МЕХАНИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ УЗЛОМ УПЛОТНЕНИЯ
MECHANICAL SEAL WITH IMPROVED SEAL ASSEMBLY

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к механическому уплотнению для обеспечения гидравлического уплотнения между вращающимися и неподвижными компонентами. Механическое уплотнение разработано, в частности, - но не исключительно, для использования в гидравлических насосах, таких как шламонасосы, где механическое уплотнение установлено между вращающимся приводным валом и кожухом насоса, и описание заявки приводится в этом контексте. Вместе с тем, следует понять, что такое механическое уплотнение может иметь более широкое применение, а не ограничивается этим использованием.
Предшествующий уровень техники
Механические уплотнения использовались для обеспечения гидравлического уплотнения между вращающимся валом и камерой, содержащей жидкость. Как таковые, механические уплотнения находят применение в насосах, где приводной вал установленного снаружи электродвигателя насоса проходит сквозь кожух насоса, приводя в движение крыльчатку насоса. В таком применении механическое уплотнение обычно находится там, где вращающийся вал входит в кожух или выходит из него, и посажено в кожух и на вращающийся вал для обеспечения уплотнения между этими компонентами.
Такие механические уплотнения в общем случае содержат некоторые компоненты, которые вращаются вместе с валом (или другой вращающейся частью оборудования, на которую посажено уплотнение), и те компоненты, которые посажены на неподвижные части оборудования. На поверхности раздела между этими вращающимися и неподвижными компонентами находятся контактирующие уплотнительные поверхности, одна из них - вращающаяся, а другая - неподвижная. Эти уплотнительные поверхности противоположны друг к другу и расположены с возможностью принудительного введения в контакт для образования гидравлического уплотнения между собой.
В прошлом при использовании механических уплотнений встречались проблемы в некоторых приложениях, связанных с перекачкой, в частности - в шахтных шламонасосах, поскольку шлам создает в насосах жесткие внешние условия, прикладывается высокая нагрузка, воздействующая на компоненты насосов во время запуска и эксплуатации, и существует необходимость непрерывной работы насосов в течение длительных периодов времени. Соответственно, есть насущная потребность в совершенствовании механического уплотнения для повышения его пригодности к приложениям, связанным с перекачкой.
Сущность изобретения
В первом аспекте, предложены варианты осуществления механического уплотнения, предназначенного для создания уплотнения между вращающимся валом и корпусом, причем механическое уплотнение содержит: противоположные первый и второй уплотнительные элементы, каждый из которых имеет кольцевую уплотнительную поверхность, окружающую вал, причем первый уплотнительный элемент выполнен с возможностью создания уплотнения для вращающегося вала, а второй уплотнительный элемент выполнен с возможностью создания уплотнения для корпуса, при этом уплотнительные поверхности выполнены с возможностью нахождения в скользящем контакте и принудительного сведения для образования уплотнения между собой; и установочный узел, выполненный с возможностью закрепления одного из уплотнительных элементов в требуемом положении относительно опорной структуры механического уплотнения, при этом установочный узел включает в себя опору, выполненную с возможностью передачи крутящего момента между опорной структурой и одним уплотнительным элементом, причем эта опора выполнена с возможностью деформации под воздействием нагрузки, вследствие чего происходит распределение нагрузки крутящего момента на одном уплотнительном элементе.
Когда это механическое уплотнение используется в насосе, опора установочного узла способствует защите уплотнительных элементов, в частности, в фазе запуска насоса. При запуске крутящий момент, прикладываемый приводным валом, должен преодолеть сопротивление статического трения, которое существует на контактирующих уплотнительных поверхностях 22, 24, чтобы обеспечить перемещение первого (вращающегося) уплотнительного элемента относительно второго (неподвижного) уплотнительного элемента. Это фрикционное сопротивление может быть большим, и поэтому силы, индуцируемые на уплотнительных элементах, могут быть большими. Опора гарантирует лучшее восприятие этих сил одним упругим элементом за счет обеспечения поглощения части нагрузки опорой посредством деформации, так что опора действует как демпфер для уплотнения. Дополнительное преимущество опоры состоит в том, что она обеспечивает некоторую упругость вблизи поверхности раздела уплотнения, тем самым придавая одному уплотнительному элементу некоторую способность регулирования и перемещения во время эксплуатации, что способствует поддержанию этих поверхностей в контакте.
В одной форме, опора включает в себя основную часть и стопорное ребро, которое вступает из основной части. В конкретном варианте осуществления, стопорное ребро зажато таким образом, что крепит один уплотнительный элемент в требуемом положении.
