КОЛЬЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПОВОРОТНОГО УПЛОТНЕНИЯ МЕЖДУ ДВУМЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
RING SEAL FOR IMPLEMENTATION OF ROTARY SEAL BETWEEN TWO CYLINDRICAL ELEMENTS

Изобретение относится к кольцевому уплотнению, предназначенному для обеспечения уплотнения между двумя цилиндрическими элементами, поворачивающимися относительно друг друга, и к узлу, содержащему такие цилиндрические элементы и такое кольцевое уплотнение.
Во многих случаях необходимо обеспечивать уплотнение между первым цилиндрическим элементом и вторым цилиндрическим элементом, при этом упомянутые цилиндрические элементы по существу являются коаксиальными и установлены с возможностью поворота относительно друг друга.
Например, движитель, известный также как “силовая установка” или под соответствующей аббревиатурой “POD”, содержит цилиндрическую конструкцию и гребной вал. Конструкция соединена с картером. Как правило, предусмотрены также опорные подшипники вала, образующие поворотную связь между гребным валом и конструкцией вокруг оси гребного вала. Для обеспечения смазки опорных подшипников вала установлены кольцевые уплотнения в осевом направлении с каждой стороны от опорных подшипников вала и в радиальном направлении между конструкцией и гребным валом.
Обычно, кольцевое уплотнение, обеспечивающее уплотнение между двумя цилиндрическими элементами, содержит главный корпус и окружную кромку. Главный корпус зажат в гнезде, выполненном в первом цилиндрическом элементе. При этом главный корпус удерживается неподвижно по отношению к первому цилиндрическому элементу. Окружная кромка входит в динамический контакт со вторым цилиндрическим элементом. Главный корпус образует при этом статическое уплотнение с первым цилиндрическим элементом, а окружная кромка образует динамическое уплотнение со вторым цилиндрическим элементом.
Хотя такие кольцевые уплотнения распространены и используются во многих областях применения, они имеют ряд недостатков.
Действительно, когда происходит значительное радиальное смещение цилиндрических элементов относительно друг друга, окружная кромка может отойти в радиальном направлении от второго цилиндрического элемента, в результате чего появляется нарушение герметичности. Например, в случае силовой установки для ледокола при соударении между силовой установкой и ледяным массивом может произойти значительная деформация гребного вала. Эта деформация приводит к радиальному смещению гребного вала по отношению к цилиндрической конструкции. В этом случае может возникнуть утечка в море масла, предназначенного для смазки опорного подшипника вала, или, наоборот, может произойти затопление внутреннего отсека силовой установки.
В связи с этим задачей изобретения является улучшение вращающегося уплотнения между двумя цилиндрическими элементами, в частности, во время сильного радиального смещения цилиндрических элементов относительно друг друга.
Для этого предложено кольцевое уплотнение, содержащее главный корпус, выполненный с возможностью обеспечения уплотнения за счет статического контакта относительно первого цилиндрического элемента, и окружную кромку, выполненную с возможностью взаимодействия за счет трения с цилиндрической поверхностью второго цилиндрического элемента, при этом упомянутые цилиндрические элементы по существу являются коаксиальными и установлены с возможностью поворота относительно друг друга.
Согласно общему отличительному признаку этого кольцевого уплотнения, главный корпус содержит фронтальную поверхность, выполненную с возможностью вхождения в аксиальный контакт с фронтальной поверхностью первого цилиндрического элемента, при этом главный корпус содержит вторую окружную кромку, радиально противоположную первой окружной кромке и выполненную с возможностью вхождения в радиальный контакт с цилиндрической поверхностью первого цилиндрического элемента.
Благодаря выполненной таким образом фронтальной поверхности, вышеупомянутое кольцевое уплотнение может перемещаться в радиальном направлении относительно первого цилиндрического элемента при большом радиальном смещении цилиндрических элементов относительно друг друга. В этом случае первая окружная кромка продолжает обеспечивать уплотнение за счет динамического контакта со вторым цилиндрическим элементом. Вторая окружная кромка обеспечивает уплотнение за счет статического контакта с первым цилиндрическим элементом. Вторая окружная кромка стремится восстановить центровку кольцевого уплотнения, когда радиальное смещение между цилиндрическими элементами относительно друг друга уменьшается.
В частном варианте осуществления упомянутая вторая окружная кромка выполнена с возможностью деформирования в ответ на относительно большие изменения радиального смещения цилиндрических элементов относительно друг друга, а первая окружная кромка выполнена с возможностью деформирования в ответ на относительно небольшие изменения радиального смещения цилиндрических элементов относительно друг друга.
