Металлическое пружинное уплотнительное кольцо для фланцевых кольцевых уплотнительных устройств стыков воздуховодов с перепуском воздуха
METAL SPRING O-RING FOR FLANGE ANNULAR SEALING DEVICES OF AIR DUCT JOINTS WITH AIR BYPASS

Предлагаемое изобретение относится к уплотнительным устройствам для неподвижных фланцевых соединений и может быть использовано в пневмосистемах в различных областях техники, в том числе авиационной, в частности для уплотнения стыков воздухозаборных устройств с входными устройствами воздушно-реактивных двигателей различных типов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является уплотнительное устройство стыков воздуховодов с перепуском воздуха, патент на полезную модель №131441 от 30.01.2013 г.
Данное уплотнительное устройство содержит два фланца, установленное между фланцами уплотнительное металлическое кольцо, установленное на заходной части второго фланца с минимальным зазором, уплотнение стыка осуществляется по сплошной стенке кольца, перепуск воздуха обеспечивается следующим образом:
- в сплошной стенке кольца выполнены плоские вырезы, размеры и количество которых определяется заданным расходом перепускаемого воздуха;
- в сплошной стенке выполнены прорези с отогнутыми поверхностями, размеры, количество и угол наклона которых определяются заданным расходом перепускаемой среды.
Общим существенным признаком прототипа, совпадающим с существенным признаком предлагаемого металлического пружинного уплотнительного кольца для фланцевого кольцевого уплотнительного устройства стыков воздуховодов с перепуском воздуха (далее - уплотнительное кольцо) является то, что уплотнительное кольцо расположено в зоне торцевой поверхности первого фланца, опирается на заходную часть второго фланца, уплотнение стыка осуществляется по сплошной стенке кольца, уплотнительное кольцо имеет прорези для перепуска воздуха.
Особенностью фланцевого уплотнительного устройства - прототипа является то, что для фланцевых соединений с жестким закреплением второго фланца для закрепления крышки устройства требуется вначале установить металлическое кольцо с крышкой на заходную часть второго фланца, затем вдвинуть заходную часть второго фланца во внутреннее уширение первого фланца и после этого закрепить крышку на первом фланце. При этом для закрепления крышки устройства на первом фланце требуется открытое пространство для подхода к винтам крепления крышки к первому фланцу по всему периметру крышки. По этой причине данное устройство практически не может быть использовано для стыков фланцев, в которых из-за конструктивных особенностей второго фланца затруднен или отсутствует подход к винтам крепления крышки устройства к первому фланцу. Например, для стыков воздухозаборника с входным устройством турбореактивного двигателя, в котором агрегаты управления двигателем расположены по периметру второго фланца. Для обеспечения собираемости и точности установки крышки устройства требуется совместная разделка отверстий в первом фланце и крышке, или применение взаимноотстыкованной оснастки, что усложняет процесс изготовления устройства. Кроме этого, при определенных обстоятельствах, возможно заклинивание металлического кольца в пазу между торцом первого фланца и крышкой.
Предлагаемым изобретением решается техническая задача обеспечения заданной герметичности неподвижных и подвижных фланцевых радиальных соединений с ограниченным пространством между фланцами, повышение надежности работы, упрощение конструкции и процесса сборки устройства.
Для решения данной технической задачи уплотнительное кольцо имеет малую толщину, закреплено на торцевой поверхности первого фланца с помощью прижимной шайбы и винтов, уплотнение стыка осуществляется по стенке кольца, при этом перепуск воздуха осуществляется через радиальные сквозные прорези. Эти же прорези образуют на кольце предварительно отогнутые лепестки, причем внутренний диаметр предварительно отогнутых лепестков меньше наружного диаметра заходной части второго фланца. При стыковке фланцев предварительно отогнутые лепестки уплотнительного металлического кольца отгибаются заходной частью второго фланца и опираются на заходную часть второго фланца после завершения монтажа стыка воздуховодов, обеспечивая герметичность стыка фланцев.
Отличительным признаком предлагаемого уплотнительного кольца является то, что уплотнительное металлическое кольцо закреплено на торцевой поверхности первого фланца через прижимную шайбу с помощью винтов, в сплошной стенке кольца имеются радиальные сквозные прорези, образующие отгибаемые лепестки, при этом отгибаемые лепестки предварительно отогнуты в сторону наружного диаметра кольца, а внутренний диаметр по предварительно отогнутым лепесткам меньше наружного диаметра заходной части второго фланца уплотнительного устройства, в котором применяется уплотнительное кольцо.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков достигаются следующие технические результаты - обеспечения заданной герметичности неподвижных и подвижных фланцевых радиальных соединений с ограниченным пространством между фланцами, повышение надежности работы, упрощение конструкции и процесса сборки устройства.
Данное техническое решение может найти применение в качестве уплотнительного устройства, при стыковке воздуховодов с различными агрегатами или между собой, при стыковке воздушно-реактивных двигателей с воздухозаборными устройствами, например, в беспилотных летательных аппаратах.
Предлагаемое уплотнительное кольцо и пример его применения во фланцевом кольцевом уплотнительном устройстве стыков воздуховодов с перепуском воздуха (далее - уплотнительное устройство) представлено на фиг. 1…6.
