СИСТЕМА КОНТАКТНОГО УПЛОТНИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА, ИМЕЮЩАЯ ЗАЩИТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
CONTACT SEALING RING SYSTEM HAVING A PROTECTIVE SEAL

Настоящее изобретение касается системы контактного уплотнительного кольца, имеющей контактное кольцевое уплотнение и защитное уплотнение в качестве резервного уплотнения для контактного кольцевого уплотнения. При этом защитное уплотнение выполнено не в виде контактного кольцевого уплотнения.
Контактные кольцевые уплотнения известны из уровня техники в различных вариантах осуществления. При этом посредством контактных кольцевых уплотнений могут решаться самые разные задачи уплотнения, в частности также уплотняться токсичные среды или среды, имеющие очень высокие давления и/или очень высокие температуры. При этом в частности, для защиты окружающей среды в опасных случаях применения должны предусматриваться защитные устройства. При этом известно, например, расположение двух контактных уплотнений в ряд между стороной продукта и стороной атмосферы. При этом при выходе из строя первого контактного кольцевого уплотнения второе контактное кольцевое уплотнение служит защитным уплотнением, которое препятствует попаданию продукта в окружающую среду. При этом второе контактное кольцевое уплотнение может быть выполнено так же, как и первое контактное кольцевое уплотнение, или же иначе. Причем эта возможность защиты очень надежна, однако имеет недостаток высокой стоимости, так как контактные кольцевые уплотнения очень дороги в изготовлении.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создать систему контактного кольцевого уплотнения, имеющую контактное кольцевое уплотнение, которая имеет защиту в случае повреждения контактного кольцевого уплотнения, чтобы избегать загрязнения окружающей среды уплотняемой средой, при этом защитное уплотнение не является контактным кольцевым уплотнением. Эта задача решается с помощью системы контактного кольцевого уплотнения с признаками п.1 формулы изобретения, в зависимых пунктах формулы изобретения показаны предпочтительные усовершенствования изобретения.
Предлагаемая изобретением система контактного кольцевого уплотнения с признаками п.1 формулы изобретения имеет, в отличие от этого, то преимущество, что может создаваться система контактного кольцевого уплотнения, которая обеспечивает возможность экономичного защитного уплотнения для защиты контактного кольцевого уплотнения. При этом в качестве защитного уплотнения не должно применяться второе контактное кольцевое уплотнение, а защитное уплотнение представляет собой цельное уплотнение, которое предусмотрено в качестве резервного уплотнения при выходе из строя контактного кольцевого уплотнения.
Защитное уплотнение имеет основную часть и цельно соединенную с основной частью уплотнительную область, которая отходит от основной части в осевом направлении. При этом уплотнительная область выполнена гибко. Далее, защитное уплотнение имеет на внутреннем периметре уплотнительную поверхность, которая предназначена для уплотняющего контакта с вращающимся конструктивным элементом. При этом защитное уплотнение расположено стационарно. Таким образом, с помощью относительно экономичного цельного защитного уплотнения может обеспечиваться возможность защиты контактного кольцевого уплотнения без необходимости второго контактного кольцевого уплотнения в качестве защитного уплотнения. При этом при выходе из строя контактного кольцевого уплотнения, например, при повреждении или т.п., защитное уплотнение может создавать уплотнение вращающегося конструктивного элемента относительно атмосферы. Причем это уплотнение может создаваться очень быстро, чему, в частности, способствует избыточное давление уплотняемой среды. Также защитное уплотнение гарантирует, что при нормальной эксплуатации между вращающимся и стационарным конструктивным элементом установки не возникнет дополнительное трение. Тем самым минимизируются дополнительные потери от защитного уплотнения при нормальной эксплуатации.
Предпочтительно толщина уплотнительной области в радиальном направлении меньше толщины основной части в радиальном направлении.
Предпочтительно основная часть и уплотнительная область защитного уплотнения изготовлены цельно из одного и того же материала. Благодаря этому может, в частности, сильно снижаться стоимость изготовления. При этом особенно предпочтительно материал защитного кольца имеет волоконное армирование. Также предпочтительно основной материал для защитного уплотнения представляет собой термопластичный полимер, предпочтительно армированный волокнами.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения переход к наружной стороне защитного уплотнения между основной частью и узкой уплотнительной областью выполнен дугообразно. При дугообразном переходе переход выполняется без граней, так что минимизируется опасность трещин, которые могли бы возникать при переходе, имеющем грани.
