УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в различных устройствах, функционирующих при высоких давлениях и температурах рабочих сред. В качестве таких сред могут использоваться легкие газы (например, водород и гелий) с рабочими температурами до 2000 K и давлениями до 10 тыс. атм. Как показывает практика, одной из причин снижения надежности и долговечности работы различных устройств в указанных условиях является недостаточная герметичность и термостойкость узлов уплотнения соединяемых деталей. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкций узлов уплотнений неподвижных соединений является актуальной задачей.
Известны конструкции узлов уплотнений неподвижных соединений, работающих при высоких температурах и давлениях, которые, как правило, снабжены уплотнительными элементами - прокладки, кольца различной формы (плоские, круглые, рифленые, манжетного типа), и изготавливаются из различных материалов (паронит, фторопласт, медь, сталь и др.).
Одним из примеров конструкций уплотнительных устройств с уплотнительными элементами является узел уплотнения неподвижных соединений (патент №2197662 от 27.01.2003), в котором сальниковый уплотнительный элемент выполнен в форме усеченного конуса и состоит из двух конических элементов, между которыми расположено сальниковое уплотнение. При сборке узла уплотнения, в процессе сжатия соединяемых деталей уплотнение изменяет свою форму, обеспечивая герметизацию узла уплотнения.
Недостатком указанного узла уплотнения является сложность уплотнительного элемента и конфигурации полостей для его установки. При этом, вследствие большого числа сопрягаемых поверхностей, могут возникать трудности в обеспечении их контакта и, следовательно, герметичности.
В узле уплотнения (см. статью Ю.Ф. Христенко «К проблеме повышения живучести двухступенчатых баллистических установок» // Прикладная механика и техническая физика, №6, Т. 41, 2000. С. 153-160) в качестве уплотнительного элемента использовано кольцо из бериллиевой бронзы с конической проточкой, которое устанавливается в специальной полости одной из соединяемых деталей. Размеры кольца и его форма обеспечивают обтюрацию и герметичность узла уплотнения. Данный узел уплотнения имеет следующие недостатки.
При сборке соединяемых деталей требуются большие усилия их предварительного поджатая, чтобы обеспечить необходимую плотность стыка торцевых поверхностей. Если этого не сделать, рабочие среды при высоких давлениях и температурах могут прорываться по стыку и отрицательно воздействовать на уплотнительное кольцо, вызывая разрушение как самого кольца, так и его посадочного места. Кроме того, соединение деталей в указанном устройстве осуществляется с помощью резьбы по посадкам с зазором, который имеет значительную величину, что необходимо для разборки соединения после проведения испытаний. Наличие указанных зазоров проводит к дополнительному увеличению отклонений от перпендикулярности торцевых поверхностей, осевым смещениям соединяемых деталей и снижению плотности стыка торцевых поверхностей.
В книге Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. Л., Машиностроение, 1973. - 232 с. С. 204-205 приведена конструкция узла торцевого уплотнения, которое применяется при высоких давлениях. Торцевое уплотнение состоит из плоских торцевых поверхностей сопрягаемых деталей, в одной из которых выполнена кольцевая канавка прямоугольного профиля, в которую устанавливается уплотнительный элемент, а на другой торцевой поверхности выполнен уступ прямоугольного профиля, который входит в прямоугольную канавку и сжимает уплотнительный элемент при сборке торцевого уплотнения.
Данный узел уплотнения неподвижных соединений взят авторами в качестве ближайшего аналога.
Ближайший аналог имеет следующие недостатки:
1. Уплотнительные элементы в торцевых узлах уплотнения, которые работают при высоких давлениях и температурах, изготавливаются из специальных сплавов (например, нержавеющая сталь, сплавы меди и т.д.), которые, с одной стороны, должны обладать достаточно высокой термостойкостью и прочностью, а с другой - необходимой пластичностью. В связи с этим в процессе сборки уплотнения возникают значительные трудности по обеспечению необходимой деформации уплотнительного элемента, плотности и герметичности стыка, а, следовательно, и надежности работы узла уплотнения;
2. При сборке соединяемых деталей между боковыми поверхностями кольцевой канавки и кольцевого выступа необходимо обеспечить существенные зазоры, что при недостаточной плотности стыка может приводить к прорыву рабочих сред через уплотнение, разрушению уплотнительного элемента, поверхности канавки и кольцевого выступа.
Целью заявляемой полезной модели является расширение технических возможностей узла уплотнения неподвижных соединений, увеличение эксплуатационных режимов его работы, повышение стабильности и надежности использования при высоких давлениях и температурах рабочих сред. Технический результат достигается за счет изменения конфигурации торцевых поверхностей соединяемых деталей, образования на них выступов и канавок, которые сопрягаются при сборке уплотнения, обеспечивая компенсацию погрешностей торцевых поверхностей, герметизацию стыка и повышение надежности узла уплотнения.
