УСТОЙЧИВОЕ К ПЕРЕКОСУ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в целом к гидродинамическим вращающимся уплотнениям, таким как уплотнения вращающегося вала, для создания уплотнения между относительно вращающейся поверхностью и структурой, которое вклинивает пленку смазки между уплотнением и относительно вращающейся поверхностью для воспрещения износа уплотнения и исключения загрязнений с динамической уплотнительной поверхности раздела. В частности, данное изобретение относится к кольцеобразным вращающимся уплотнениям интерференционного типа, которые состоят из упругого уплотнительного материала, которые расположены внутри канавок для уплотнения и обеспечивают геометрию уплотнения, которая взаимодействует с канавкой для уплотнения с целью обеспечения стойкости к перекосу или скручиванию внутри канавки для уплотнения.
Уровень техники
Гидродинамически смазываемые уплотнения компрессионного типа вращающегося вала, согласно уровню техники, раскрытые в патентах США №№4610319, 5230520, 5678829, 5738358, 5873576 и 6036192, известны в промышленности под торговой маркой "Kalsi Seals" и относятся к изделиям фирмы Kalsi Engineering, Inc. of Sugar Land, Тех. Из уровня техники следует, что ширина тела таких уплотнений в установленном состоянии является трудно предсказуемой и может значительно изменяться в зависимости от многочисленных факторов, включая допуски, изменения сжатия и тепловое расширение. Кроме того, из уровня техники следует, что ширина канавки, предусмотренной для таких уплотнений, должна быть больше, чем ширина в наихудшем случае установки тела уплотнения для предотвращения повышенного контактного давления между поверхностями на динамической уплотнительной поверхности раздела, обусловленного одновременным радиальным и осевым ограничением, и для предотвращения ухудшения гидродинамической пленки и связанного с ней износа в результате такого повышенного контактного давления. Контактное давление на поверхности раздела уплотнения и вращающегося вала является одним из наиболее важных факторов, относящихся к гидродинамическим характеристикам уплотнения, поскольку оно влияет на толщину пленки.
В патенте США №4610319, на фиг.1 и 1А показано, что ширина установленного гидродинамического уплотнительного элемента 59 меньше ширины канавки 52 для уплотнения. На фиг.1В того же патента показано, что ширина установленного гидродинамического уплотнительного элемента 61 меньше ширины круговой канавки 63 для уплотнения.
Аналогичным образом, на всех фигурах в патентах США №№5230520, 5678829 и 5738358, на которых показано установленное гидродинамическое уплотнение, ширина тела уплотнения меньше ширины канавки для уплотнения; смотри патенты США №5230520, фиг.1, 2, 4, 6, 7, 8, 9, 10 и 12, №5678829, фиг.1А, 3А и 4А, и №5738358, фиг.1, 2А, 4 и 5А. Важность необходимости превышения ширины канавки для уплотнения ширины в установленном состоянии тела гидродинамического уплотнения подробно обсуждается также в патентах США №№5873576 и 6036192.
В относящейся к продаже и применению гидродинамических уплотнений технической литературе также постоянно указывается на важность обеспечения ширины канавки для уплотнения, которая больше ширины в установленном состоянии тела уплотнения, с целью предотвращения повреждения уплотнения, связанного с одновременным радиальным и осевым ограничением уплотнения. Например, этот вопрос обсуждается в разделе «Выбор ширины сальниковой коробки» каталога уплотнений вращающегося вала PN 362-1 Kalsi Seals, начиная с выпуска каталога от 1 декабря 1993, в котором говорится, что ширину сальниковой коробки для уплотнений Kalsi следует выбирать с учетом размещения сжатого уплотнения. Четыре первичных фактора влияют на ширину сжатого уплотнения: (1) материал уплотнения, смещаемый в осевом направлении в результате радиального сжатия, (2) материал уплотнения, смещаемый в осевом направлении за счет теплового расширения эластомера, (3) объемное разбухание эластомера вследствие воздействия среды и (4) допуски уплотнения. Если длина канавки является недостаточно большой для удовлетворения указанных факторов, то контактное давление между поверхностями уплотнения и вала может резко увеличиваться и приводить к резкому уменьшению гидродинамической смазки и к соответствующему ухудшению характеристик уплотнения.
