результате сальник может иметь увеличенный срок службы по сравнению с традиционными уплотнениями и может быть способным к функционированию в условиях высокого давления и без смазки. Раскрытый сальник будет иметь длительный срок службы, компактную конструкцию и отличные характеристики при сложных обстоятельствах при меньшем требуемом общем количестве материала уплотнения. Раскрытая конструкция в конце концов приведет к более длительным интервалам между циклами технического обслуживания для компрессоров, в которых используется уплотнительное устройство.
.
Раскрыто кольцевое уплотнение для использования в сальнике поршневого компрессора. Кольцевое уплотнение может включать в себя первое и второе уплотнительные кольца, введенные в контактное взаимодействие вдоль соответствующих боковых поверхностей, и первое и второе закрывающие кольца, расположенные вокруг первого и второго уплотнительных колец так, что наружные диаметры первого и второго уплотнительных колец входят в контактное взаимодействие с внутренними диаметрами первого и второго закрывающих колец соответственно Опорное кольцо может быть введено в контактное взаимодействие с первым уплотнительным кольцом и первым закрывающим кольцом, в то время как упорное кольцо может быть введено в контактное взаимодействие со вторым уплотнительным кольцом и вторым закрывающим кольцом. В некоторых вариантах осуществления первое уплотнительное кольцо имеет ширину, которая меньше ширины второго уплотнительного кольца. В других вариантах осуществления второе уплотнительное кольцо имеет периферийную канавку, образованную на его внутренней поверхности, при этом канавка расположена непосредственно смежно с первым уплотнительным кольцом. Первое и второе уплотнительные кольца могут быть изготовлены из полиэфирэфиркетона с добавкой из наноматериала.
Раскрыто кольцевое уплотнение для использования в сальнике поршневого компрессора. Кольцевое уплотнение может включать в себя первое и второе уплотнительные кольца, введенные в контактное взаимодействие друг с другом, и первое и второе закрывающие кольца, расположенные вокруг первого и второго уплотнительных колец. Опорное кольцо может быть введено в контактное взаимодействие с первом уплотнительным кольцом и первым закрывающим кольцом, и упорное кольцо может быть введено в контактное взаимодействие со вторым уплотнительным кольцом и вторым закрывающим кольцом. В некоторых вариантах осуществления первое уплотнительное кольцо имеет ширину, которая меньше ширины второго уплотнительного кольца. В других вариантах осуществления второе уплотнительное кольцо имеет канавку, образованную на его внутренней поверхности. Первое и второе уплотнительные кольца могут быть изготовлены из полиэфирэфиркетона с добавкой из наноматериала.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления раскрытого способа, разработанного для применения принципов изобретения на практике, при этом в чертежах:
Фиг.1 представляет собой вид в разрезе приведенного в качестве примера поршневого компрессора;
Фиг.2 представляет собой изометрическое изображение приведенного в качестве примера комплекта уплотнительных колец сальника, предназначенного для использования в поршневом компрессоре по фиг.1;
Фиг.3А представляет собой выполненный с пространственным разделением элементов вид в перспективе комплекта уплотнительных колец по фиг.2;
фиг.3В представляет собой выполненный с обратной стороны и с пространственным разделением элементов вид в перспективе комплекта уплотнительных колец по фиг.2;
Фиг.4А и 4В представляют собой выполненный с пространственным разделением элементов вид в перспективе и вид в разрезе комплекта уплотнительных колец по фиг.2;
Фиг.5А представляет собой вид с местным разрезом альтернативного комплекта уплотнительных колец сальника, предназначенного для использования в поршневом компрессоре по фиг.1;
фиг.5В представляет собой изометрическое изображение первого и второго уплотнительных колец из комплекта уплотнительных колец по фиг.5А;
Фиг.6 представляет собой вид в разрезе комплекта уплотнительных колец по фиг.2, расположенного в приведенном в качестве примера сальнике;
Фиг.7А-7С показывают приведенные в качестве примера распределения давления между уплотнительным кольцом и поршневым штоком для различных конфигураций уплотнения;
Фиг.8 представляет собой приведенное в качестве примера сальниковое уплотнительное устройство, включающее в себя множество комплектов уплотнительных колец по фиг.2; и
Фиг.9 представляет собой график, иллюстрирующий характеристики раскрытого комплекта уплотнительных колец по фиг.2.
