УПЛОТНЕНИЯ В СБОРЕ
SEALING ASSEMBLIES

Настоящее изобретение относится к уплотнениям в сборе и, в частности, к уплотнительным узлам, в которых одно уплотняющее кольцо входит по оси в герметичное зацепление со вторым кольцом, так что уплотняющие торцы колец соединяются, образуя плотное жидкостное уплотнение, в то время когда уплотняющие кольца вращаются относительно друг друга.
В таких уплотнениях уплотняемая жидкость обычно используется для смазывания уплотняющих сторон, предотвращая нагрев и чрезмерный износ. Эти проблемы возникают в начале работы, когда уплотняющие кольца начинают вращаться из состояния покоя, но жидкость рядом с уплотняющими кольцами отсутствует или подачи жидкости будет недостаточно.
Одно из решений данной проблемы предусматривает наличие заградительной камеры на внешней стороне уплотнителя, в которую заградительная жидкость может подаваться для того, чтобы обеспечить смазывание. При такой конструкции заградительная жидкость может быть подана или же может быть введена до начала работы, когда уплотнитель выходит из строя. Несмотря на то что таким образом решается проблема, возникающая в начале работы, всегда остается возможность того, что подача заградительной жидкости может прекратиться.
В публикации WO 2008/013495 раскрыт центробежный сепаратор, в котором уплотняющие торцы пары уплотняющих колец упруго разведены врозь и входят в герметичное зацепление благодаря вращению жидкости, в то время когда компоненты центрифужного сепаратора вращаются относительно друг друга. Таким образом, когда центробежный сепаратор неподвижен или отсутствует жидкость, чтобы смазать уплотняющие поверхности, уплотняющие поверхности будут отделены друг от друга и уплотняющие стороны создают только герметичное зацепление, когда компоненты вращаются и наличествует жидкость для смазывания поверхности. В этом случае проблема заключается в том, что смыкающая сила, воздействующая на уплотняющие кольца, пропорциональна скорости вращения, что приводит к избыточному износу и нагреву при высоких скоростях.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения уплотнение в сборе (уплотняющий узел) для обеспечения уплотнения между парой вращающихся относительно друг друга компонентов включает в себя: первое уплотняющее кольцо плотно прикреплено к первому компоненту не вращаясь и допуская ограниченное осевое перемещение; второе уплотняющее кольцо, прикрепленное соосно к первому уплотняющему кольцу, упомянутое второе уплотняющее кольцо плотно установлено на втором из компонентов не вращаясь и допуская ограниченное осевое перемещение; первые упругие элементы соединены со вторым уплотняющим кольцом, толкая его по оси в направлении первого уплотняющего кольца, вторые упругие элементы воздействуют на первое уплотняющее кольцо, отталкивая его от второго уплотняющего кольца, тем самым отделяя первое и второе уплотняющие кольца; центробежный привод соединен с первым уплотняющим кольцом, упомянутый центробежный привод имеет камеру, радиально расположенную между первым уплотняющим кольцом и соединенным с ним компонентом, указанная камера подсоединена к источнику жидкости, поэтому когда компоненты вращаются относительно друг друга с жидкостью в камере, повышение давления жидкости в камере будет воздействовать посредством осевой нагрузки на первое уплотняющее кольцо, толкая его по оси в сторону вторых упругих элементов, и уплотняющий торец первого уплотняющего кольца образует уплотнение с уплотняющим торцом второго уплотняющего кольца.
Что касается уплотняющего узла, описанного выше, когда нет вращения компонентов относительно друг друга или отсутствует жидкость в камере, то не будет центробежного повышения давления, толкающего второе уплотняющее кольцо в сторону первого, и уплотняющие стороны будут удерживаться порознь посредством вторых упругих элементов, воздействующих на второе уплотняющее кольцо. Когда жидкость находится в камере, центробежное давление жидкости будет, в конечном счете, преодолевать нагрузку, производимую вторым упругим элементом, и смыкать уплотнитель. Первый упругий элемент будет ограничивать смыкающую силу, производимую центробежным давлением, которая, в противном случае, увеличивалась бы посредством скорости вращения, предотвращая, таким образом, избыточный износ и нагрев.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что нагрузка, производимая вторыми упругими элементами и приводом, может быть выбрана так, что уплотнитель смыкается при определенной скорости вращения, позволяя упомянутому уплотнителю оставаться открытым при малых скоростях, для того чтобы, например, допустить увлажнение уплотнителя.