Уровень техники учит, что в отсутствии разницы давлений гидродинамические уплотнения вращающегося вала раскрытого в патентах США №№4610319, 5230520, 5678829 и 5738358 типа, могут подвергаться вызванному перекосом износу от соударения с абразивными материалами окружения. Например, в разделе «Выбор ширины сальниковой коробки» каталога уплотнений вращающегося вала PN 362-1 Kalsi Seals говорится, что «уплотнения, используемые в применениях без разницы давлений, могут
иметь тенденцию к «извиванию» в сальниковой коробке за счет действия окружного сжатия и теплового расширения. Если извивание присутствует во время вращения, то острая защитная кромка на стороне окружения уплотнения качается по валу и вызывает соударение среды окружения с концом уплотнения на стороне окружения. Если среда окружения содержит абразивные частицы, то соударение может вызывать абразивный износ конца уплотнения на стороне окружения. Некоторые абразивные частицы могут попадать на динамическую уплотнительную поверхность раздела и вызывать износ поверхностей уплотнения и вала».
Механизм износа вследствие вызванного перекосом соударения и решение, которое требует шайбу и механическую пружину для облегчения стабилизации уплотнения против перекоса и для компенсации изменений ширины тела уплотнения, вызываемых допусками уплотнения и тепловым расширением, описаны в журнале SРЕ/IАDС №37627. Этот способ предотвращает износ от вызванного перекосом соударения в отсутствии разницы давлений, однако уплотнение может совершать вызванное давлением перемещение внутри канавки для уплотнения, если давление окружения превышает давление смазки и создает гидравлическое усилие на площади уплотнения, которое превышает силу пружины. Если сила пружины не является очень постоянной по окружности уплотнения, то давление окружения может загибать уплотнение внутри его канавки, вызывая износ от вызванного перекосом соударения.
В патентах США №№5873576 и 6036192 подробно описан механизм износа от вызванного перекосом соударения, а также описано использование упругих пружинных выступов, которые выполнены в виде единого целого с телом уплотнения и выступают из него. Эти упругие выступы предназначены для стабилизации уплотнения против износа от вызванного перекосом соударения с одновременной компенсацией изменений ширины кругового тела уплотнения, вызванных допусками уплотнения, тепловым расширением и материалом уплотнения, смещаемым изменяющимся сжатием уплотнения.
Испытания показали, что геометрия уплотнения, раскрытая в патентах США №№5873576 и 6036192, успешно предотвращает вызываемый перекосом износ при отсутствии давления, как и задумывалось, и как таковая представляет улучшение по сравнению с уплотнениями более старой конструкции для определенных применений. Однако, если давление окружения превышает давление смазки, то неполная опора, обеспечиваемая упругими пружинными выступами, может приводить в некоторых вариантах выполнения к деформации тела уплотнения внутри канавки для уплотнения так, что уплотнение занимает скрученное и/или перекошенное положение, которое менее благоприятно для исключения окружения.
Испытания также показали, что определенные варианты выполнения уплотнений, выполненных в соответствии с патентами США №№5873576 и 6036192, подвергаются вызванному давлением перемещению в канавке для уплотнения, если давление окружения превышает давление смазки и создает гидравлическое усилие, которое превышает силу пружины упругих пружинных выступов. При последующем снятии давления окружения разница трения между статичной уплотнительной поверхностью раздела и динамической уплотнительной поверхностью раздела может приводить к мгновенному скручиванию уплотнения, что может вызывать всасывание окружения.