Описание вариантов осуществления изобретения
Раскрыто усовершенствованное уплотнительное устройство, предназначенное для использования в поршневых компрессорах. Усовершенствованное уплотнительное устройство включает в себя многокомпонентное кольцевое уплотнение, выполненное с конфигурацией, позволяющей ему подвергаться уменьшенному износу при эксплуатации. За счет уменьшения износа раскрытая конструкция многокомпонентного кольцевого уплотнения обеспечивает возможность функционирования соответствующего поршневого компрессора в течение более продолжительных периодов между восстановительными ремонтами компонентов по сравнению с предшествующими конструкциями. Раскрытая конструкция также приспособлена к более широкому диапазону перепадов рабочих давлений (давление на стороне всасывания против давления на стороне нагнетания) в применениях без смазки по сравнению с предшествующими устройствами.
На фиг.1 показан вид в разрезе приведенного в качестве примера, горизонтального поршневого компрессора 1. Компрессор может включать в себя раму 2, в которой расположен цилиндр 4. Цилиндр 4 содержит поршень 6, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре 4. Поршневой шток 8 прикреплен к поршню 6 на одном конце и к ползуну 10 на противоположном конце. Ползун 10 направляется с возможностью его возвратно-поступательного движения по горизонтальной прямой линии в раме 2 компрессора посредством направляющей 12 для ползуна. Линейное перемещение ползуна 10 создается посредством кривошипа 14, который соединен с ползуном 10 посредством шатуна 16. Вращательное движение кривошипа 14 передается ползуну 10 посредством шатуна 16.
Проиллюстрированный компрессор представляет собой компрессор двойного действия, в котором первая и вторая камеры 20 и 22 сжатия образованы в цилиндре 4 с обеих сторон поршня 6. Каждая из первой и второй камер 20, 22 сжатия предусмотрена с соответствующими всасывающим и нагнетательным клапанами, так что при перемещении поршня 6 в направлении кривошипно-шатунного механизма (то есть влево на фиг.1) газ под давлением на стороне всасывания вводится во вторую камеру 22 сжатия через соответствующий всасывающий клапан. В то же время газ, имеющийся в первой камере 20 сжатия, сжимается и выпускается под давлением на стороне нагнетания через соответствующий нагнетательный клапан. Несмотря на то, что это не показано, источник газа соединен с впускными клапанами, в то время как выпускные клапаны могут быть соединены с соответствующими напорными трубопроводами.
6
22
Для изоляции первой камеры 20 сжатия от остальной части внутреннего пространства компрессора сальник 24 (см. фиг.7) расположен вокруг поршневого штока непосредственно смежно с первой камерой сжатия. Как будет более подробно разъяснено позднее, сальник 24 может включать в себя, среди прочего, множество кольцевых уплотнений 25 (см. фиг.2), выполненных с конфигурацией, обеспечивающей возможность предотвращения утечки сжатого газа из первой камеры  сжатия. В проиллюстрированном варианте осуществления сальник 24 содержит цилиндрическую корпусную часть 26 и соединительную фланцевую часть 28. Цилиндрическая корпусная часть 26 вставлена с возможностью скольжения в имеющее соответствующие размеры цилиндрическое углубление 30 в раме 2, в то время как соединительная фланцевая часть 28 прилегает к уплотнительной поверхности 32 рамы. Соединительная фланцевая часть 28 может быть прикреплена к раме 2 посредством множества крепежных элементов 34, которые в проиллюстрированном варианте осуществления содержат болты. Несмотря на то, что это не показано, соответствующая прокладка или другой уплотнительный материал может быть размещена/размещен между соединительной фланцевой частью 28 и уплотнительной поверхностью 32 фланца.
6
6
При такой конструкции во время эксплуатации поршневой шток совершает возвратно-поступательное движение, показанное стрелкой «А» с двумя концами, так что наружная поверхность поршневого штока  скользит по внутренней поверхности кольцевых уплотнений 25. Таким образом, конструкция кольцевых уплотнений в сальнике 24 предотвращает проход сжатого газа, находящегося в первой камере 20 сжатия, через сальник.