Во втором аспекте, предложены варианты осуществления механического уплотнения, предназначенного для создания уплотнения между вращающимся валом и корпусом, причем механическое уплотнение содержит: противоположные первый и второй уплотнительные элементы, каждый из которых имеет кольцевую уплотнительную поверхность, окружающую вал, причем первый уплотнительный элемент выполнен с возможностью создания уплотнения для вращающегося вала, а второй уплотнительный элемент выполнен с возможностью создания уплотнения для корпуса, при этом уплотнительные поверхности выполнены с возможностью принудительного введения в контакт для образования уплотнения между собой; и установочный узел, выполненный с возможностью закрепления одного из уплотнительных элементов в требуемом положении относительно опорной структуры механического уплотнения, при этом установочный узел включает в себя опору, имеющую основание, прикрепленное к одному уплотнительному элементу, и стопорное ребро, которое выступает из основания, причем это стопорное ребро прижато к опорной структуре, обеспечивая передачу крутящего момента между одним уплотнительным элементом и этой опорной структурой.
В одной форме, соответствующей любому из вышеописанных аспектов, ребро выступает в плоскость, которая, по существу, параллельна уплотнительной поверхности одного уплотнительного элемента.
Преимущество ребра, соответствующего второму аспекту, заключается в том, что нагрузка крутящего момента равномернее распределяется вокруг уплотнительного элемента, потому что поверхность контакта проходит вдоль прижатого ребра, которое может проходить вокруг одного уплотнительного элемента. В предшествующих системах передача крутящего момента происходила за счет механических крепежных деталей, таких как болты, которые обуславливают концентрации механических напряжений в уплотнительном элементе на поверхностях контакта между болтом и этим уплотнительным элементом.
В одной форме, установочный узел дополнительно содержит удерживающую деталь, которая выполнена с возможностью устраняемого зажима стопорного ребра для крепления одного уплотнительного элемента в нужное положение. Кроме того, в конкретном варианте осуществления, установочный узел дополнительно содержит упорную поверхность, которая выполнена с возможностью предотвращения осевого перемещения одного уплотнительного элемента относительно оси вращения вращающегося вала. В конкретной форме, упорные поверхности образуют часть удерживающей детали.
В одной форме, один уплотнительный элемент включает в себя выемку, в которой посажена опора.
В конкретном варианте осуществления, опора выполнена в форме упругого кольца, которое прикреплено к одному уплотнительному элементу. В одной форме, опора выполнена из вязкоупругого материала, а в конкретном варианте осуществления сцеплена с одним уплотнительным элементом. В одной форме, опора сцеплена посредством процесса вулканизации с одним уплотнительным элементом.
В третьем аспекте, предложены варианты осуществления механического уплотнения, предназначенного для создания уплотнения между вращающимся валом и корпусом, причем механическое уплотнение содержит: противоположные первый и второй уплотнительные элементы, каждый из которых имеет кольцевую уплотнительную поверхность, окружающую вал, причем первый уплотнительный элемент выполнен с возможностью создания уплотнения для вращающейся части, а второй уплотнительный элемент выполнен с возможностью создания уплотнения для корпуса, при этом уплотнительные поверхности выполнены с возможностью принудительного введения в контакт для образования уплотнения между собой; и установочный узел, выполненный с возможностью закрепления одного из уплотнительных элементов в требуемом положении относительно опорной структуры механического уплотнения, при этом установочный узел включает в себя упругое кольцо, которое сцеплено с одним уплотнительным элементом и соединено с опорной структурой, обеспечивая передачу крутящего момента между одним уплотнительным элементом и этой опорной структурой.
Кольцо согласно третьему аспекту предлагаемого решения может включать в себя признаки упругого кольца, описанные выше применительно к первому или второму аспектам изобретения.
В одной форме в любом из первого, второго или третьего аспектов, один уплотнительный элемент выполнен из керамического материала. В конкретном варианте осуществления, установочный узел обеспечивает установку первого уплотнительного элемента на вращающийся вал. Таким образом, установочный узел имеет возможность реагировать на передачу крутящего момента, прикладываемого со стороны приводного вала, на первый уплотнительный элемент.
В конкретном варианте осуществления, уплотнение, содержащее второй установочный узел, выполнено с возможностью крепления другого из уплотнительных элементов в требуемом положении относительно второй опорной структуры механического уплотнения. Этот второй установочный узел может включать в себя любой из признаков, описанных выше применительно к установочному узлу согласно первому, второму или третьему аспектам изобретения.
В четвертом аспекте, предложены варианты осуществления узла уплотнения, предназначенного для механического уплотнения, причем этот узел содержит уплотнительный элемент, имеющий кольцевую уплотнительную поверхность и опору, которая сцеплена с уплотнительным элементом.