В уплотнениях, раскрытых в патентах США №№5873576 и 6036192, предусмотрены соединительные каналы, которые проходят за упругие пружинные выступы в полость, образованную стенкой канавки на стороне смазки, периферийной стенкой канавки и самими упругими пружинными выступами. Соединительные каналы обычно принимают вид окружных интервалов между пружинными выступами. Испытания показали, что соединительные каналы должны быть небольшими для наилучшего сдерживания уплотнения. Однако, в применениях с большим биением небольшой канал является не оптимальным для использования с не ньютоновскими смазками, такими как пластичная смазка, поскольку сильное сопротивление смазки не очень подходит для необходимого быстрого потока через каналы в ответ на быстро происходящие объемные изменения, вызванные биением. При увеличении рабочей температуры каналы, к сожалению, становятся еще меньше и менее подходящими для не ньютоновских смазок за счет расширения уплотнительного материала.
При нагнетании жидкостей, содержащих частицы, в небольшую полость. и последующем выталкивании из нее, жидкая фракция удаляется легче, чем частицы, и частицы проявляют тенденцию к накапливанию и оставлению в полости, где они создают обычно плотно спрессованную массу. Уплотнения, согласно патентам США №№5873576 и 6036192, не особенно подходят для использования с консистентными смазками, содержащими твердые частицы смазки, поскольку частицы проявляют тенденцию к скапливанию в небольших соединительных каналах и в полости, образованной стенкой канавки на стороне смазки, периферийной стенкой канавки и упругими пружинными выступами. Такие консистентные смазки обычно используются в нефтедобывающей промышленности для смазки сильно нагруженных критичных для работы подшипников.
Относительно мягкие уплотнительные материалы являются часто желательными для гидродинамических уплотнений низкого давления, поскольку они помогают минимизировать контактное давление между поверхностями, максимизировать толщину
пленки гидродинамической смазки и минимизировать создаваемое уплотнением тепло. Явления вызванного разницей давлений скручивания, перекоса и перемещения уплотнения, указанные выше применительно к уплотнениям, раскрытым в патентах США №№5873576 и 6036192, к сожалению усугубляются при применении относительно мягкого уплотнительного материала, такого как твердомерный эластомер с твердостью 80 по шкале А Шора.
Сущность изобретения
Изобретение относится к вращающемуся уплотнительному устройству, содержащему в основном кольцеобразное вращающееся уплотнение интерференционного типа с непосредственным сжатием вместо типа с изгибающимся консольным выступом, задающему объем S уплотнения и задающему средний диаметр Dm уплотнения, и дополнительно содержащему сплошное, в основном круговое тело уплотнения, состоящее из упругого материала и задающее первый конец тела уплотнения и второй конец тела уплотнения. Указанное сплошное, в основном круговое тело уплотнения задает статичную уплотнительную поверхность.
Имеется, по меньшей мере, один динамический уплотнительный выступ, выступающий из указанного сплошного, в основном кругового тела уплотнения и ориентированный в основном противоположно указанной статичной уплотнительной поверхности, и задающий динамическую уплотнительную поверхность, имеющую изменяющуюся ширину, при этом указанный динамический уплотнительный выступ обеспечивает гидродинамическую смазку указанной динамической уплотнительной поверхности.
Указанная статичная уплотнительная поверхность отделена от указанной динамической уплотнительной поверхности глубиной D уплотнения, и указанный первый конец уплотнительного тела отделен от второго конца уплотнительного тела шириной L уплотнения. Объем S уплотнения является величиной пространства, которое занимает уплотнение при комнатной температуре, измеренное в кубических единицах. Объем S уплотнения можно определить с помощью любого подходящего способа, такого как способ, использующий принцип Архимеда, в котором объем вытесненной погруженным объектом жидкости равен объему объекта, или же способа с использованием инженерного программного обеспечения для вычисления объема создаваемой компьютером сплошной модели, представляющей размеры уплотнения, или с помощью способа ручного вычисления, например, с использованием правил Паппуса или Гульдинуса объемных вычислений с использованием среднего  поперечного сечения уплотнения. Объем S,
поделенный на произведение ширины L уплотнения на глубину D уплотнения на средний диаметр Dm уплотнения на 3,1416, дает частное менее 0,84.