Фиг.2-4В показывают приведенное в качестве примера кольцевое уплотнение 25, предназначенное для использования в раскрытом сальнике 24 для плотного прижатия к поршневому штоку 6. Как будет описано, кольцевое уплотнение 25 может состоять из множества отдельных элементов, которые совместно служат для обеспечения заданных характеристик уплотнения во время эксплуатации соответствующего компрессора 1. Таким образом, проиллюстрированное кольцевое уплотнение 25 включает в себя упорное кольцо 36 и регулировочную шайбу 38, между которыми размещены первое и второе закрывающие кольца 40, 42 и первое и второе уплотнительные кольца 44, 46.
Регулировочная шайба 38 может быть расположена на стороне уплотнительного комплекта 25, подвергаемой воздействию высокого давления первой камеры 20 сжатия. При эксплуатации регулировочная шайба 38 служит для удерживания первого и второго уплотнительных колец 44, 46 и первого и второго закрывающих колец 40, 42 в заданном положении относительно друг друга и для предотвращения проскальзывания первого и второго уплотнительных колец между поршневым штоком 6 и камерой сальника. Регулировочная шайба/регулировочное кольцо 38 может представлять собой по существу цилиндрический плоский кольцевой элемент, имеющий внутренний диаметр ID1 и наружный диаметр OD1, первую и вторую противоположные поверхности 38а, b и ширину W1. В некоторых вариантах осуществления регулировочное кольцо 38 может быть изготовлено из политетрафторэтилена для заполнения любых зазоров в той части камеры сальника, к которой плотно прижимается упорное кольцо. Регулировочное кольцо 38 может быть расположено на стороне уплотнительного комплекта 25, которая обращена к первой камере 20 сжатия, и, таким образом, она может подвергаться воздействию давления со стороны первой камеры сжатия во время эксплуатации. В некоторых вариантах осуществления регулировочное кольцо 38 изготовлено из политетрафторэтилена.
Упорное кольцо 36 может аналогичным образом представлять собой по существу цилиндрический кольцевой плоский элемент, имеющий внутренний диаметр ID2, наружный диаметр OD2, первую и вторую противоположные поверхности 36а, b и ширину W2. В некоторых вариантах осуществления упорное кольцо 36 изготовлено из металла, такого как бронза или чугун, для предотвращения выдавливания первого и второго уплотнительных колец 44, 46, когда уплотнительный комплект 25 находится под давлением.
Первое и второе закрывающие кольца 40, 42 могут представлять собой цилиндрические кольцевые элементы, каждый из которых имеет внутренний диаметр ID3, ID4, наружный диаметр OD3, OD4, первую и вторую противоположные поверхности 40а, b, 42а, b и ширину W3, W4. Как можно видеть, первое закрывающее кольцо 40 может иметь ширину W3, которая меньше ширины W4 второго закрывающего кольца 42. Конструкция с данным соотношением ширины выполняет часть функции компенсации давления, которая реализуется конструкцией кольцевого уплотнения 25, как будет описано позднее более подробно. Первое и второе закрывающие кольца 40, 42 могут включать в себя соответствующие первое и второе наружные окружные углубления 41, 43, выполненные с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема соответствующих первого и второго пружинных элементов 45, 47, предназначенных для удерживания первого и второго закрывающих колец 40, 42 в контактном взаимодействии с первым и вторым уплотнительными кольцами 44, 46.
Первое и второе уплотнительные кольца 40, 42 могут представлять собой цилиндрические кольцевые элементы, каждый из которых имеет внутренний диаметр ID5, ID6, наружный диаметр OD5, OD6, первую и вторую противоположные поверхности 44а, b, 46а, b и ширину W5, W6. Как можно видеть, наружный диаметр OD5, OD6 каждого из первого и второго уплотнительных колец 44, 46 меньше внутреннего диаметра ID3, ID4 первого и второго закрывающих колец 40, 42, так что первое и второе уплотнительные кольца могут быть окружены первым и вторым закрывающими кольцами при сборке кольцевого уплотнения 25.
Как можно видеть на фиг.4А, каждое из первого и второго уплотнительных колец 44, 46 может дополнительно включать в себя лапку 49, 51, выступающую в радиальном направлении и выполненную с конфигурацией, обеспечивающей возможность ее вставки в соответствующее радиальное углубление 53, 55, образованное в соответствующем закрывающем кольце 40, 42 для предотвращения поворота первого и второго уплотнительных колец относительно друг друга во время эксплуатации.