Изображенное на фиг. 1…4 уплотнительное кольцо 1 выполнено из тонколистовых высокопрочных материалов типа пружинная сталь или высокопрочная латунь. В уплотнительном кольце 1 выполнены сквозные радиальные прорези 2, образующие лепестки 3 и сквозные отверстия 4 для крепления уплотнительного кольца к торцевой поверхности первого фланца уплотнительного устройства. Для облегчения стыковки фланцев уплотнительного устройства лепестки 3 уплотнительного кольца предварительно отогнуты. При этом внутренний диаметр по предварительно отогнутым лепесткам меньше наружного диаметра заходной части второго фланца уплотнительного устройства, в котором применяется уплотнительное кольцо: d<D (см. фиг. 3 и фиг. 5).
На фиг. 1 показан вид на уплотнительное кольцо спереди.
На фиг. 2 показан выносной элемент А в увеличенном масштабе.
На фиг. 3 показано продольное сечение Б-Б (выносной элемент А) по лепестку 3 уплотнительного металлического кольца 1.
На фиг. 4 показано продольное сечение В-В (выносной элемент А) по прорези 2 уплотнительного кольца 1.
На фиг. 5 и фиг. 6 показан пример применения уплотнительного кольца в уплотнительном устройстве.
Уплотнительное кольцо в составе уплотнительного устройства работает следующим образом:
Уплотнительное кольцо 1, с предварительно отогнутыми лепестками 3 на угол Ω, крепится к торцевой поверхности первого фланца через прижимное кольцо винтами, законтренными контровочной проволокой и пломбой (см. фиг. 5). Так как уплотнительное кольцо по толщине выполняется достаточно тонким, прижимное кольцо не позволяет металлическому уплотнительному кольцу 1 деформироваться, например, «выходить» из своей плоскости при стыковке фланцев - когда заходная часть второго фланца входит в уширение первого фланца.
При стыковке фланцев заходная часть первого фланца заходит в уширение второго фланца, при этом лепестки 3 уплотнительного кольца 1 отгибаются и опираются на заходную часть второго фланца, обеспечивая герметичность стыка воздуховодов. Предварительный отгиб лепестков 3 на угол Ω служит для уменьшения осевого усилия на второй фланец при стыковке фланцев - когда заходная часть второго фланца входит в уширение первого фланца.
Перепуск воздуха с заданным коэффициентом перепуска происходит через прорези 2 в уплотнительном кольце 1 (см. фиг. 6).
Отгибание лепестков 3 происходит в зоне упругих деформаций материала уплотнительного кольца 1, чем обеспечивается герметичность стыка воздуховодов по лепесткам кольца.
Ниже приведена методика расчета металлического уплотнительного кольца 5 в составе фланцевого кольцевого уплотнительного устройства стыков воздуховодов с перепуском воздуха.
Фланцевое кольцевое уплотнительное устройство стыков воздуховодов с перепуском воздуха должно обеспечивать выполнение следующих требований:
1) Уплотнение должно сохранять работоспособность при длительной эксплуатации.
2) Уплотнение должно сохранять работоспособность при многократном снятии и установке агрегата, для которого требуется уплотнение.
3) Для обеспечения сборки уплотнение должно обеспечивать минимально достаточное усилие обжатия корпуса агрегата и иметь незначительный коэффициент трения при движении по корпусу агрегата.
Для выполнения указанных выше требований необходимо:
1) Изготавливать кольцевое уплотнение из высокопрочных материалов типа пружинная сталь или высокопрочная латунь.
д
2) Для сохранения работоспособности при длительной эксплуатации напряжения в расчетном сечении уплотняющих элементов не должны превышать уровня релаксации напряжений (~0,5σ).
Предлагается следующая методика расчета элементов конструкции кольцевого уплотнителя.
1) Из компоновочных и конструктивных ограничений выбирается вылет L (см. фиг. 3) лепестков уплотнителя.
2) Из конструктивных ограничений выбирается ширина лепестков уплотнения В (см. фиг. 2). Чем меньше радиус корпуса агрегата, для которого требуется уплотнение, тем меньше должна быть ширина лепестка для обеспечения плотного прилегания к нему.
3) Количество уплотняющих лепестков определяется коэффициентом перепуска воздуха.
0
4) Из конструктивных и компоновочных ограничений (с учетом результатов определения размеров по пунктам 1-3) задается величина упругого прогиба уплотняющего лепестка f.
В первом приближении прогиб и потребное для него усилие Р можно определить по формуле прогиба консольной балки:
Здесь: Е - модуль упругости материала уплотняющего лепестка;
В - ширина лепестка;
δ - толщина лепестка;
L - вылет лепестка (консоль лепестка).
Подставив [3] в [2] получим:
Изгибающий момент М в расчетном сечении лепестка (в заделке):
Напряжения в расчетном сечении лепестка :
2
Здесь: W=ВН/6 - момент сопротивления изгибу расчетного сечения.
Подставив [4] в [6] и ограничив действующие напряжения допускаемыми (см. п. 2 требований данной методики) получим уравнение с одним неизвестным, толщиной уплотняющего лепестка:
Толщина лепестка δ:
Подставив [8] в [4] определяем усилие прижима уплотняющего элемента к корпусу агрегата:
0
Если в результате расчета значение усилие прижима Р не обеспечивает надежное уплотнение, расчет повторяют, изменяя заданные параметры (f, В, L).