В соответствии с предпочтительным воплощением настоящего изобретения привод соединяется с вращающимся компонентом. Кроме того, предпочтительным является наличие средств, позволяющих осуществлять вращение жидкости в камере привода.
В соответствии с дополнительными аспектами настоящего изобретения могут предусматриваться средства, обеспечивающие гидродинамическое повышение центробежного давления привода. Например, могут устанавливаться лопасти для того, чтобы подавать жидкость по направлению к внешнему периметру камеры, определяемой приводом, в процессе относительного вращения уплотняющих колец.
К настоящему моменту изобретение описано исключительно за счет примеров и имеет ссылки на сопутствующие изображения, где:
Фигура 1 изображает данный в разрезе вид сбоку одного из воплощений уплотняющей конструкции в соответствии с настоящим изобретением;
Фигура 2 представляет собой вид в разрезе вдоль линии II-II фигуры 1;
Фигура 3 изображает уплотняющую конструкцию, изображенную на фигуре 1, в открытом положении, вид сбоку;
Фигура 4 изображает альтернативное воплощение уплотняющей конструкции в соответствии с настоящим изобретением, вид сбоку;
Фигура 5 изображает дополнительное воплощение уплотняющей конструкции в соответствии с настоящим изобретением, вид сбоку.
Фигура 6 представляет собой вид в перспективе центробежного привода, используемого в воплощении, изображенном на фигуре 5; и
Фигура 7 изображает модификацию уплотняющей конструкции, изображенной на фигуре 1.
Как изображено на фигурах 1-3, уплотняющая конструкция 10 включает втулку 12, которая предназначается для того, чтобы закрепляться и плотно примыкать к вращающемуся компоненту, например валу (не изображено). Вращающийся компонент вращается через соосное отверстие в неподвижном компоненте, например корпусе или емкости (не изображено), и втулка 12 устанавливается на вращательный компонент, чтобы вращаться вместе с ним.
Фланец 14 располагается на одном торце втулки 12. Кольцо 16 плотно прикреплено к внешнему краю фланца 14 посредством ряда расположенных под углом винтов 18. Кольцо 16 расположено соосно втулке 12 по направлению к тому ее торцу, который свободен от фланца 14, образуя аксиально расположенную выемку. Ряды расположенных под углом радиальных лопастей 20 образованы на стороне фланца 14, обращенной внутрь кольца 16.
Внутренняя поверхность кольца 16 на свободном конце (то есть конец свободен от фланца 14) является ступенчатой, тем самым образуя выступ 22, располагающийся внутри свободного конца. Внутренняя поверхность между выступом 22 и свободным торцом имеет поверхность в форме усеченного конуса 24, который уменьшается в диаметре по направлению к свободному концу. Первое уплотняющее кольцо 30 с возможностью скольжения размещается в кольце 16 соосно по отношению к фланцу 14, образуя кольцевую камеру 38. Внешняя поверхность первого уплотняющего кольца 30 является ступенчатой, при этом первый участок 32 на конце, прилегающем к фланцу 14, имеет больший внешний диаметр, чем внутренний диаметр выступа 22; второй участок 34 на другом конце первого уплотняющего кольца 30 имеет внешний диаметр, который меньше, чем минимальный внутренний диаметр кольца 16; и промежуточный участок имеет форму усеченного конуса 36, поверхность которого соответствует поверхности в форме усеченного конуса 24 кольца 16. Первое уплотняющее кольцо 30, таким образом, может скользить по оси в кольце 16 между фланцем 14 и выступом 22.
Эластомерное (например, резиновое) О-образное кольцо 40 расположено в кольцевой выемке 42, образованной в кольце 16, нормальной по отношению к поверхности в форме усеченного конуса 24, О-образное кольцо 40 занимает участок в форме усеченного конуса 36 первого уплотняющего кольца 30. В открытом положении, как показано на фигуре 3, О-образное кольцо 40 занимает поверхность в форме усеченного конуса 36 первого уплотняющего кольца 30 и ограничивает вращение между первым уплотняющим кольцом 30 и соединенным с ним элементом 12.
Когда уплотняющий узел 10 находится в закрытом положении, как это показано на фигуре 1, О-образное кольцо 40 сжато между основанием кольцевой выемки 42 и участком в форме усеченного конуса 36 первого уплотняющего кольца 30. Трение между О-образным кольцом 40 и первым уплотняющим кольцом 30 и между О-образным кольцом 40 и кольцом 16 будет предотвращать вращение относительно друг друга между первым уплотняющим кольцом 30 и кольцом 16, фланцем 14, втулкой 12 и соединенным с ним элементом.