В конкретном варианте, узел уплотнения предназначен для использования в механическом уплотнении, соответствующем любой форме из описанных выше применительно к первому, второму или третьему аспектам изобретения. В частности, в одной форме опора выполнена из упругого кольца, сцепленного с уплотнительным элементом. В одной форме, опора выполнена из вязкоупругого материала. В конкретной компоновке, опора сцеплена посредством процесса вулканизации с, по меньшей мере, одним уплотнительным элементом. В одной форме, опора включает в себя основную часть и стопорное ребро, которое вступает из основной части, причем стопорное ребро выполнено с возможностью зажатия, зажато таким образом, что крепит упомянутый один уплотнительный элемент по месту в механическом уплотнении.
В дополнительном аспекте, предложены варианты осуществления насоса, включающего в себя кожух насоса, имеющий отверстие, приводной вал, который проходит сквозь это отверстие, и механическое уплотнение, соответствующее любой из форм, описанных выше применительно к любой форме из описанных выше применительно к первому, второму или третьему аспектам изобретения, обеспечивающей гидравлическое уплотнение между кожухом и приводным валом, причем вращающийся вал механического уплотнения установлен на приводной вал, а корпус механического уплотнения установлен в кожух насоса.
Краткое описание чертежей
Далее описаны варианты осуществления механического уплотнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлено перспективное изображение (с удаленной четвертью сечения) механического уплотнения;
на фиг. 2 представлен вид сбоку механического уплотнения согласно фиг. 1;
на фиг. 3 представлено перспективное изображение с пространственным разделением деталей компонентов механического уплотнения согласно фиг. 1;
на фиг. 4 представлено схематическое изображение механического уплотнения согласно фиг. 1, соединенного с кожухом насоса и приводным валом;
на фиг. 5 представлено перспективное изображение (с удаленной четвертью сечения) механического уплотнения в еще одном варианте осуществления, который аналогичен варианту осуществления согласно фиг. 1;
на фиг. 6 представлен вид сбоку механического уплотнения согласно фиг. 5;
на фиг. 6а представлено перспективное изображение части механического уплотнения согласно фиг. 6;
на фиг. 7 представлен вид сбоку механического уплотнения согласно фиг. 5; и
на фиг. 7а представлено перспективное изображение части механического уплотнения согласно фиг. 7.
Подробное описание конкретных вариантов осуществления
Обращаясь к чертежам, отмечаем, что на фиг. 1 изображено механическое уплотнение 10, которое предназначено для использования при обеспечении уплотнительной поверхности раздела между вращающимся и неподвижным компонентами. В широком смысле механическое уплотнение 10 включает в себя неподвижную часть или корпус 12 в форме фланца в основном кольцевой формы или кольца 31 и вращающуюся часть, которая выполнена в основном в форме втулки 14 вала, которая проходит сквозь корпус 12 и выполнена с возможностью вращения вокруг оси CL. Имеются различные компоненты, которые соединяют вращающуюся и неподвижную части и будут теперь описаны.
Для образования гидравлического уплотнения между неподвижным кольцевым фланцем 31 и вращающейся втулкой 14 вала предусмотрена пара уплотнительных элементов в форме цельных колец 16, 18. При эксплуатации кольца 16, 18 установлены на соответствующих опорных структурах уплотнения 10. В показанном варианте осуществления, одно из уплотнительных колец - 16 - вращается и крепится к втулке 14 вала, а другое уплотнительное кольцо 18 остается неподвижным, будучи посаженным в неподвижный корпус 12 посредством опорного узла 20 (компоненты которого будут описаны вкратце). Каждое из уплотнительных колец 16, 18 включает в себя соответствующую кольцевую уплотнительную поверхность (22, 24), причем эти поверхности при эксплуатации находятся друг против друга и являются отшлифованными. Уплотнительные поверхности 22, 24 расположены с возможностью принудительного введения в контакт друг с другом для образования гидравлического уплотнения между собой, как будет описано.
Механическое уплотнение 10 в соответствии с вышеуказанной формой пригодно для использования в центробежном насосе (например, как показано на фиг. 4). Механическое уплотнение 10 обеспечивает гидравлический барьер между кожухом 100 насоса и вращающимся приводным валом 102, который оснащен втулкой 14 вала. Во втулке 14 вала заключен вращающийся приводной вал 102 (и она вращается вместе с ним), который соединяет приводной электродвигатель (не показан) с крыльчаткой насоса (не показана), которая находится внутри насосной камеры насоса. Кожух 100 насоса прикручен к корпусу 12 механического уплотнения 10 посредством винтов, которые установлены в принимающие отверстия 13. Вращающийся приводной вал 102 установлен посредством болтов, заклепок или винтов 92, которые введены в принимающие отверстия 15, для крепления его к втулке 14 вращающегося вала механического уплотнения 10.