Таким образом, можно контролировать радиальное перемещение кольцевого уплотнения относительно первого цилиндрического элемента, чтобы оно происходило только в случае большого радиального смещения цилиндрических элементов относительно друг друга.
Кроме того, можно предусмотреть первый соединительный участок первой окружной кромки с главным корпусом и второй соединительный участок второй окружной кромки с главным корпусом, при этом первый соединительный участок и второй соединительный участок являются по существу аксиально смежными относительно друг друга.
Предпочтительно по меньшей мере один из первого и второго соединительных участков является аксиально смежным относительно фронтальной поверхности главного корпуса. В настоящей заявке, какими бы ни были два объекта, говоря о двух объектах, под выражением «по существу аксиально смежный» следует понимать, что оба объекта смещены в осевом направлении на величину смещения, составляющую менее 20% ширины кольцевого уплотнения в его осевом направлении.
Предпочтительно первый соединительный участок имеет толщину в осевом направлении, меньшую, чем толщина второго соединительного участка в осевом направлении.
В варианте осуществления уплотнение выполнено из полиуретана.
Можно также предусмотреть, чтобы фронтальная поверхность главного корпуса была выполнена из политетрафторэтилена.
Благодаря такому выполнению соединительных участков и использованию таких материалов, можно прогнозировать усилия трения, появляющиеся между кольцевым уплотнением и цилиндрическими элементами, а также радиальные усилия, создаваемые окружной кромкой. При этом кольцевое уплотнение можно выполнить таким образом, чтобы заставить работать конкретную окружную кромку при определенных значениях радиального смещения цилиндрических элементов относительно друг друга.
Предпочтительно главный корпус содержит выемку, проходящую в осевом направлении внутрь от фронтальной поверхности, и контактное кольцо, расположенное в упомянутой выемке.
Это позволяет легко выполнить главный корпус, содержащий контактную поверхность из материала со свойствами, отличными от материала кольцевого уплотнения. При этом выполняют уплотнение, имеющее материал, предусмотренный для аксиального контакта, и материал, предусмотренный для радиальных контактов.
В изобретении предложен также узел, содержащий первый цилиндрический элемент и по существу коаксиальный с ним второй цилиндрический элемент, установленный с возможностью поворота относительно первого цилиндрического элемента, при этом первый цилиндрический элемент содержит первую цилиндрическую поверхность и фронтальную поверхность, второй цилиндрический элемент содержит вторую цилиндрическую поверхность, при этом упомянутый узел содержит первое уплотнение типа описанного выше уплотнения.
В варианте осуществления первый цилиндрический элемент представляет собой цилиндрическую конструкцию силовой установки для морского транспортного средства, второй цилиндрический элемент является гребным валом силовой установки, при этом упомянутый второй цилиндрический элемент расположен радиально внутри упомянутого первого цилиндрического элемента.
Кроме того, можно предусмотреть второе уплотнение и третье уплотнение типа описанного выше уплотнения, при этом упомянутый узел содержит дренажное пространство, аксиально ограниченное первым уплотнением и вторым уплотнением, и буферное пространство, аксиально ограниченное вторым уплотнением и третьим уплотнением.
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид в радиальном разрезе узла согласно примеру осуществления изобретения.
Фиг. 2 - вид в осевом разрезе узла, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 - частичный вид в разрезе уплотнения, показанного на фиг. 2.
На фиг. 1 схематично представлен узел 2. Узел 2 включен в силовую установку (не показана), которая может быть установлена на морском транспортном средстве, таком как судно, подводная лодка или плавучая нефтяная платформа. Однако изобретение не ограничивается этими вариантами применения. В частности, не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть использование такого узла в силовой установке, в установке, использующей энергию приливов и отливов, или в гидроэлектрической генерирующей установке.
Узел 2 содержит цилиндрическую конструкцию 4, соединенную с картером (не показан) силовой установки. На фиг. 1-3 показана связанная с конструкцией 4 векторная ортонормальная база 6. База состоит из вектора , вектора  и вектора .
Конструкция 4 является в основном цилиндрической относительно оси 8 цилиндричности. Ось проходит параллельно вектору . Внутри конструкции 4 выполнено отверстие 9. Отверстие 9 является цилиндрическим вокруг оси 8.