Также предпочтительно узкая уплотнительная область выступает из основной части в направлении контактного кольцевого уплотнения. Благодаря этому может реализовываться особенно компактная конструкция системы контактного кольцевого уплотнения.
По другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения уплотнительная область защитного уплотнения имеет поверхность без выступающих областей, таких как ребра и т.п.
По одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения в уплотнительной области защитного уплотнения расположено множество проходящих в периметрическом направлении, выступающих из уплотнительной поверхности ребер. Эти ребра выступают из уплотнительной поверхности предпочтительно радиально. При этом особенно предпочтительно эти ребра вступают в контакт с вращающимся конструктивным элементом, таким как, например, вал или втулка вала, или т.п. Этим контактом при нормальной эксплуатации гарантируется наличие наименьшего возможного трения на защитном уплотнении для максимального возможного снижения потерь вследствие применения защитного уплотнения. Тогда, в случае повреждения контактного кольцевого уплотнения, когда уплотняемая среда доходит до защитного уплотнения, повышается давление в выступающей в осевом направлении уплотнительной области защитного уплотнения, так что ребра, которые предусмотрены на уплотнительной области из того же материала, что и остальное защитное уплотнение, и цельно, сгибаются, так что возможно хорошее уплотнение между защитным уплотнением и вращающимся конструктивным элементом. Выступающие из уплотнительной области ребра предпочтительно в радиальном направлении имеют одинаковую длину и также предпочтительно в периметрическом направлении замкнуты по кругу.
Предпочтительно ребра расположены только на уплотнительной области защитного уплотнения. Альтернативно ребра предусмотрены как на уплотнительной области, так и частично или полностью на основной части. Однако при наличии их только на уплотнительной области возможно, чтобы при выходе из строя контактного кольцевого уплотнения обеспечивалась возможность тесного прилегания гибко деформирующихся ребер к наружному периметру вращающегося конструктивного элемента, и, так как на основной части ребра не предусмотрены, предотвращалось слишком большое трение и вместе с тем большое выделение тепла.
Также предпочтительно предусмотрен цилиндрический наружный периметр уплотнительной области в осевом направлении. При этом может достигаться возможность особенно экономичного изготовления.
По одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения предусмотрен сужающийся в осевом направлении к свободному концу уплотнительной области наружный периметр уплотнительной области. При этом может создаваться уплотнительная область, которая, начиная от свободного конца уплотнительной области в направлении основной части, вследствие возрастающего наружного диаметра имеет постоянно увеличивающуюся жесткость.
Сужающийся наружный периметр уплотнительной области предусмотрен предпочтительно в осевом направлении по всей уплотнительной области.
По еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения уплотнительная область, начиная от первого ребра, которое лежит ближе всего к свободному концу уплотнительной области, имеет свободную от ребер выступающую часть. Причем эта свободная от ребер выступающая часть не находится под давлением, так как давление на наружном периметре и внутреннем периметре, а также на торцевой стороне свободного конца в каждом случае одинаково.
Предпочтительно длина L3 свободной от ребер выступающей части в осевом направлении равна приблизительно одной трети длины L2 уплотнительной области в осевом направлении. Тем самым может обеспечиваться возможность надежного повышения жесткости уплотнительной области.
Также предпочтительно система контактного кольцевого уплотнения включает в себя, кроме того, вращающийся конструктивный элемент, который соединен с вращающимся контактным кольцом контактного кольцевого уплотнения. При этом во вращающемся конструктивном элементе предусмотрены выемки, которые расположены радиально внутри уплотнительной области. Другими словами, имеются выемки на вращающемся конструктивном элементе в области защитного уплотнения. Хотя при этом увеличивается утечка в атмосферу через защитное уплотнение из промежутка между защитным уплотнением и контактным кольцевым уплотнением, однако эти вырезы во вращающемся конструктивном элементе имеют то преимущество, что в случае неисправности, т.е. при выходе из строя контактного кольцевого уплотнения, возможен улучшенный отвод тепла через теперь уже уплотняющее защитное уплотнение, которое теснее прилегает к вращающемуся конструктивному элементу. Тем самым предотвращаются термические повреждения защитного уплотнения, так что срок службы защитного уплотнения может значительно увеличиваться. Тем самым гарантировано, что защитное уплотнение до останова вращающегося конструктивного элемента будет осуществлять уплотнение и предотвращать возможность попадания среды через защитное уплотнение в атмосферу. Неизбежная имеющаяся утечка при этом принимается по аспектам безопасности.