Второе уплотняющее кольцо 50 устанавливается на несущее кольцо 52, допускающее возможность скольжения, с целью возможности осевого движения на кольце сальника 54. Несущее кольцо 52 герметично уплотнено по отношению к кольцу сальника 54 за счет эластомерного О-образного кольца 56, которое расположено в кольцевой выемке 58 в цилиндрической поверхности кольца сальника 54. Спиральная компрессионная пружина 60 действует между фланцем 62 на кольце сальника 54 и фланцем 64 на внешней поверхности несущего кольца 52 для того, чтобы толкать несущее кольцо 52 и второе уплотняющее кольцо 50 по направлению к первому уплотняющему кольцу 30. Втулка 66 прикреплена к кольцу сальника 54 внутри несущего кольца 52. Втулка 66 имеет направленный наружу фланец 68 на конце, находящемся на отдалении относительно кольца сальника 54, для вовлечения в соединение направленного внутрь фланца 70 на несущем кольце 52. Фланец 68 на втулке 66 зацепляет фланец 70 на несущем кольце 52 для ограничения движения несущего кольца 52 и второго уплотняющего кольца 50 в направлении первого уплотняющего кольца 30. В дополнение к этому фрикционное зацепление между кольцом сальника 54 и пружиной 60, а также между пружиной 60 и несущим кольцом 52 будет предотвращать относительное вращение между вторым уплотняющим кольцом 50 и кольцом сальника 54.
Кольцо сальника 54 предназначено для того, чтобы быть закрепленным и уплотненным относительно стационарного компонента соосно втулке 10.
Описанное выше уплотнение предназначено для того, чтобы обеспечить герметичность применительно к жидкости во внутренней части уплотняющих колец 30, 50. Когда вращающийся компонент стационарен или вращающийся компонент вращается, но нет жидкости внутри уплотняющих колец 30, 50, воздействие эластомерного О-образного кольца на поверхность в форме усеченного конуса части 36 кольца 30 будет толкать кольцо 30 по направлению к фланцу 14 и уплотняющее кольцо 30 потеряет герметичное зацепление с уплотняющим кольцом 50; перемещение второго уплотняющего кольца 50 в направлении первого уплотняющего кольца 30 ограничивается зацеплением фланцев 68, 70, как показано на фигуре 3.
Тем не менее, когда жидкость находится внутри уплотняющих колец 30 и 50, кольцевая камера 38 формирует центробежный привод, воздействие центробежной силы загоняет жидкость в камеру 38 между фланцем 14 и первым уплотняющим кольцом 30, создавая давление, которое будет толкать первое уплотняющее кольцо 30 в направлении второго уплотняющего кольца 50, создавая между ними герметичное зацепление. О-образное кольцо 40 обеспечивает уплотнение между кольцом 16 и поверхностью в форме усеченного конуса участка 36 первого уплотняющего кольца 30. Циркуляция жидкости в камере между фланцем 14 и первым уплотняющим кольцом 30, а следовательно, центробежное давление, усиливается благодаря лопастям 20.
Центробежное давление и возникающая в результате смыкающая сила воздействуют на поверхности уплотнения пропорционально скорости вращения. Тем не менее, для того чтобы избежать избыточной силы смыкания, а следовательно, избыточного износа, перемещение первого уплотняющего кольца 30 в направлении второго уплотняющего кольца 50 ограничивается выступом 22, и смыкающая сила, воздействующая на кольца 30, 50 регулируется благодаря пружине 60, как показано на фигурах 1, 3 и 4.
В модификации, изображенной на фигуре 4, кольцо 114, которое соответствует фланцу 14 согласно воплощению, изображенном на фигуре 1, предназначается для того, чтобы крепиться к компоненту, например корпусу или емкости, который устанавливается с возможностью вращения на втором стационарном компоненте, например оси или подающей трубе, установленном соосно по отношению к первому компоненту. Кольцо 154, соответствующее кольцу сальника 54 по воплощению, изображенному на фигуре 1, предназначается для того, чтобы крепиться к стационарному компоненту, и уплотняется посредством эластомерного О-образного кольца 148 или аналогичных уплотняющих элементов.
В остальном уплотняющий узел, изображенный на фигуре 4, идентичен тому, что изображен на фигуре 1, и работает по тому же принципу.