Кроме того, узел 2 содержит гребной вал 10. Вал неподвижно соединен с гребным винтом (не показан) силовой установки. Вал 10 установлен внутри отверстия 9. Вал 10 имеет цилиндрическую форму. Вал 10 расположен относительно конструкции 4 таким образом, что ось цилиндричности вала 10 совпадает с осью 8, как в конфигурации, представленной на фиг. 1. Вместе с тем, в различных ситуациях работы силовой установки деформации вала 10 могут привести к радиальному смещению между осью цилиндричности вала 10 и осью 8. Если только не указано иное, понятия «осевой» и «радиальный» следует понимать относительно оси 8.
Вал 10 механически соединен с конструкцией 4 через поворотную связь вокруг оси 8. Для приведения во вращение вала 10 относительно конструкции 4 предусмотрена электрическая машина (не показана), содержащая ротор, неподвижно соединенный с валом 10, и статор, неподвижно соединенный с конструкцией 4. Для обеспечения направления в поворотной связи вала 10 относительно конструкции 4 предусмотрен вращающийся опорный подшипник 12. Опорный подшипник 12 может быть подшипником трения, например, содержащим вкладыши, или подшипником качения, таким как шарикоподшипник, роликоподшипник или конический подшипник. Хотя показан только один опорный подшипник 12, понятно, что для обеспечения механической связи между конструкцией 4 и валом 10 можно предусмотреть и другие вращающиеся опорные подшипники. Опорный подшипник 12 смазывается гидравлической текучей средой, такой как масло или консистентная смазка.
14
Вал 10 ограничен в радиальном направлении поверхностью 14. Поверхность 14 является цилиндрической с окружным основанием вокруг оси цилиндричности вала 10 (которая совпадает с осью 8 на фиг. 1) и имеет диаметр d.
Конструкция 4 предназначена для погружения в морскую воду. Как будет более подробно описано ниже, узел 2 содержит средства для обеспечения вращающегося уплотнения между конструкцией 4 и валом 10. В частности, уплотнение выполняют, чтобы избегать утечки гидравлической текучей среды, смазывающей опорный подшипник 12, наружу узла 2, и чтобы избегать попадания морской воды внутрь отверстия 9.
Конструкция 4 ограничена в осевом направлении концевой фронтальной поверхностью 16. В осевом направлении между поверхностью 16 и опорным подшипником 12 находится гнездо 18. В гнезде 18 установлено техническое уплотнение 20. В данном случае уплотнение 20 является накачиваемым уплотнением. Уплотнение 20 накачивают, когда осуществляют техническое обслуживание узла 2. Для этого уплотнение 20 выполнено с возможностью обеспечения статического уплотнения относительно поверхности 14 вала 10, когда она находится в накачанном состоянии.
Узел 2 содержит буферное пространство 22, расположенное в осевом направлении между гнездом 18 и опорным подшипником 12. Буферное пространство 22 сообщается по текучей среде с наружным пространством узла 2 через канал 24. Благодаря каналу 24, буферное пространство 22 может быть заполнено буферной текучей средой (не показана). Буферная среда обеспечивает защиту в случае отказа средств, реализующих вращающееся уплотнение узла 2.
Узел 2 содержит дренажное пространство 26, расположенное в осевом направлении между буферным пространством 22 и опорным подшипником 12. Дренажное пространство 26 сообщается по текучей среде с наружным  пространством узла 2 через канал 28. Канал 28 позволяет удалять текучую среду, проникшую в дренажное пространство 26 при отказе средств, реализующих вращающееся уплотнение узла 2.
Дренажное пространство 26 расположено в осевом направлении между первым кольцевым уплотнением 30 и вторым кольцевым уплотнением 32. Буферное пространство 22 расположено в осевом направлении между вторым кольцевым уплотнением 32 и третьим кольцевым уплотнением 34. Уплотнения 30, 32 и 34 являются по существу идентичными. Уплотнения 30, 32 и 34 являются коаксиальными относительно оси 8. Уплотнение 32 детально показано на фиг. 2 и 3. Уплотнения 30, 32 и 34 главным образом выполнены из полиуретана.
38
14
Конструкция 4 содержит три гнезда 36, соответственно предусмотренные для установки уплотнений 30, 32 и 34. В частности, каждое гнездо 36 ограничено в радиальном направлении цилиндрической поверхностью 38 с окружным основанием вокруг оси 8, диаметр d которого превышает диаметр d. Каждое гнездо 36 ограничено в осевом направлении заплечиком 40, проходящим радиально внутрь от поверхности 38. Каждый заплечик 40 расположен в осевом направлении между аксиальными фронтальными поверхностями (не показаны).