Выемки во вращающемся конструктивном элементе представляют собой проходящие в осевом направлении пазы или щели. Поперечное сечение пазов является предпочтительно прямоугольным или V–образным.
Чтобы обеспечить возможность достаточного охлаждения в случае повреждения, длина пазов в осевом направлении больше длины уплотнительной области защитного уплотнения и в частности, больше длины в осевом направлении снабженной ребрами уплотнительной поверхности защитного уплотнения.
Особенно предпочтительно система контактного кольцевого уплотнения включает в себя ровно одно контактное кольцевое уплотнение и ровно одно защитное уплотнение. При этом может создаваться особенно компактная, в частности компактная в осевом направлении, и экономичная система контактного кольцевого уплотнения.
Далее, настоящее изобретение касается рабочей машины, в частности насоса или компрессора, или экспандера.
Ниже предпочтительные примеры осуществления изобретения описываются в деталях со ссылкой на сопроводительный чертеж. На чертеже показано:
фиг.1: схематичный вид сечения системы контактного кольцевого уплотнения по первому примеру осуществления изобретения;
фиг.2: увеличенное детальное изображение защитного уплотнения с фиг.1 в нормальном состоянии, в котором контактное кольцевое уплотнение не имеет повреждения;
фиг.3: схематичный вид сечения защитного уплотнения с фиг.1 в случае неисправности, в котором контактное кольцевое уплотнение повреждено;
фиг.4: схематичный вид в плане вращающегося конструктивного элемента, имеющего пазы, который расположен радиально внутри защитного уплотнения;
фиг.5: увеличенный, схематичный вид сечения системы контактного кольцевого уплотнения, имеющей защитное уплотнение, по второму примеру осуществления изобретения;
фиг.6: увеличенный, схематичный вид сечения системы контактного кольцевого уплотнения, имеющей защитное уплотнение, по третьему примеру осуществления изобретения, и
фиг.7: увеличенный, схематичный вид сечения системы контактного кольцевого уплотнения, имеющей защитное уплотнение, по четвертому примеру осуществления изобретения.
Ниже со ссылкой на фиг.1–4 в деталях описывается система 1 контактного кольцевого уплотнения по первому предпочтительному примеру осуществления изобретения.
Как видно из фиг.1, система 1 контактного кольцевого уплотнения включает в себя ровно одно контактное кольцевое уплотнение 2, имеющее вращающееся контактное кольцо 20 и стационарное контактное кольцо 21, ограничивающие между собой уплотнительный зазор 22.
Далее, предусмотрен вращающийся конструктивный элемент 4, который в этом примере осуществления имеет вал 40, первую втулку 41 и вторую втулку 42. Составной корпус обозначен ссылочным обозначением 5.
При этом система 1 контактного кольцевого уплотнения уплотняет сторону 6 продукта от стороны 7 атмосферы. При этом на стороне 6 продукта действует давление P1 продукта, которое во много раз больше, чем давление P3 на стороне атмосферы. Между контактным кольцевым уплотнением 2 и защитным уплотнением 3 предусмотрена также промежуточная область 8, в которой действует давление P2. При этом давление P2 приблизительно соответствует давлению P3 на стороне 7 атмосферы. Через промежуточную область 8 отводится утечка, которая возникает через уплотнительный зазор 22 при нормальной эксплуатации системы контактного кольцевого уплотнения, как обозначено стрелкой L.
Как видно из фиг.1, при этом вторая втулка 42 расположена внутри защитного уплотнения 3. Вторая втулка 42 в деталях изображена на фиг.4. Как видно из фиг.4, вторая втулка 42 имеет множество пазов 9, которые проходят прямолинейно в осевом направлении X–X. При этом пазы 9 расположены равномерно по периметру второй втулки 42. При этом все пазы 9 выполнены в геометрически одинаковой форме, в частности с четырехугольным поперечным сечением и одинаковой осевой длиной.