Предпочтительно, чтобы указанный динамический уплотнительный выступ выступал из указанного сплошного, в основном кругового тела на величину Р выступания, которая составляет, по меньшей мере, 30% от указанной глубины D уплотнения.
Первый конец 26 уплотнительного тела имеет глубину Е, и величина Р выступания указанного динамического уплотнительного выступа предпочтительно составляет, по меньшей мере, 75% указанной глубины Е указанного первого конца уплотнительного тела.
Сплошное, в основном круговое тело уплотнения задает теоретическую центральную ось; и при рассмотрении указанного сплошного, в основном кругового тела уплотнения в продольном разрезе вдоль указанной теоретической центральной оси, гидродинамическая входная кривая, имеющая степень кривизны, задается указанным динамическим уплотнительным выступом.
Указанная степень кривизны указанной гидродинамической входной кривой желательно меньше степени кривизны с радиусом 1/8 дюйма (3 мм) и предпочтительно меньше степени кривизны с радиусом 5/32 дюйма (4 мм), так что радиус кривизны гидродинамической входной кривой больше 1/8 дюйма и предпочтительно больше 5/32 дюйма.
Указанное сплошное, в основном круговое тело уплотнения предпочтительно задает срезанную поверхность для минимизации объема указанного вращающегося управления интерференционного типа, при этом указанная срезанная поверхность задает статичный уплотнительный выступ, который предпочтительно расположен по существу противоположно указанному динамическому уплотнительному выступу.
Указанная срезанная поверхность обычно ориентирована относительно указанного первого конца тела уплотнения под углом 90°, однако для минимизации объема уплотнения указанная срезанная поверхность может быть ориентирована относительно указанного первого конца тела уплотнения под углом больше 90°. Аналогичным образом, указанная статичная уплотнительная поверхность обычно ориентирована относительно указанного первого конца тела уплотнения под углом 90°, однако для минимизации объема уплотнения указанная статичная уплотнительная поверхность может быть ориентирована относительно указанного первого конца тела уплотнения под углом больше 90°. Указанный второй конец тела уплотнения может задавать круговой гребень 74 для обеспечения герметизации стенки канавки для уплотнения.
Указанное вращающееся уплотнение интерференционного типа может, как вариант, содержать первый отрезок и второй отрезок 62, при этом первый отрезок находится вблизи указанного первого конца тела уплотнения, а второй отрезок находится вблизи указанного второго конца тела уплотнения, и указанный первый отрезок содержит первый упругий материал, а указанный второй отрезок содержит второй упругий материал. Модуль упругости указанного первого упругого материала меньше модуля упругости указанного второго упругого материала. При желании указанный первый упругий материал может быть пористым волоконным материалом, обеспечивающим меньшую жесткость, чем жесткость указанного второго упругого материала.
Вращающееся уплотнительное устройство, согласно данному изобретению, может дополнительно содержать структуру, имеющую в основном круговую канавку для уплотнения, заданную первой стенкой канавки, второй стенкой канавки, расположенной на расстоянии от указанной первой стенки канавки, и периферийной стенкой канавки для уплотнения, при этом указанная в основном круговая канавка для уплотнения имеет объем канавки для уплотнения, при этом указанный объем S уплотнения меньше указанного объема канавки для уплотнения.
Вращающееся уплотнительное устройство, согласно данному изобретению, может дополнительно включать относительно вращаемую поверхность, при этом указанная в основном круговая канавка для уплотнения удерживает указанное уплотнение интерференционного типа с прижиманием к указанной относительно вращаемой поверхности, указанный первый конец тела уплотнения находится в контакте с указанной первой стенкой канавки, а указанный второй конец тела уплотнения находится в контакте с указанной второй стенкой канавки.
С точки зрения описания, указанная канавка для уплотнения и указанная относительно вращаемая поверхность задают сальниковую коробку уплотнения, имеющую объем сальниковой коробки, и при этом указанный объем S уплотнения должен быть меньше 85% указанного объема сальниковой коробки уплотнения.