Хотя в представленном примере средства реализации вращающегося уплотнения предусмотрены только с одной стороны от опорного подшипника 12, не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть идентичные средства, включенные в осевом направлении с другой стороны от опорного подшипника 12.
На фиг. 2 и 3 уплотнение 32 показано в нерабочем положении. Размеры уплотнения 32 на фигурах не являются ограничительными. Кроме того, форма уплотнения 32 может меняться под действием давления контакта поверхностей 14 и 38 и давлений, создаваемых текучими средами, по отношению к которым обеспечивают герметичность.
Уплотнение 32 содержит главный корпус 42. Главный корпус 42 расположен радиально снаружи относительно остальной части уплотнения 32. На фиг. 3 пунктирной линией 44 показана внутренняя радиальная граница главного корпуса 42.
Главный корпус 42 ограничен в осевом направлении дистальной поверхностью 46 и фронтальной проксимальной поверхностью 48. На уровне проксимальной поверхности 48 главный корпус 42 содержит кольцо 50 из политетрафторэтилена. Кольцо 50 установлено в выемке (не показана), выполненной в осевом направлении внутрь корпуса 42 от поверхности 48. Кольцо 50 не обязательно ограничено в радиальном направлении границей 44. В примере, представленном на фиг. 3, кольцо 50 продолжено в радиальном направлении внутрь от границы 44. Для осуществления уплотнения 32 главный корпус 42 можно выполнить посредством совместного литья на кольце 50. В альтернативном варианте кольцо 50 может быть посажено в выемку, выполненную в главном корпусе 42 на уровне проксимальной поверхности 48.
Как показано на фиг. 1 и 3, уплотнение 30, 32 и 34 упираются в осевом направлении своей проксимальной поверхностью 48 в фронтальную поверхность заплечика 40 их соответствующего гнезда 36. В частности, уплотнение 30 входит в контакт своей проксимальной поверхностью 48 со смежной фронтальной поверхностью опорного подшипника 12 заплечика 40. Уплотнения 32 и 34 входят в контакт своей соответствующей проксимальной поверхностью 48 с противоположной фронтальной поверхностью опорного подшипника 12 соответствующего заплечика 40. Иначе говоря, как показано на фиг. 1, уплотнение 30 расположено симметрично с уплотнениями 32 и 34 по отношению к плоскости, перпендикулярной к оси 8.
Как показано на фиг. 2 и 3, давление текучей среды, в данном случае буферной текучей среды, когда речь идет о кольцевом уплотнении 32, действует на дистальную поверхность 46 в направлении вектора  и в сторону, противоположную к направлению вектора . В результате возникает давление аксиального контакта между проксимальной поверхностью 48 уплотнения 32 и фронтальной поверхностью заплечика 40.
63
63
38
Кольцевое уплотнение 32 содержит наружную окружную кромку 52. Кромка 52 выполнена, начиная от главного корпуса 42, радиально наружу. Кромка 52 соединена с внутренним радиальным участком (не показан) главного корпуса 42 через соединительный участок 54. Граница между кромкой 52 и соединительным участком 54 схематично показана пунктирной линией 56. Граница между соединительным участком 54 и внутренним участком главного корпуса 42 схематично показана пунктирной линией 58. Кромка 52 проходит в наклонном направлении, образующем угол α с направлением оси 8. Деформация кромки 52 позволяет изменять угол α. Когда кромка 52 не деформирована от контакта поверхности 62 с поверхностью 38, она ограничена в радиальном направлении наружным окружным ребром 63, имеющим диаметр d. Диаметр d превышает диаметр d.
Кромка 52 ограничена в направлении своей ширины внутренней поверхностью 60 и наружной поверхностью 62. Как показано на фиг. 1 и 3, наружная поверхность 62 кромки 52 входит в контакт с поверхностью 38. Та же текучая среда, которая действует давлением на поверхность 46, в данном случае буферная текучая среда, если речь идет об уплотнении 32, действует давлением на поверхность 60, которая стремится отвести кромку 52 от внутреннего участка главного корпуса 42. В результате возникает давление радиального контакта между поверхностью 62 кромки 52 и поверхностью 38 конструкции 4.