Втулка 14 вращающегося вала механического уплотнения 10 в типичном случае выполнена из такого материала, как подвергнутая механической обработке нержавеющая сталь (например, AISI 316). Втулка 14 вала включает в себя приводную шайбу 26, установленную на задний конец 27 втулки 14 вала, которая находится на наружной стороне неподвижного корпуса 12 и кожуха 100 насоса и вне любого контакта с жидкостью внутри насоса. Втулка 14 вала также включает в себя вращающееся уплотнительное кольцо 16 на противоположном (переднем) конце 29 втулки 14 вала, которое находится у области механического уплотнения 10, которая находится в контакте с жидкостью внутри насоса. Уплотнительное кольцо 16 находится на внешней поверхности 33 втулки 14 вала и ориентировано таким образом, что его соответствующая уплотнительная поверхность 22 обращена назад к заднему концу 27 втулки 14 вала. Уплотнительное кольцо 16 (которое в типичном случае выполнено из керамики, такой как карбид кремния, или твердого металлического материала, такого как карбид вольфрама) соединено с втулкой 14 вала посредством установочного узла, включающего в себя установочную опору в форме эластомерной муфты 28, и хомут 30, который зажат вокруг уплотнительного кольца 16 и прижимает его к втулке 14 вала с помощью винтового средства 25. Функция и назначение установочного узла будут подробнее описаны ниже.
Опорный узел 20 находится между втулкой 14 вала и корпусом 12 и выполнен «плавающим» (это значит, что он не жестко крепится либо к корпусу 12, либо к втулке 14 вала). Опорный узел 20 имеет многочисленные функции, позволяющие:
- поддерживать неподвижное уплотнительное кольцо 18;
- обеспечивать отклоняющую силу для уплотнительного кольца 18, чтобы вводить его в контакт с вращающимся уплотнительным кольцом 16;
- обеспечивать гидравлический барьер между корпусом 12 и уплотнительным кольцом 18; когда насос снабжен гидравлическим барьером, этот гидравлический барьер, образованный опорным узлом 20, становится внутренней поверхностью насосной камеры; и
- поддерживать втулку 14 вращающегося вала относительно неподвижного кольцевого фланца 31, образующего корпус 12.
Чтобы обеспечить выполнение этих разных функций, опорный узел 20 содержит:
- основную часть в форме кольцевой ступицы 40, которая посажена внутри кольцевого фланца 31 корпуса 12 и вокруг втулки 14 вала, и окружающего цилиндра или гильзы 32, которая выступает из ступицы 40, проходит вокруг втулки 14 вала и отстоит от нее;
- подвижную часть в форме кругового фланцевого выступа 34; и
- отклоняющее устройство в форме эластомерного кольца 36, расположенного между гильзой 32 и подвижным фланцевым выступом 34.
Подвижный фланцевый выступ 34 имеет неподвижное уплотнительное кольцо 18 механического уплотнения, посаженное на его передний конец посредством второго установочного узла, который включает в себя вторую опору в форме эластомерной муфты 38. Упругое эластомерное кольцо 36 выполнено с возможностью воздействия отклоняющей силой на подвижный фланцевый выступ 34, приводя уплотнительное кольцо 18 в движение относительно окружающей гильзы 32 основной части и вводя это кольцо в непосредственный тесный контакт с вращающимся уплотнительным кольцом 16.
И кольцевой фланец 31, и ступица 40 в типичном случае выполнены из подвергнутой механической обработке стали, такой как подвергнутая механической обработке нержавеющая сталь (например, AISI 316). Ступица 40 включает в себя центральное отверстие 42, сквозь которое проходит втулка 14 вала с поддержанием небольшого расстояния D окружного зазора вокруг нее. Внутренняя поверхность 44 ступицы 40 включает в себя подшипник 46, который проходит через расстояние D зазора и на котором вращается втулка 14 вала. В иллюстрируемой форме, подшипник 46 выполнен как углеродное контактное кольцо прямоугольного поперечного сечения.
Внешняя окружная поверхность 48 ступицы 40 находится в скользящем контакте с внутренней окружной поверхностью 50 кольцевого фланца 31 корпуса 12, вследствие чего между ними образуется соединение. Чтобы уменьшить трение между этим поверхностями, во внешней поверхности 48 ступицы 40 проделана кольцевая канавка 52. В малой окружной канавке, находящейся на внутренней поверхности 50 кольцевого фланца 31, также расположено уплотнительное кольцо 54 круглого поперечного сечения, которое находится между контактирующими поверхностями 48, 50, для обеспечения вспомогательного гидравлического уплотнения между ними.