В проиллюстрированном варианте осуществления первое и второе уплотнительные кольца 44, 46 имеют внутренние диаметры ID5, ID6, которые по существу равны, и наружные диаметры OD5, OD6, которые по существу равны. Однако второе уплотнительное кольцо 46 имеет ширину W6, которая больше ширины W5 первого уплотнительного кольца 44. В некоторых вариантах осуществления ширина W5, W6 первого и второго колец 44, 46 может соответствовать ширине W3, W4 соответствующего им закрывающего кольца 40, 42.
Первое и второе уплотнительные кольца 44, 46 могут дополнительно представлять собой «разрезные» кольца за счет того, что каждое из них может иметь отверстие 57, 59, которое позволяет им расширяться или сужаться в незначительной степени для приспосабливания к небольшим различиям в диаметре поршневого штока, в результате чего обеспечивается постоянный контакт с поршневым штоком 6. Как можно видеть, отверстия 57, 59 в первом и втором уплотнительных кольцах 44, 46 смещены друг от друга, чтобы не образовывать канала утечки через кольцевое уплотнение 25. В проиллюстрированном варианте осуществления отверстия 57, 59 смещены приблизительно на 180 градусов, хотя это не является критичным, и могут быть использования смещения другой величины.
Первое и второе закрывающие кольца 40, 42 могут функционировать, как «разрезные» кольца, благодаря радиальным углублениям 53, 55, образованным в них. Данные углубления могут обеспечить возможность незначительного расширения или сужения первого и второго закрывающих колец 40, 42 для согласования с любыми малыми изменениями наружного диаметра OD5, OD6 соответствующего первого или второго уплотнительного кольца 44, 46 во время эксплуатации. В проиллюстрированном варианте осуществления первое закрывающее кольцо 40 включает в себя второе углубление 57, расположенное на расстоянии, соответствующем приблизительно 180 градусам, от углубления 53. Как показано на фиг.3В, данное второе углубление 57 принимает выступ 61, образованный на втором закрывающем кольце 42. Данное сопряжение предотвращает поворот колец относительно друг друга. Следует понимать, что данная конструкция с выступом/углублением не является критичной и что другие элементы могут быть использованы для предотвращения поворота элементов относительно друг друга.
Расположение элементов комплекта 25 уплотнительных колец с точным сопряжением можно видеть на фиг.4В, на которой первое и второе уплотнительные кольца 44, 46 закрыты вокруг их поверхностей, соответствующих их наружным диаметрам OD5, OD6, поверхностями первого и второго закрывающих колец 40, 42, которые соответствуют их соответствующим внутренним диаметрам ID3, ID4. Данная группа элементов затем размещена между опорным кольцом 36 и упорным кольцом 38. Осевой зазор полного комплекта 25 уплотнительных колец в камере может быть отрегулирован посредством регулировки ширины W1 регулировочного кольца 38. Зазор между отдельными элементами комплекта 25 уплотнительных колец является достаточно малым для удерживания элементов комплекта уплотнительных колец вместе, но при этом достаточно большим для адаптации к тепловому расширению элементов во время эксплуатации. Первый и второй пружинные элементы 45, 47 удерживают первое и второе закрывающие кольца 40, 42 вместе и введенными в контактное взаимодействие вокруг первого и второго уплотнительных колец 44, 46.
Фиг.5А показывает альтернативную конструкцию уплотнительного комплекта 125, которая включает в себя шайбу/регулировочное кольцо 136, упорное кольцо 138, первое и второе уплотнительные кольца 144, 146 и одно закрывающее уплотнительное кольцо 140. Закрывающее уплотнительное кольцо 140 включает в себя окружные углубления для приема первого и второго пружинных элементов 145, 147, которые предназначены для уплотнительных элементов и удерживают закрывающее кольцо 140 введенным в контактное взаимодействие с первым и вторым уплотнительными кольцами 144, 146.
Размеры и эксплуатационные характеристики уплотнительного комплекта 125 по данному варианту осуществления могут быть аналогичными размерам и эксплуатационным характеристикам или такими же, как размеры и эксплуатационные характеристики кольцевого уплотнения 25, описанного в связи с фиг.2-4В. Например, опорное кольцо, упорное кольцо, закрывающее кольцо и первое и второе уплотнительные кольца могут быть изготовлены из таких же материалов, как описанные в связи с предыдущим вариантом осуществления. Кроме того, относительные размеры элементов могут быть аналогичными относительным размерам, описанным в связи с предыдущим вариантом осуществления.