71
71
14
Кольцевое уплотнение 32 содержит внутреннюю окружную кромку 64, выполненную, начиная от главного корпуса 42, радиально внутрь. Кромка 64 соединена с главным корпусом 42 через соединительный участок 65. Пунктирная линия 44 ограничивает главный корпус 42 от соединительного участка 65. Граница между кромкой 64 и соединительным участком 65 схематично показана пунктирной линией 66. Кромка 64 проходит в наклонном направлении, образующем угол β с направлением оси 8, при этом угол β может меняться в результате деформаций кромки 64. Когда кромка 64 не деформируется, она ограничена в радиальном направлении внутренним окружным ребром 71, имеющим диаметр d. Диаметр d меньше диаметра d.
В направлении своей ширины кромка 64 ограничена наружной цилиндрической поверхностью 68 и внутренней цилиндрической поверхностью 70. Как показано на фиг. 1 и 3, внутренняя поверхность 70 кромки 64 входит в контакт с поверхностью 14. Как и в случае кромки 52, буферная текучая среда действует давлением на поверхность 68, которая стремится отвести кромку 64 от главного корпуса 42, создавая таким образом давление радиального контакта между поверхностью 70 кромки 64 и поверхностью 14 вала 10.
На фиг. 3 буквой а обозначена ширина соединительного участка 54 в осевом направлении. Буквой b обозначена ширина соединительного участка 65 в осевом направлении. В частности, обозначения а и b соответствуют минимальным толщинам в осевом направлении участка 54 и участка 65 соответственно. Буквой с обозначена ширина уплотнения 32 в осевом направлении. Обозначение d отображает расстояние в радиальном направлении между окружными ребрами 63 и 71.
В представленном примере размеры а, b и d отвечают следующим отношениям:
, где
, где .
Кроме того, предпочтительно размер с по существу равен наибольшей длине кромок 52 и 64, в данном случае кромки 52.
В представленном примере в нерабочем положении уплотнение 32 имеет следующие размеры:
a=5 мм; b=8.4 мм; c=25 мм и d=55.5 мм.
Благодаря выбору таких размеров, можно проверять, какая из двух кромок 52 и 64 деформируется в ответ на радиальное смещение цилиндрического вала 10 относительно конструкции 4 в зависимости от значения этого радиального смещения. В данном случае при выбранных размерах и материалах внутренняя кромка 64 деформируется, когда радиальное смещение вала 10 относительно конструкции 4 меньше 0,5 мм. Кромка 52 деформируется при радиальном смещении вала 10 относительно конструкции 4, превышающем 0,5 мм. Кроме того, с учетом выбора размера d контактные поверхности 48 и 62 являются достаточно широкими, чтобы создавать усилие сцепления с главным корпусом 42, превышающее усилие трения, создаваемое валом 10 на кромке 64. Таким образом, уплотнение 32 статично удерживается относительно конструкции 4 в типовых интервалах скорости силовой установки без необходимости применения дополнительного устройства для удержания уплотнения 32, связанного во вращении с конструкцией 4.
Таким образом, уплотнение 32 обеспечивает своим главным корпусом 42 уплотнение за счет статического контакта с конструкцией 4 и своей внутренней окружной кромкой 64 уплотнение за счет динамического контакта с валом.
Когда происходит деформация вала 10, смещающая вал 10 в радиальном направлении относительно конструкции 4, внутренняя кромка 64 деформируется, когда радиальное смещение является небольшим, и наружная кромка 52 деформируется, когда радиальное смещение является большим. Таким образом, главный корпус 42 смещается в радиальном направлении, когда происходит большое радиальное смещение вала 10 относительно конструкции 4. Уплотнение, реализуемое кольцевым уплотнением 32, продолжает обеспечиваться, несмотря на большое радиальное смещение. Сжатая кромка 52 стабилизирует уплотнение 32 в его гнезде 36. Когда вал 10 восстанавливает свою первоначальную форму, то есть когда радиальное смещение стремится уменьшиться, наружная кромка 52 действует на главный корпус 42 упругим усилием, которое стремится восстановить центровку уплотнения 32 вокруг оси 8.
В версии варианта осуществления окружная кромка 64 содержит кольцевой паз (не показан), выполненный радиально внутрь кромки 64 от поверхности 68. В кольцевом пазу устанавливают запорное кольцо (не показано), которое можно выполнить из эластичного материала. В такой версии варианта осуществления деформацию окружной кромки 64 контролируют за счет ширины соединительного участка и за счет упругости и размеров запорного кольца.
С учетом вышеизложенного изобретение позволяет получить улучшенную герметичность по отношению к текучей среде между двумя цилиндрическими элементами, поворачивающимися относительно друг друга, в частности, в случае деформации одного из цилиндрических элементов, приводящей к радиальному смещению одного цилиндрического элемента относительно другого.