По передней поверхности кольцевого фланца 31 проходит эластомерный башмак 56, накрывая кольцевой фланец 31 частично, а ступицу 40 - полностью, включая накрытие соединения между этими компонентами 31, 40, и препятствуя проникновению жидкости между внутренней поверхностью 50 кольцевого фланца 31 и внешней поверхностью 48 ступицы 40. Этот башмак 56 обеспечивает основное уплотнение, препятствуя просачиванию жидкости и порошка на стороне механического уплотнения 10, которая находится в контакте с жидкостью внутри насоса, но не накладывая необязательные ограничения на природу скольжения в контакте между ступицей 40 и кольцевым фланцем 31.
Особенностью механического уплотнения 10 является то, что контактирующие поверхности 48, 50 ступицы 40 и кольцевой фланец 31 являются аркообразными, а точнее внешняя поверхность 48 ступицы является частично сферической, образуя шаровой шарнир или шаровое шарнирное соединение между ступицей и частью кольцевого фланца 31 корпуса 12. Это позволяет опорному узлу 20 и втулке 14 вращающегося вала «плавать» и наклоняться относительно неподвижного корпуса 12, так что ось вращения приводного вала 102 и втулки 14 вала можно перемещать во всех направлениях из положения выравнивания с центральной осью CL отверстия 42 ступицы 40. Фактически, шаровой шарнир, который образован между ступицей 40 и кольцевым фланцем 31 в механическом уплотнении 10, может компенсировать относительно большое угловое отклонение между этими двумя осями (порядок величины которого достигает 5°-10°). Это выгодно, поскольку позволяет сажать механическое уплотнение 10 на оборудование, в котором вращающийся вал не выровнен с кожухом оборудования, который соединен с кольцевым фланцем 31 (посредством винтов в принимающих отверстиях 13). Кроме того, и это важно, такая способность компенсировать это угловое отклонение может быть достигнута без необходимости предусматривать какое бы то ни было последующее рассогласование уплотнительных поверхностей 22, 24 соответствующих уплотнительных колец 16, 18 и утечку жидкости по ним.
Гильза 32 опорного узла 20 поддерживается ступицей 40 и выступает из нее. Гильза 32, которая в типичном случае выполнена из стали, такой как нержавеющая сталь, окружает втулку 14 вращающегося вала, но отстоит от нее, и обеспечивает посадочное место для внутренней окружной поверхности эластомерного кольца 36. В иллюстрируемой форме, эластомерное кольцо 36 выполнено из эластомерного материала, такого как полимерный эластомер. Кольцо 36 проходит вокруг внешней поверхности 60 гильзы 32 и сцеплено с гильзой 32, предпочтительно, посредством процесса вулканизации, образуя прочное соединение, которое является гидравлически непроницаемым.
Фланцевый выступ 34 (который соединен с неподвижным уплотнительным кольцом 18) выполнен как кольцо, которое имеет L-образную форму в поперечном сечении и имеет внутреннюю поверхность 64, которая посажена поверх внешней окружной поверхности эластомерного кольца 36 и сцеплена с ней, предпочтительно - опять посредством процесса вулканизации для обеспечения между этими элементами соединения, которое является и прочным, и непроницаемым для жидкости. Фланцевый выступ 34 в типичном случае выполнен из металла, такого как нержавеющая сталь, и наряду с другими деталями подвижной части опорного узла 20 проходит вокруг втулки 14 вращающегося вала, но отстоит от нее. Таким образом, фланцевый выступ 34 полностью опирается на эластомерное кольцо 36.
Упругое, эластомерное кольцо 36 не только поддерживает подвижную часть (фланцевый выступ 34) опорного узла 20, но и выполнено с возможностью принудительного перемещения этой части вперед (т.е. к концу 29 вала), поддерживая в контакте уплотнительные поверхности 22, 24 соответствующих уплотнительных колец 16, 18. Это достигается путем предварительного нагружения эластомерного кольца 36 за счет перемещения и/или позиционирования фланцевого выступа 34 относительно гильзы 32 таким образом, что обеспечивается деформация эластомерного кольца 36 и придание растяжения этому кольцу с последующим поддержанием этих компонентов в таком положении (то есть эластомерное кольцо 36 оказывается растянутым за счет перемещения фланцевого выступа 34 назад к заднему концу 27 вала). Таким образом, это растяжение создает отклоняющую силу на уплотнительном кольце 18, принудительно отводя его вперед к внешнему уплотнительному кольцу 16 и поддерживая закрытым промежуток между ними. Структура эластомерного кольца 36 обеспечивает равномерное приложение отклоняющей силы к уплотнительному кольцу 18 и вокруг оси вращения втулки 14 вращающегося вала и вращающегося уплотнительного кольца 16.