Для достижения заявленного технического результата в известном узле уплотнения неподвижных соединений, состоящем из плоских осесимметричных торцевых поверхностей сопрягаемых деталей, в одной из которых выполнена кольцевая канавка прямоугольного профиля; а на другой торцевой поверхности выполнена кольцевая канавка прямоугольного профиля, а на другой торцевой поверхности выполнен кольцевой выступ прямоугольного профиля, который входит в прямоугольную канавку при сборке торцевого уплотнения, на торцевой поверхности одной из деталей выполнены кольцевые канавки в виде острого угла треугольного профиля, а на торцевой поверхности другой детали выполнены кольцевые выступы в виде острого угла треугольного профиля в количестве, равном количеству кольцевых канавок, выполненных на первой детали. Действительные диаметры вершин кольцевых выступов в виде острого угла треугольного профиля больше действительных диаметров вершин кольцевых канавок в виде острого угла треугольного профиля, а величины острых углов треугольного профиля кольцевых выступов меньше величин острых углов треугольного профиля кольцевых канавок.
Указанные отличительные признаки заявляемой полезной модели являются существенными и взаимосвязанными, что обеспечивает достижение основного технического результата заявляемого узла уплотнения - расширения технических возможностей узла уплотнения неподвижных соединений, увеличение эксплуатационных режимов работы, повышение стабильности и надежности использования при высоких давлениях и температурах рабочих сред.
На Фиг. 1 представлен продольный разрез заявляемого узла уплотнения до предварительного сжатия соединяемых деталей;
На Фиг. 2 представлен продольный разрез узла в рабочем состоянии.
Заявляемый узел уплотнения неподвижных соединений (Фиг. 1) содержит первую 1 и вторую 2 детали, связанные между собой разъемными соединениями (например, резьбовым или фланцевым, на Фиг. 1, 2 не показаны), с возможностью сжатия деталей 1 и 2 вдоль оси уплотнения. На торцевой поверхности детали 2 выполнены кольцевые канавки в виде острого угла треугольного профиля (например, две, Фиг. 1, 2), а на торцевой поверхности детали 1 выполнено такое же количество, как и на детали 2, кольцевых выступов в виде острого угла треугольного профиля.
1
2
1
2
1
2
1
2
При сборке узла уплотнения выступы детали 1 входят в канавки детали 2 (Фиг. 2). Действительные значения диаметров вершин выступов D и D больше действительных значений диаметров d и d вершин канавок, а величины острых углов α и α треугольного профиля выступов меньше величин острых углов β и β профилей канавок.
1
2
1
2
1
2
1
2
Расчеты показывают, что при рабочих давлениях эксплуатации уплотнений до 10 тыс. атм. и температурах до 2000 K разница между диаметрами D, D и d, d составляет 0,3-0,5 мм; величины углов α и α выступов находятся в пределах 25-30° и на 2-3° меньше конкретных значений углов β, β канавок. Конкретные значения действительных диаметров вершин выступов и канавок, углов треугольного профиля выступов и канавок определяются расчетом и моделированием отдельных конструктивных элементов уплотнения в зависимости от условий эксплуатации узла уплотнения
(давления, температуры, состава рабочей среды, механических свойств материала соединяемых деталей и т.д.).
Узел уплотнения работает следующим образом. При сборке выступы детали 1 входят в канавки детали 2. За счет того, что диаметры вершин выступов больше диаметров вершин канавок, вершины профилей выступов не совпадают с вершинами профилей канавок, и упираются в своды конических поверхностей профилей канавок (Фиг. 1). При дальнейшем сжатии деталей 1 и 2 с целью обеспечения требуемой плотности торцевых поверхностей, происходит частичная деформация вершин выступов, образование кольцевой поверхности "А" контакта поверхностей выступов и канавок при одновременном обеспечении необходимой плотности контакта торцевых поверхностей (Фиг. 2).
В результате обеспечивается полная герметизация стыка между соединяемыми деталями уплотнения, механическая прочность соединяемых деталей в окрестности стыка, повышение стабильности и надежности функционирования узла уплотнения при высоких давлениях и температурах рабочих сред.
Если по каким-либо причинам требуемая плотность стыка торцевых поверхностей деталей 1, 2 не обеспечена, и происходит прорыв рабочей среды, то за счет воздействия давления "p" на поверхность "В" выступа детали 1 (см. Фиг. 2) произойдет дополнительное поджатие выступа к поверхности канавки, что исключает возможность дальнейшего прорыва рабочей среды по стыку. Количество выступов на торцевой поверхности одной детали и соответствующее количество канавок на торцевой поверхности другой зависит от конкретных условий эксплуатации узла уплотнения (габариты торцевых поверхностей, давление, температура и состав рабочей среды, и т.д.). Выступы и канавки соответствующих размеров могут выполняться как на детали 1, так и на детали 2. При этом технический результат достигается не за счет введения в конструкцию дополнительных уплотняющих элементов различной сложности, а за счет изменения конфигурации торцевых поверхностей, что не приводит к увеличению трудоемкости изготовления узла уплотнения.
Заявляемый узел уплотнения неподвижных соединений по сравнению с ближайшим аналогом обладает совокупностью взаимосвязанных, существенных, отличительных признаков, которые обеспечивают достижение основного технического результата - расширения технических возможностей применения узла уплотнения, увеличения эксплуатационных режимов работы, повышения стабильности и надежности использования при высоких давлениях и температурах рабочих сред.