Как можно видеть, в данном варианте осуществления значения ширины W5, W6 первого и второго уплотнительных колец 144, 146 по существу одинаковые. Однако второе уплотнительное кольцо 146 включает в себя периферийную канавку 149, расположенную смежно с первым уплотнительным кольцом 144. Данная периферийная канавка проходит вдоль части окружной периферии второго уплотнительного кольца 146 и уменьшает толщину второго уплотнительного кольца 146 вдоль части ширины W6. Как будет описано более подробно позднее, компенсация давления обеспечивается посредством канавки 149. В частности, газ высокого давления может проходить в канавку 149 через отверстие 151 в первом уплотнительном кольце 144 (см. фиг.5В).
6
Далее рассматривается фиг.6, которая показывает вид в разрезе раскрытого уплотнительного комплекта 25, расположенного в контакте с приведенным в качестве примера поршневым штоком  и частью 60 коробки сальника. Поверхности первого и второго уплотнений 40, 42, соответствующие их внутренним диаметрам ID5, ID6, введены в контактное взаимодействие с наружной поверхностью 7 поршневого штока 6. Показано углубление 9 между опорным кольцом 36, упорным кольцом 38 и первым и вторым закрывающими кольцами 40, 42 и частью 60 коробки сальника. При эксплуатации давление в данном углублении 9 может быть повышено посредством газа. Регулировочное кольцо 5 находится на стороне высокого давления, и упорное кольцо 6 находится на стороне низкого давления. Имеется зазор между регулировочным кольцом 5 и корпусом. Как отмечено ранее, кольцевые уплотнения 25, 125 включают в себя элемент для компенсации давления для уменьшения перепада давлений на первом и втором уплотнительных кольцах 44, 46; 144, 146. За счет уменьшения перепада давлений на первом и втором уплотнительных кольцах 44, 46 мощность, расходуемая на преодоление сопротивления трения во время эксплуатации, уменьшается, что приводит к меньшему тепловыделению и износу при эксплуатации.
6
Как отмечено в связи с вариантом осуществления кольцевого уплотнения 125 по фиг.5А, канавка 149, проходящая на части окружной периферии, выполнена во втором уплотнительном кольце 146. Давление в канавке 149 может быть повышено за счет газа или канавка 149 может быть заполнена газом со стороны высокого давления (то есть, стороны, соседней с первой камерой 20 сжатия), так что эффективная зона уплотнения между кольцевым уплотнением 125 и поршнем 6 представляет собой только очень малую часть второго уплотнительного кольца 146 от канавки 149 до упорного кольца 138. Таким образом, при раскрытой конструкции уплотнительное кольцо 146 прилегает к поршневому штоку  на малой ширине ʺSWʺ, и компенсация давления обеспечивается между наружной стороной 146а и внутренней стороной 146b второго уплотнительного кольца 146. Давление на поверхностях, соответствующих наружному диаметру OD6 и внутреннему диаметру ID6, является одинаковым, поскольку давление в канавке 149 повышено.
Как будет понятно, результирующая уплотняющая сила представляет собой давление на поверхности уплотнения, соответствующей наружному диаметру (давление OD), умноженное на давление подачи за вычетом среднего давления под уплотнением (см. фиг.7А). При уплотнительном устройстве по фиг.5, которое включает в себя зазор 149 между первым и вторым уплотнительными кольцами 144, 146, градиент давления в зазоре 149 между кольцевым уплотнением 125 и поршневым штоком 6 соответствует гиперболической функции (см. фиг.7В). Результирующая радиальная сила, действующая на кольцевое уплотнение 125, создается силой давления на поверхности кольцевого уплотнения, соответствующей наружному диаметру, за вычетом средней силы давления под кольцевым уплотнением. Таким образом, чем выше среднее давление под кольцевым уплотнением, тем меньше радиальная сила.
