УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ САЛЬНИКА ШТОКА

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к уплотнительной технике и, в частности к сальникам штоков поршневых компрессоров высокого давления, работающих 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, 2014, [1]). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог [1] содержит по крайней мере одну сальниковую камеру, содержащую уплотнительные кольца и опорное кольцо. При этом опорное кольцо прилегает к одному из уплотнительных колец.
У аналога [1] в сальниковой камере установлено два уплотнительных кольца. Каждое кольцо выполнено разрезным и стянуто браслетной пружиной.
Также известен сальник с плоскими уплотнительными элементами (интернет-ресурс http://enqineerinqsystems.ru/trudi-mezhdunarodnoy-nauchno-tehnichekoykonferencii-po-kompressorostroyeniyu/analiz-raboti-shtoka.php.15.01.2016, 15:33, [2]). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог [2] содержит камеры с уплотнительными элементами. В торцевых расточках уплотнительных элементов установлены опорные кольца с диаметральным зазором относительно уплотнительных элементов и штока.
У аналога [2] уплотнительные элементы содержат разрезные замыкающее кольцо и уплотняющее кольцо. Каждое из колец охватывается по окружности браслетной пружиной, производящей предварительное уплотнение между кольцом сальника и штоком.
Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого технического решения, является быстрый износ и разрушение уплотнительных элементов сальника штока при больших перепадах давления. Известно, что перепады давления по камерам сальников неодинаковы. Наибольший перепад давлений обычно возникает в камере, расположенной первой от уплотняемой полости цилиндра. Во второй и следующих камерах он значительно меньше, а изменение давления за время цикла в этих камерах последовательно уменьшается, приближаясь в последних камерах к постоянному, мало изменяющемуся за время цикла. У ступеней высокого давления значительный перепад давления происходит не только в первой, но и в последней камере (Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования. Ленинград, «Машиностроение», 1969 г., стр. 414, [3]).
При больших перепадах давления разрезные кольца аналогов [1] и [2] быстро изнашиваются. При прямом ходе поршня газ из рабочей полости цилиндра проникает в торцевые зазоры между уплотнительным кольцом и стенками камеры, а также через кольцевой зазор между уплотнительным кольцом и штоком, и заполняет камеры сальника. При этом в камере, расположенной первой от уплотняемой полости цилиндра, давление газа приближается к давлению газа в рабочей полости цилиндра. При обратном ходе поршня, происходит обратный переход газа из камеры сальника в полость цилиндра, что приводит к перекладке (вибрации) уплотнительных элементов сальника. При таких условиях происходит деформация и износ частей колец. Разрезные кольца не выдерживают нагрузки от перепада давления. Это препятствует решению технической проблемы.
Раскрытие сущности заявляемого технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является повышение прочности уплотнительного элемента сальника штока, что обеспечивает работоспособность его при высоких перепадах давления.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что уплотнительный элемент сальника штока содержит по меньшей мере одну камеру, в которой размещено уплотнительное кольцо, на первом торце которого выполнена первая расточка. При этом в первой расточке установлено первое опорное кольцо. Отличается тем, что
- уплотнительное кольцо выполнено неразрезным и занимает максимально возможную часть осевой высоты расточки в камере;
- на втором торце уплотнительного кольца выполнена вторая расточка, в которой установлено второе опорное кольцо.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата «повышение прочности уплотнительного элемента сальника штока, что обеспечивает работоспособность его при высоких перепадах давления».
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Первое и второе опорные кольца преимущественно выполнены неразрезными.
На внутренней поверхности уплотнительного кольца желательно выполнена канавка.
Уплотнительное кольцо предпочтительно выполнено из самосмазывающегося материала.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показан чертеж уплотнительного элемента сальника штока, на фиг. 2 - выполнение уплотнительного кольца.
Осуществление технического решения.
В зависимости от перепада давления на сальник заявляемый уплотнительный элемент (фиг. 1) в разном количестве применяют со стороны входа газа в сальник. Такое размещение определяется тем, что на первые уплотнительные элементы, если рассматривать по ходу движения газа, действуют более высокие перепады давления, чем на последующие уплотнительные элементы. Кроме того, заявляемый уплотнительный элемент устанавливают в числе последних элементов сальника в том случае, когда на выходе из сальника остается высокий перепад давления. Это присуще, например, циркуляционным компрессорам. Остальные уплотнительные элементы сальника применяют исходя из традиционных конструкций.
Уплотнительный элемент сальника штока содержит по крайней мере одну камеру (1), в которой размещено уплотнительное кольцо (2), первое опорное кольцо (3) и второе опорное кольцо (4).