Величина предварительной нагрузки, прикладываемой к эластомерному кольцу 36, зависит от величины осевого перемещения фланцевого выступа 34 относительно гильзы 32. Когда втулка 14 вала перемещается относительно ступицы 40 (и поэтому может перемещаться в осевом направлении вдоль приводного вала 102), это осевое перемещение должно быть ограничено для поддержания предварительной нагрузки в эластомерном кольце 36. Это достигается путем использования Т-образных установочных язычков 66, которые установлены на ступицу 40 и снимаются при установке механического уплотнения 10. Установочные язычки 66, как правило, прикреплены к ступице 40 болтами или винтами и выполнены с возможностью анкерного крепления вокруг приводной шайбы 26 для фиксации осевого положения ступицы 40 на втулке 14 вала. В иллюстрируемой форме, установочные язычки 66 выполнены с возможностью упираться в приводную шайбу 26. Когда установочные язычки установлены на своем месте, эластомерное кольцо 36 остается в состоянии предварительного нагружения, потому что опорный узел 20 не может проходить в осевом направлении вдоль вала (что привело бы устранению растяжения в эластомерном кольце 36), поскольку он ограничен в осевом направлении между передним вращающимся уплотнительным кольцом 16 и приводной шайбой 26 на заднем конце вала.
Конструкция опорного узла 20 с эластомерным уплотнительным кольцом 36, расположенным между гильзой 32 и фланцевым выступом 34, обеспечивает компоновку, при которой сила, прикладываемая к неподвижному уплотнительному кольцу 18, концентрична и равномерна вокруг оси CL вращения втулки 14 вращающегося вала.
Опорный узел 20 обеспечивает гидравлический барьер для механического уплотнения 10, которое проходит от неподвижного уплотнительного кольца 18 до кольцевого фланца 31 корпуса 12 и фактически становится внутренней стенкой корпуса насоса. Таким образом, уплотнительное кольцо 36 подвергается воздействию жидкости в насосе 100 во время его эксплуатации. Кольцо 36 образует неотъемлемую часть этого непроницаемого для жидкости барьера (содержащего цельное уплотнительное кольцо 36, которое также сцеплено с гильзой 32 и фланцевым выступом 34).
Задняя поверхность 70 уплотнительного кольца 36 находится в контакте с жидкостью внутри насоса, потому что жидкость способна проникать в пространство между концом фланцевого выступа 34 и башмаком 56. Тогда это гарантирует ситуацию, в которой давление жидкости в насосе способствует отклонению фланцевого выступа 34 опорного узла 20 вперед в направлении конца 29, тем самым внося вклад в отклоняющую силу, которая поддерживает в контакте кольцевые уплотнительные поверхности 22, 24. Увеличение давления жидкости внутри насосной камеры может увеличить отклоняющую силу. Эта дополнительная отклоняющая сила противодействует, по меньшей мере, до некоторой степени, силе, которая прикладывается посредством давления жидкости в соединении уплотнительных колец 16, 18 и проявляет тенденцию к принудительному разделению этих элементов. А если так, то механическое уплотнение 10 способно эффективно работать при различных давлениях жидкости. Это выгодно в приложениях, связанных с перекачкой, где давление жидкости может значительно флуктуировать от запуска насоса до тех пор, пока он окажется работающим с полной нагрузкой.
Как упоминалось выше, каждое из уплотнительных колец 16, 18 удерживается на месте посредством установочных узлов. Эти установочные узлы включают в себя эластомерные муфты 28, 38, которые предназначены для компенсации нагрузок крутящих моментов, упорные поверхности 94, 96, у которых находятся уплотнительные кольца 16, 18 и которые ограничивают осевое перемещение уплотнительных колец 16, 18, и хомуты 30, 82, которые зажимают соответствующие эластомерные втулки 28, 38. Кроме того, один из хомутов - 30 - включает в себя упорную поверхность 94, а другой хомут 82 предназначен для удержания уплотнительного кольца 18 у упорной поверхности 96.