Когда канавка 149 выполнена во втором уплотнительном кольце 146, давление под уплотнением остается равным постоянному высокому значению вплоть до конца канавки. Таким образом, радиальная сила частично компенсируется, и трение уменьшается. Газ под давлением входит в канавку 149 через отверстие 151 (фиг.5В) первого уплотнительного кольца 144. Тем не менее, как будет понятно, канавка 149 может быть уязвимой по отношению к механическому повреждению. Она также может оказаться заполненной частицами изнашивания во время эксплуатации.
Вариант осуществления, описанный в связи с фиг.2-4В, иллюстрирует элемент для компенсации давления, который не включает в себя канавку в любом из двух уплотнительных колец. Авторы изобретения обнаружили, что изменение ширины первого и второго уплотнительных колец 44, 46 может привести к желательному результату с точки зрения компенсации давления без использования канавки. Таким образом, в варианте осуществления по фиг.2-4В используются сравнительно узкое первое уплотнительное кольцо 44 и сравнительно широкое второе уплотнительное кольцо 46. Сравнительно широкое второе уплотнительное кольцо 46 имеет ширину, равную ширине кольца по предшествующему варианту осуществления, включающему в себя канавку (см. фиг.7С). В результате эффект компенсации давления такой же, как в случае комплекта колец с канавкой.
Помимо элемента для компенсации давления материал первого и второго уплотнительных колец 44, 46 может быть выбран таким, что он будет иметь малый коэффициент трения, что обеспечивает еще большее уменьшение трения. В одном варианте осуществления уплотнительные кольца 44, 46 могут быть изготовлены из материала, представляющего собой модифицированный полиэфирэфиркетон и продаваемого под торговым названием LUVOCOM 1105-8160, Lehmann & Voss & Co., Alsterufer 19, D-20354, Гамбург, Германия. Данный материал способен выдерживать высокие внутренние нагрузки, вызываемые компенсацией давления при высоких давлениях. Кроме того, данный материал обладает высокой стойкостью к загрязнению частицами (воды) вследствие его высокой твердости, что обеспечивает возможность механической обработки уплотнительных колец так, что они будут иметь очень гладкие поверхности.
Фиг.8 иллюстрирует приведенную в качестве примера коробку 24 сальника, которая включает в себя раскрытый комплект 25 уплотнительных колец. Как можно видеть, коробка 24 сальника включает в себя комплект 62 выпускных колец, три комплекта 25 уплотнительных колец и один комплект 64 прерывателей давления. Соединения 66, 68 для подвода газа расположены в коробке 24 сальника и могут быть направлены для подачи газа в выбранные места смежно с одним или более из комплекта 62 выпускных колец, кольцевых уплотнений 25 и комплекта 64 прерывателей давления.
Фиг.9 представляет собой график, иллюстрирующий сравнение мощности, расходуемой на преодоление сопротивления трения в атмосфере азота, между комплектом колец, включающем в себя раскрытое кольцевое уплотнение 25, и обычным комплектом колец. Как можно видеть, мощность, расходуемая на преодоление сопротивления трения и соответствующая обычному комплекту колец, увеличивается до максимума, составляющего приблизительно 2550 ватт, при статическом давлении, составляющем приблизительно 50 бар. При комплекте колец, включающем в себя раскрытое кольцевое уплотнение 25, при статическом давлении, составляющем приблизительно 50 бар, мощность, расходуемая на преодоление сопротивления трения, составляет приблизительно 1000 ватт. Мощность, расходуемая на преодоление сопротивления трения, для комплекта колец, включающего в себя раскрытое кольцевое уплотнение 25, доходит до максимальных значений, составляющих приблизительно 1200 ватт, при статическом давлении, составляющем приблизительно 100 бар. Таким образом, в случае раскрытого кольцевого уплотнения 25 мощность, расходуемая на преодоление сопротивления трения, существенно меньше, чем при обычных уплотнительных устройствах. Это приводит к существенному уменьшению тепловыделения во время эксплуатации и значительно меньшему износу уплотнительных элементов. Для других неокисляющих газов ожидается такое же уменьшение мощности, расходуемой на преодоление сопротивления трения.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было раскрыто со ссылкой на определенные варианты осуществления, многочисленные модификации, возможны изменения и замены в описанных вариантах осуществления, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения. Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение не должно быть ограничено описанными вариантами осуществления, но оно имеет полный объем, определяемый формулировками нижеприведенных пунктов формулы изобретения и их эквивалентов.