Указанное вращающееся уплотнение интерференционного типа может быть ориентировано для радиальной герметизации, при этом указанная статичная уплотнительная поверхность имеет больший диаметр, чем указанная динамическая уплотнительная поверхность, или же указанное вращающееся уплотнение интерференционного типа может быть ориентировано для радиальной герметизации, при этом указанная динамическая уплотнительная поверхность 18 имеет больший диаметр, чем указанная статичная уплотнительная поверхность. В качестве альтернативного решения, указанное вращающееся уплотнение интерференционного типа может быть
ориентировано для осевой герметизации, при этом указанный первый конец тела уплотнения имеет больший диаметр, чем указанный второй конец 28 тела уплотнения, или же указанное вращающееся уплотнение интерференционного типа может быть ориентировано для осевой герметизации, при этом указанный второй конец тела уплотнения имеет больший диаметр, чем указанный первый конец тела уплотнения.
Гибкая переходная пятка может быть задана динамическим уплотнительным выступом, имеющим круговое пересечение с указанным вторым концом тела уплотнения на удалении от указанной динамической уплотнительной поверхности, и имеющего круговое пересечение с указанной динамической уплотнительной поверхностью на удалении от указанного второго конца тела уплотнения. Указанная гибкая переходная пятка может быть фаской, задающей угол фаски относительно второго конца 28 тела уплотнения, при этом этот угол фаски предпочтительно составляет менее 31°.
Указанная периферийная стенка 4 канавки и указанная относительно вращаемая поверхность находятся на радиальном расстоянии DG друг от друга, а указанное радиальное расстояние между указанной первой стенкой канавки и второй стенкой канавки составляет LG. Предпочтительно, чтобы результат математического умножения DxL был равен или больше результата умножения DGxLG.
Первичной целью данного изобретения является создание нового гидродинамически смазываемого вращающегося уплотнения компрессионного типа, которое пригодно для удерживания смазки и исключения окружения.
Другой целью данного изобретения является ограничение гидродинамического уплотнения так, чтобы предотвратить вызванный перекосом износ, обеспечение адекватного пространства внутри сальниковой коробки уплотнения для теплового расширения, компенсации больших изменений коэффициента теплового расширения уплотнительного материала, обеспечение относительно жесткого интегрального пружинного действия для минимизации вызванного давлением перемещения взад и вперед уплотнения внутри сальниковой коробки, и сохранение контактного давления между поверхностями внутри динамической уплотнительной поверхности раздела в оптимальном диапазоне для эффективной гидродинамической смазки и исключения окружения.
Другой целью данного изобретения является обеспечение полной опоры по окружности уплотнения для приема давления окружения по сравнению с прерывистой опорой, согласно патентам США №№5873576 и 6036192.
Целью изобретения является также создание гидродинамического уплотнения, которое пригодно для использования с не ньютоновскими смазками.
Различные цели и признаки данного изобретения достигаются с помощью гидродинамического вращающегося уплотнения компрессионного типа, выполненного с возможностью размещения внутри круговой канавки для уплотнения, заданной первой и второй расположенными на расстоянии друг от друга стенками канавки и периферийной стенкой канавки для уплотнения, и выполненного с возможностью герметизации периферийной стенки канавки для уплотнения и создания уплотнительной поверхности раздела с относительно вращаемой поверхностью, расположенной противоположно периферийной стенке канавки для уплотнения, и выполненного с возможностью задания перегородки между смазкой и окружением.
Гидродинамическое уплотнение, согласно данному изобретению, содержит сплошное круговое тело, состоящее из уплотнительного материала, и выполненное с возможностью размещения внутри круговой канавки для уплотнения и задающее первый и второй противоположные концы, при этом указанное сплошное круговое тело уплотнения выполнено с возможностью сжатия между периферийной стенкой канавки уплотнения и относительно вращаемой поверхностью, и выполнено с возможностью сжатия между первой и второй расположенными на расстоянии друг от друга стенками канавки для уплотнения.