Во втором воплощении, изображенном на фигурах 5 и 6, первое уплотняющее кольцо 230 крепится на компоненте 232, например корпусе или емкости, который устанавливается с возможностью вращения на центральном стационарном компоненте, например оси или подающей трубе (не изображено). Первое уплотняющее кольцо 230 прикреплено к компоненту 232 посредством эластомерного привода 234, а привод 234 прочно прикреплен, например, при помощи сварки к радиальным сторонам компонента 232 и уплотняющему кольцу 230.
Эластомерный привод 234 отлит единым массивом и имеет кольцевую эластомерную оболочку 236 с аксиально отделенными стенками 238, открытыми с внутренней стороны. Ряды решеток проходят между стенками 238 корпуса 236 в аксиально расположенных направлениях, образуя ряды лопастей 240. Как изображено на фигуре 6, лопасти 240 выполнены спиралевидными, изогнутыми таким образом, что края лопастей 240 на внутренней поверхности привода 234 ведут края лопастей 240 к внешней поверхности привода 234 относительно направления вращения D привода 234. Эластомерный привод окружен кольцом 242, которое устанавливается с возможностью вращения вместе с компонентом 232.
Второе уплотняющее кольцо 50 устанавливается относительно центрального неподвижного компонента тем способом, который был описан применительно к фигуре 4.
В упомянутом воплощении эластомерный привод 234 выполнен по аксиальному размеру так, что когда компонент 232 неподвижен или вращается без жидкости, уплотняющее кольцо 230 будет отделено от уплотняющего кольца 50 по оси так же, как изображено на фигуре 3.
Однако когда компонент 232 вращается при наличии жидкости внутри уплотняющих колец 230, 50, центробежная сила будет подавать жидкость к закрытой внешней поверхности оболочки эластомерного привода 236, создавая давление, которое будет причиной растягивания эластомерного привода. Кольцо 242 ограничивает радиальное расширение привода 234, так что привод 234 будет растягиваться по оси, герметично сцепляя уплотняющее кольцо 230 со вторым уплотняющим кольцом 50. Помимо центробежного давления наклон лопастей 240 относительно направления вращения будет способствовать накачиванию жидкости в оболочку 236, увеличивая давление в ней.
Когда компонент 232 прекращает вращение либо жидкость вытекает из колец 230, 50, лопасти, которые натянуты, когда привод растягивается по оси, будут отодвигать уплотняющее кольцо 230 от второго уплотняющего кольца 50 в положение, сходное с тем, которое изображено на фигуре 3.
В модифицированном воплощении, изображенном на фигуре 7, одна или несколько аксиально расположенных бороздок 44 на участке 32 первого уплотняющего кольца 30 зацепляют соответствующие аксиально расположенные ребра 46 на внутренней поверхности участка с большим внутренним диаметром кольца 16, предотвращая относительное вращение между первым уплотняющим кольцом 30, кольцом 16, фланцем 14, втулкой 12 и сопряженными элементами, что является более предпочтительным, чем только трение, возникающее между первым уплотняющим кольцом 30, кольцом 16 и О-образным кольцом 40.
Кроме того, аксиально расположенные ребра 72 на втулке 66 зацепляют соответствующим образом подогнанные бороздки 74 на фланце 70 и предотвращают относительное вращение между кольцом сальника 54 и несущим кольцом 52, а также вторым уплотняющим кольцом 50, что является более предпочтительным, чем только лишь трение, возникающее между кольцом сальника 54, несущим кольцом 52 и пружиной 60.
Кроме этого, различные модификации могут быть осуществлены без отклонения от основной идеи изобретения. Например, лопасти приводов, изображенные на фигурах с 1 по 4, могут быть наклонены относительно направления вращения, чтобы получить эффект накачивания, который будет увеличивать центробежное давление привода. В качестве альтернативы лопасти 240 привода 234, изображенные на фигурах 5 и 6, могут быть радиальными, так что привод использует только центробежное давление. Хотя лопасти 240 имеют спиральную конфигурацию, прямые лопасти наклонены в направлении вращения таким образом, что внутренний край будет опережать внешний край, и могут быть использованы для получения накачивающего действия.
Несмотря на то что предпочтительней устанавливать центробежный привод вращения на вращающийся компонент, как это показано на предшествующих примерах, привод альтернативно может быть установлен на неподвижном компоненте, при условии что элементы, например лопастное колесо, установлены на вращающемся компоненте, обеспечивая вращательное движение жидкости в камере привода.