Как видно из фиг.1, пазы 9 в смонтированном состоянии системы контактного кольцевого уплотнения расположены при этом радиально внутри защитного уплотнения 3. При этом длина пазов 9 в осевом направлении X–X больше, чем длина L2 уплотнительной области защитного уплотнения 3 в осевом направлении.
Защитное уплотнение 3 в деталях видно на фиг.2. Защитное уплотнение 3 включает в себя основную часть 30 и распространяющуюся в осевом направлении X–X от основной части узкую уплотнительную область 31. На радиально внутреннем периметре защитного уплотнения 3 предусмотрена уплотнительная поверхность 32. В этом примере осуществления уплотнительная поверхность является цилиндрической поверхностью. При этом уплотнительная поверхность 32 полностью образована на уплотнительной области 31, а также частично на основной части 30. Основная часть 30 имеет также еще уступ 33, который выполнен в выемке 52 в конструктивном элементе 51 корпуса. Кроме того, как видно из фиг.2, на наружном периметре основной части 30 защитного уплотнения 3 предусмотрено круглое кольцо 10 для создания уплотнения на радиально наружном периметре защитного уплотнения 3.
При этом толщина D1 уплотнительной области 31 меньше толщины D2 основной части 30 (сравн. фиг.2).
Таким образом, защитное уплотнение 3 образовано цельно основной частью 30 и более тонкой уплотнительной областью 31. При этом материал для защитного уплотнения 3 предпочтительно представляет собой армированный волокнами, термопластичный полимерный материал. Как видно при совместном рассмотрении фиг.1 и 2, уплотнительная область 31 проходит при этом в осевом направлении в направлении контактного кольцевого уплотнения 2. При этом длина L2 уплотнительной области 31 в осевом направлении X–X равна длине L1 основной части 30 в осевом направлении X–X. Таким образом, благодаря узкой уплотнительной области 31, которая в радиальном направлении имеет заметно меньшую толщину, чем основная часть 30, повышается гибкость уплотнительной области 31, в частности в радиальном направлении. Защитное уплотнение 3 стационарно соединено с конструктивным элементом 51 корпуса и при этом не вращается вместе с вращающейся первой и второй втулкой 41, 42.
Между уплотнительной областью 31 и основной частью 30, как видно из фиг.2, предусмотрен дугообразный переход 35. Тем самым предотвращается возможность возникновения трещин при деформации уплотнительной области 31 в случае неисправности в защитном уплотнении на переходе между основной частью 30 и уплотнительной областью 31, которые могли бы вести к разрушению защитного уплотнения 3. В нормальном состоянии, т.е. когда контактное кольцевое уплотнение 2 работает без проблем, между наружным периметром 42a второй втулки и уплотнительной поверхностью 32 образован зазор 11 (фиг.2). Этот зазор 11 имеет радиальное измерение, которое очень мало. Таким образом, между промежуточной областью 8 и атмосферой 7 существует соединение через маленький зазор 11, а также пазы 9, которые расположены радиально внутри защитного уплотнения 3. Так как разность давлений при нормальной эксплуатации между давлением P2 в промежуточной области 8 и давлением P3 на стороне 7 атмосферы очень мала, получается также только очень небольшая утечка через зазор 11 и пазы 9. Эта утечка обозначена на фиг.2 стрелкой A. Следует заметить, что для лучшего пояснения на фигурах паз 9 начерчен очень большим. При нормальной эксплуатации вследствие небольшой разности давлений в несколько Паскаль получается только минимальная утечка (стрелка A) через защитное уплотнение 3.
В случае неисправности, при котором контактное кольцевое уплотнение 2 больше не уплотняет, автоматически активируется защитное уплотнение 3. Это состояние изображено на фиг.3. Тогда вследствие отсутствующего уплотнения контактным кольцевым уплотнением 2 в промежуточной области 8 действует давление P1 продукта со стороны продукта. Вследствие высокого давления сразу с подъемом давления в промежуточной области 8 получается упругая деформация уплотнительной области 31. Давление P1 продукта действует на наружном периметре 31a уплотнительной области 31, так что возникает упругая деформация уплотнительной области 31, и уплотнительная область 31 прижимается к наружному периметру 42a второй втулки 42. Таким образом, осуществляется уплотнение на наружном периметре 42a второй втулки 42, при этом сила F действует на наружный периметр 31a.