Уплотнительное кольцо (2) выполнено неразрезным и занимает максимально возможную часть осевой высоты расточки в камере (1). За счет того, что уплотнительное кольцо (2) выполнено неразрезным повышается прочность уплотнительного элемента сальника и обеспечивается его работоспособность при больших перепадах давления. Осевая высота неразрезного кольца достаточна для того, чтобы выдержать большой перепад давления, например, до 20-25 МПа. Уплотнительное кольцо (2) выполнено из самосмазывающегося материала и установлено с минимально - допустимым зазором по отношению к штоку.
На внутренней поверхности неразрезного уплотнительного кольца (2) выполнена канавка (5). В компрессорах со смазкой цилиндров и сальников штоков в канавке (5) накапливается масло. В компрессорах без смазки цилиндров и сальников штоков в канавке (5) собираются продукты износа деталей сальника. Кроме того, канавка (5), как элемент лабиринтного уплотнения, увеличивает герметичность сальника.
На первом и втором торцах неразрезного кольца (2) выполнены соответственно первая и вторая расточки.
Первое и второе опорные кольца (3, 4) выполнены неразрезными и установлены в расточках уплотнительного кольца (2). Опорные кольца (3, 4) выполняют роль противоэкструзионных колец. Каждое опорное кольцо (3, 4) установлено с минимальным зазором по наружному диаметру и с гарантированным зазором между внутренним диаметром кольца и штоком. При этом размер зазора между внутренним диаметром каждого опорного кольца (3, 4) и штоком больше зазора между диаметром расточки и наружным диаметром каждого опорного кольца (3, 4).
Опорные кольца (3, 4) выполнены из материала, более прочного, чем материал уплотнительного кольца (2). Опорные кольца (3, 4) могут быть выполнены, например, из текстолита Ш. В компрессорах со смазкой и с ограниченной смазкой опорные кольца выполняют, например, из бронзы.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Камера (1) выполнена из нержавеющей стали или бронзы.
Пример 2. Осевая высота уплотнительного кольца (2) зависит от усилия, вызванного перепадом давления на уплотнительный элемент. Например, при диаметре штока 32 мм, осевая высота уплотнительного кольца (2) составляет 18 мм.
Пример 3. Уплотнительное кольцо (2) выполнено из материала на основе фторлона - 4, например, флубона - 20 или флубона ДМ-2.
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами.
Описание работы.
В поршневом компрессоре часть газа, сжатого в полости цилиндра со стороны коленчатого вала, в виде утечки стремится преодолеть сопротивление сальника, проходя через его проточную часть. В камере (1) сальника газ протекает через торцевые зазоры между уплотнительным кольцом (2) и стенками камеры (1), а также через кольцевой зазор между уплотнительным кольцом (2) и штоком. Наибольшее давление газа наблюдается в камере (1), расположенной первой от полости сжатия. По мере удаления камеры (1) от полости сжатия давление газа в ней снижается. Иногда значительный перепад давления приходится на последнюю камеру, что характерно для циркуляционных компрессоров.
В период расширения газа из мертвого пространства и всасывания в полость цилиндра, давление в ней может быть меньше, чем давление в первых камерах сальника. В этом случае может наблюдаться подсос газа из сальника в полость цилиндра, что сопровождается перекладкой (вибрацией) уплотнительных колец. Таким образом резко меняется направление перепада давления.
При работе сальника уплотнительное кольцо (2) испытывает радиальную нагрузку, вызванную разностью давлений между давлением на нагруженную поверхность кольца (2) и давлением в зазоре между кольцом (2) и штоком. Также на уплотнительное кольцо (2) действует осевая нагрузка, связанная с разностью давлений, действующих на торцевые поверхности кольца (2).
Благодаря тому, что уплотнительное кольцо (2) не имеет радиальных разрезов, сила, действующая по радиусу, от кольца (2) на шток не передается.
Поскольку на обеих торцевых плоскостях уплотнительного кольца (2) размещены опорные кольца (3, 4) экструзия уплотнительного кольца (2) в зазор между камерой (1) и штоком не происходит. При этом уплотняющие качества сальникового уплотнения сохраняются.
Промышленная применимость.
Заявляемое 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.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Уплотнительное устройство высокого давления компрессора [текст]: пат. 143449 Рос. Федерация: МПК F16J 15/00/ Ворошилов И.В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Краснодарский Компрессорный завод». - №2013138325/06; заявл. 19.08.2013; опубл. 20.07.2014, Бюл. №20.
2. Исследование работы уплотнений штока поршневого компрессора [интернет-ресурс]/ http://enaineeringsystems.ru/trudi-mezhdunarodnoy-nauchno-tehnicheskoy-konferencii-po-kompressorostroyeniyu/analiz-raboti-shtoka.php, 15.01.2016, 15:33.
3. Френкель M.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования [Текст]/М.И. Френкель; 3-е изд. Ленинград, «Машиностроение», 1969 г. - 744 стр. +3 вкладки. Табл. 78. Илл. 470.