В иллюстрируемой форме, уплотнительные кольца 16, 18 (которые в типичном случае являются керамическими) имеют вырезанную часть или выемку на задней поверхности (поверхности, противоположной их кольцевым уплотнительным поверхностям 22, 24). Каждая из эластомерных муфт 28, 38 имеет основную часть (72, 74, соответственно), которая установлена в этой выемке и, как правило, сцеплена по месту посредством процесса вулканизации. Эластомерные муфты 28, 38 также включают в себя реберные части 76, 78, которые проходят наружу от оснований 72, 74 за соответствующие уплотнительные кольца 16, 18, на которые они посажены, и находятся в плоскости, параллельной соответствующим кольцевым уплотнительным поверхностям 22, 24. Эти реберные части 76, 78 при эксплуатации зажаты с возможностью высвобождения, удерживая на месте закрепленные уплотнительные кольца 16, 18. В частности, вращающееся уплотнительное кольцо 16 удерживается удерживающей деталью в форме хомута 30, прижимающего реберную часть 76 к передней поверхности 23 втулки 14 вала. Можно также предусмотреть уплотнительное кольцо 80 круглого поперечного сечения, чтобы обеспечить водонепроницаемый барьер между хомутом 30 и уплотнительным кольцом 16. Хомут 30 включает в себя упорную поверхность 94 на внутренней поверхности и упирается в заднюю поверхность уплотнительного кольца 16, предотвращая осевое перемещение уплотнительного кольца 16 от другого уплотнительного кольца 18. Неподвижное уплотнительное кольцо 18 удерживается удерживающей деталью в форме хомута 82, который зажимает реберную часть 78 на переднюю поверхность 85 фланцевого выступа 34. Кроме того, уплотнительное кольцо 18 зажато в положении, где его задняя поверхность упирается в упорную поверхность 96, которая образована на внешней поверхности фланцевого выступа 34.
Зажатые эластомерные втулки 28, 38 выполнены в форме упругих колец и предназначены для компенсации крутящего момента и способствуют защите уплотнительных колец 16, 18, в частности, в фазе запуска при эксплуатации насоса. При запуске крутящий момент, прикладываемый приводным валом 102, должен преодолеть сопротивление статического трения, которое существует на контактирующих уплотнительных поверхностях 22, 24, чтобы обеспечить перемещение вращающегося уплотнительного кольца 16 относительно неподвижного уплотнительного кольца 18. Это фрикционное сопротивление может быть большим, и поэтому силы, индуцируемые на уплотнительных кольцах 16, 18, могут быть большими. Эластомерные муфт 28, 38 дают уплотнительным кольцам 16, 18 возможность лучше приспосабливаться к этим силам за счет гарантии передачи крутящего момента и его распределения по уплотнительным кольцам 16, 18 (ввиду находящейся в непрерывном контакте поверхности между хомутами 30, 82 и реберными частями 76, 78 эластомерных муфт 28, 30), а также за счет обеспечения поглощения эластомерными муфтами 28, 30 части нагрузок посредством деформации, тем самым действуя как демпфер для механического уплотнения 10. Дополнительное преимущество эластомерной муфты 28, 30 состоит в том, что она обеспечивает некоторую упругость вблизи поверхности раздела уплотнения, тем самым придавая уплотнительным кольцам 16, 18 некоторую способность регулирования и перемещения во время эксплуатации, что способствует поддержанию уплотнительных поверхностей 22, 24 в контакте. Для муфт 28, 30 и для любых других эластомерных деталей, о которых идет речь в этом описании, материалом, из которого их изготавливают, может быть вязкоупругий материал, такой как полимерный эластомер, или натуральный либо синтетический каучук, либо резиновая смесь, либо специальная смесь для резиновых изделий (например, марки Viton). В дополнительных вариантах осуществления, эластомерные муфты 28, 30 могут присутствовать в форме нескольких, возможно - прерывистых, аркообразных сегментов, прикрепленных к соответствующему уплотнительному кольцу 16, 18, а не в форме цельного кольца.
В иллюстрируемой форме, хомут 82 имеет переднюю поверхность 84, которая включает в себя радиально проходящие ребра 86. Эти ребра предназначены для того, чтобы способствовать турбулентному течению в окрестности уплотнительных колец 16, 18, которое способствует охлаждению уплотнительных колец 16, 18 за счет отвода фрикционного тепла, вырабатываемого в их общей окрестности при эксплуатации. Чтобы дополнительно способствовать созданию этого турбулентного течения, на передней поверхности башмака 56 профилированы дополнительные ребра 88. В ходе экспериментальных испытаний обнаружено, что турбулентное течение оказывается достаточным для охлаждения механического уплотнения 10, особенно - в окрестности уплотнительных колец 16, 18, и устраняет потребность в системе быстрого охлаждения, встраиваемой в механическое уплотнение 10. Это обеспечивает значительное преимущество, как в смысле упрощения конструкции, так и в смысле снижения затрат на текущую эксплуатацию.