Чтобы в случае неисправности избежать повышения температуры защитного уплотнения 3, в случае неисправности через пазы 9 к стороне 7 атмосферы может также течь некоторое количество среды продукта. Это обозначено на фиг.3 утечкой (стрелка B). Однако при этом достигается охлаждение защитного уплотнения 3, так что защитное уплотнение 3 может уплотнять по меньшей мере, пока вал 40 и соединенные с валом другие вращающиеся конструктивные элементы остановлены.
Таким образом, в случае неисправности контактного кольцевого уплотнения 2 может автоматически активироваться защитное уплотнение 3. При этом благодаря наличию пазов 9 может предотвращаться слишком быстрый отказ защитного уплотнения 3, когда посредством течения через пазы 9 к стороне 7 атмосферы достигается определенное охлаждение защитного уплотнения 3, в частности в области уплотнительной области 31. Правда, при этом через пазы 9 некоторое количество среды продукта может выходить к стороне 7 атмосферы, однако может предотвращаться осуществление термического повреждения защитного уплотнения 3 и возникновение сильного вытекания среды продукта к стороне атмосферы.
5
Следует заметить, что в нормальных случаях применения разность давлений между давлением P1 продукта и давлением P3 на стороне 7 атмосферы составляет приблизительно 200–300 х 10 Па. Даже при такой высокой разности давлений между стороной 6 продукта и стороной 7 атмосферы это просто и экономично сконструированное защитное уплотнение 3 может обеспечивать возможность уплотнения при повреждении контактного кольцевого уплотнения 2. Таким образом, можно обойтись без редундантного наличия второго контактного кольцевого уплотнения для системы контактного кольцевого уплотнения. Наряду с экономией затрат, при этом получается, в частности, также экономия осевого конструктивного пространства, так как защитное уплотнение 3 имеет только очень короткую конструкцию в осевом направлении X–X.
На фиг.5 показана система 1 контактного кольцевого уплотнения по второму примеру осуществления изобретения при нормальной эксплуатации. Второй пример осуществления по существу соответствует первому примеру осуществления, при этом в отличие от первого примера осуществления, во втором примере осуществления на уплотнительной поверхности 32 выполнено множество ребер 34. Причем в этом примере осуществления предусмотрено пять ребер 34. Ребра 34 проходят замкнутым образом в периметрическом направлении и при этом вступают в контакт с наружным периметром 42a второй втулки 42. При этом зазор, как в первом примере осуществления, между защитным уплотнением и второй втулкой 42, не предусмотрен. Так как ребра 34 касаются наружного периметра 42a второй втулки 42, при нормальной эксплуатации получается определенное трение и вместе с тем определенная мощность потерь. Однако так как ребра 34 гибкие, этой мощностью потерь можно пренебречь. В случае неисправности, когда контактное кольцевое уплотнение 2 имеет повреждение, на наружном периметре 31a уплотнительной области 31, как в первом примере осуществления, снова имеется давление P1 со стороны продукта. Из–за этого ребра 34 деформируются, так что возникает тесное прилегание уплотнительной области 31 к наружному периметру 42a второй втулки и вместе с тем становится возможным уплотнение второй втулки 42 посредством защитного уплотнения 3. Благодаря также имеющимся во второй втулке 42 пазам 9 при случае неисправности может достигаться охлаждение уплотнительной области 31 защитного уплотнения 3.
На фиг.6 показана система 1 контактного кольцевого уплотнения, имеющая защитное уплотнение 3 по третьему примеру осуществления изобретения, при нормальной эксплуатации. Третий пример осуществления по существу соответствует второму примеру осуществления, при этом в отличие от второго примера осуществления, в третьем примере осуществления предусмотрен наружный периметр уплотнительной области 31 защитного уплотнения 3 в виде сужающейся области 31b. Благодаря этой сужающейся области 31b в случае неисправности, когда контактное кольцевое уплотнение 2 повреждено, на наружном периметре на сужающейся области 31b уплотнительной области 31 может действовать давление, имеющее радиальную и осевую компоненты, так что гарантировано оптимальное распределение сил на уплотнительной области 31 на наружном периметре 42a второй втулки 42. Как и во втором примере осуществления, ребра 34 в третьем примере осуществления в случае неисправности деформируются и обеспечивают возможность тесного прилегания уплотнительной области 31 ко второй втулке 42.
На фиг.7 показана система контактного кольцевого уплотнения по четвертому примеру осуществления изобретения при нормальной эксплуатации. Контактное кольцевое уплотнение четвертого примера осуществления по существу соответствует контактному кольцевому уплотнению второго примера осуществления, при этом в отличие от второго примера осуществления, уплотнительная область 31 четвертого примера осуществления имеет свободную от ребер выступающую часть 37. Причем эта свободная от ребер выступающая часть 37 выступает в осевом направлении из последнего ребра 34ʽ, которое лежит ближе всего к свободному концу 38 уплотнительной области 31. При этом длина L3 свободную от ребер выступающей части равна приблизительно 1/3 второй длины L2 уплотнительной области 31 в осевом направлении. При этом длина L1 основной части 30 в осевом направлении X–X приблизительно равна второй длине L2 уплотнительной области 31. Благодаря наличию свободную от ребер выступающей части 37 на свободном конце 38 уплотнительной области 31 получается область выровненного давления. При этом давление может действовать на уплотнительную область 31 с трех сторон свободной от ребер выступающей части 37. Благодаря этому получается повышение жесткости уплотнительной области 31. В случае неисправности, когда контактное кольцевое уплотнение 2 имеет повреждение, и на защитное уплотнение действует давление P1 продукта, при этом получается более быстрое прилегание уплотнительной области 31 защитного уплотнения 3 ко второй втулке 42. При этом свободная от ребер выступающая часть 37 в нормальном состоянии способствует прилеганию ребер 34 к наружному периметру 42a второй втулки 42.
Ко всем описанным примерам осуществления следует заметить, что пазы 9 являются опциональными. Т.е. когда вращающийся конструктивный элемент 4 должен через короткое время останавливаться, не обязательно необходимы пазы 9, так как тогда материал защитного уплотнения 3 может поглощать возникающее при этом тепло без наступления разрушения защитного уплотнения 3.
Далее, следует заметить, что уплотнительная поверхность 32 может быть выполнена на уплотнительной области 31 исключительно в осевом направлении или, альтернативно, также по всей длине защитного уплотнения 3 в осевом направлении, т.е. на протяжении основной части и уплотнительной области 31.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Система контактного кольцевого уплотнения
2 Контактное кольцевое уплотнение
3 Защитное уплотнение
4 Вращающийся конструктивный элемент
5 Корпус
6 Сторона продукта
7 Сторона атмосферы
8 Промежуточная область
9 Паз
10 Круглое кольцо
11 Зазор
20 Вращающееся контактное кольцо
21 Стационарное контактное кольцо
22 Уплотнительный зазор
30 Основная часть
31 Уплотнительная область
31a Наружный периметр уплотнительной области
31b Сужающаяся область на наружном периметре уплотнительной области
32 Уплотнительная поверхность
33 Уступ
34 Ребра
35 Дугообразный переход
37 Свободная от ребер выступающая часть
38 Свободный конец уплотнительной области
40 Вал
41 Первая втулка
42 Вторая втулка
42a Наружный периметр второй втулки
51 Конструктивный элемент корпуса
52 Выемка
D1 Толщина уплотнительной области
D2 Толщина основной части
F Сила деформации уплотнительной области
Стрелка A Утечка в нормальном состоянии через защитное уплотнение
Стрелка B Утечка в случае неисправности
Стрелка L Утечка в нормальном состоянии
L0 Осевая общая длина защитного уплотнения
L1 Осевая длина основной части
L2 Осевая длина уплотнительной области
L3 Осевая длина свободной от ребер выступающей части
P1 Давление продукта
P2 Давление в промежуточной области
P3 Атмосферное давление
X–X Осевое направление