При использовании механическое уплотнение 10 оснащается отклоняющим устройством в форме эластомерного кольца 36, которое предварительно нагружено. Механическое уплотнение 10 посажено в насос 100 посредством размещения втулки 14 вала на приводном валу 102 насоса 100. Кольцевой фланец 31 выполнен с возможностью наклона на ступице 40 механического уплотнения 10, если это потребуется, так что кольцевой фланец 31 выравнивается с кожухом насоса. Затем механическое уплотнение 10 крепят в требуемом положении, прикручивая кольцевой фланец 31 к кожуху болтами 90, которые находятся в принимающих отверстиях 13. Втулку 14 вала сажают на приводной вал 102 и крепят болтами, заклепками или винтами 92, которые проходят сквозь принимающие отверстия 15 в приводной шайбе 26 и врезаются в приводной вал 102. Сразу же после крепления в требуемом положении можно снять установочные язычки, и это гарантирует, что между приводной шайбой 26 и ступицей 40 окажется адекватный проходной зазор и что различные компоненты опорного узла 20 будут надлежащим образом растянуты и окажутся в контакте. Теперь механическое уплотнение 10 находится на своем месте, а насос готов к работе.
В дополнительном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, механическое уплотнение 10A во всех отношениях является таким же, как механическое уплотнение 10, показанное на фиг. 1 - фиг. 4, и для простоты аналогичные детали обозначены теми же позициями с добавлением буквы «А». Основным различие между механическими уплотнениями 10, 10A является наличие системы 97 быстрого охлаждения в механическом уплотнении 10A. Система 97 быстрого охлаждения включает в себя канал 98, который образует внутреннюю магистраль, проходящую сквозь кольцевой фланец 31A неподвижного корпуса 12A и ступицу 40A. Канал 98 выполнен для возможного введения охлаждающей воды в камеру уплотнения, которая находится между втулкой 14 вала и различными компонентами опорного узла, а также с возможностью выбрасывания любого порошка, который попал в камеру уплотнения при эксплуатации. Также предусмотрен второй канал (не показан), который образует внутреннюю магистраль, аналогичную каналу 98, но отстоит на некоторый угол относительно оси CL от канала 98 и обеспечивает выпускной канал для охлаждающей воды, вводимой в камеру уплотнения через канал 98.
Обращаясь к фиг. 6, 6a, 7 и 7a в связи с механическим уплотнением 10A, отметим, что здесь подробнее показаны эластомерные муфты 28A, 38A. На фиг. 6 и 6a эластомерная муфта 28A показана на несколько более подробном перспективном изображении, когда она сцеплена с уплотнительным кольцом 16A. На фиг.7 и 7a эластомерная муфта 38A на несколько более подробном перспективном изображении, когда она сцеплена с уплотнительным кольцом 18A.
Соответственно, обеспечивается механическое уплотнение, которое идеально подходит для насосов. Это уплотнение имеет простую конструкцию и способно работать при флуктуациях давления жидкости, обеспечивая равномерную отклоняющую силу на уплотнительных поверхностях для поддержания этих уплотнительных поверхностей в контакте. Механическое уплотнение не требует отдельного быстрого охлаждения, чтобы охладить уплотнительные поверхности (хотя в некоторых вариантах осуществления оно - по выбору - возможно), и выполнено с возможностью посадки на приводные валы, которые не выровнены с кожухом насоса.
В нижеследующей формуле изобретения и предшествующем кратком изложении существа изобретения, за исключением случаев, когда контекст требует иного для выражения формулировки или обязательного условия, слово «содержащий(ая, ое, ие)» употребляется в смысле «включающий(ая, ое, ие) в себя», то есть указываемые признаки могут быть связаны с дополнительными признаками в различных вариантах осуществления изобретения.
В вышеизложенном описании предпочтительных вариантов осуществления, ссылки на конкретную технологию приводились для ясности. Однако не следует считать изобретение ограничивающимся конкретными выбранными терминами, и нужно понять, что каждый конкретный термин распространяется на все технические эквиваленты, которые работают аналогичным образом, способствуя достижению аналогичной технической цели. Такие термины, как «передний(ая, ое)» и «задний(ая, ое)», «внутренний(ая, ое)» и «внешний(ая, ое)», «выше» и «ниже», и т.п., употребляются как слова для удобства обеспечения мест, на которые делаются ссылки, а не должны считаться ограничивающими терминами.
Ссылка в этом описании на любую публикацию известного технического решения (или извлеченную из нее информацию), или на любую известную тему, не представляет собой и не должна восприниматься как подтверждение или допущение или любая форма предположения того, что эта публикация известного технического решения (или извлеченная из нее информация) или известная тема образует часть общих обычных знаний в интересующей области техники, к которой относится это описание.
Наконец, следует понять, что в различные конструкции и компоновки деталей можно внести различные изменения, модификации и/или дополнения, находящиеся в рамках объема притязаний или существа изобретения.