Уплотнение имеет круговой динамический уплотнительный выступ, проходящий из указанного сплошного кругового тела уплотнения для сжатого уплотнительного контакта с относительно вращаемой поверхностью и для сжатия указанного сплошного кругового тела уплотнения, и имеет волновую гидродинамическую входную геометрию, обеспечивающую гидродинамическое вклинивание пленки смазки между указанными круговым динамическим уплотнительным выступом и относительно вращаемой поверхностью в ответ на вращение относительно вращаемой поверхности. Гидродинамическая входная геометрия предпочтительно является радиусом более 1/8 дюйма (3 мм). Круговой динамический уплотнительный выступ имеет круговую защитную геометрию с острой кромкой, заданную одним концом указанного кругового гидродинамического уплотнительного выступа и выполненную с возможностью взаимодействия с окружением для исключения проникновения окружения на уплотнительную поверхность раздела указанных вращающегося уплотнения и относительно вращаемой поверхности.
Уплотнение может иметь также, по меньшей мере, один круговой статичный уплотнительный выступ, проходящий из указанного сплошного кругового тела уплотнения и расположенный противоположно указанному круговому динамическому уплотнительному выступу для сжатого уплотнительного контакта с периферийной
стенкой канавки для уплотнения и для сжатия указанного сплошного кругового тела уплотнения. Круговой статичный уплотнительный выступ может проходить из указанного сплошного кругового тела уплотнения на меньшее расстояние, чем проходит указанный динамический уплотнительный выступ из указанного сплошного кругового тела уплотнения. Круговой статичный уплотнительный выступ и круговой динамический уплотнительный выступ могут быть расположены каждый на осевой концевой части указанного кругового тела уплотнения. Тело уплотнения имеет пропорции для обеспечения сжатия между первой и второй расположенными на расстоянии друг от друга стенками канавки для уплотнения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания указанных выше признаков, преимуществ и целей данного изобретения ниже приводится подробное описание на примере вариантов выполнения, изображенных на прилагаемых чертежах. Следует однако отметить, что прилагаемые чертежи лишь иллюстрируют типичные варианты выполнения данного изобретения, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие изобретение, поскольку изобретение может иметь другие одинаково эффективные варианты выполнения.
На чертежах изображено:
фиг.1 - частичный продольный разрез устойчивого к перекосу гидродинамического уплотнения, представляющего предпочтительный вариант выполнения и наилучший режим данного изобретения;
фиг.1А - разрез устойчивого к перекосу гидродинамического уплотнения, согласно фиг.1, расположенного внутри круговой сальниковой коробки уплотнения структуры, такой как корпус, и находящегося в уплотнительном контакте с относительно вращаемой поверхностью;
фиг.2 и 3 - графики предсказываемого с помощью анализа методом конечных элементов контактного давления, которое возникает на контуре контакта между поверхностями динамического уплотнительного выступа и относительно вращаемой поверхностью, которые показывают ход изменения контактного давления между поверхностями в зависимости от размера гидродинамической входной кривой уплотнения, при этом на фиг.2 представлена наиболее часто встречаемая гидродинамическая входная кривая, согласно уровню техники, а на фиг.3 представлена более крупная гидродинамическая входная кривая, предпочтительная для данного изобретения;
фиг.4 - частичный продольный разрез уплотнения, ориентированного для радиальной герметизации и имеющего динамический уплотнительный выступ, расположенный на внутренней периферии для уплотнения по существу цилиндрической относительно вращаемой поверхности, такой как поверхность вала;
фиг.4А - частичный продольный разрез уплотнения, ориентированного для радиальной герметизации и имеющего динамический уплотнительный выступ, расположенный на наружной периферии для уплотнения по существу цилиндрической относительно вращаемой поверхности, такой как поверхность отверстия в корпусе;
фиг.4В и 4С - частичный продольный разрез уплотнения, ориентированного для осевой (торцевой) герметизации и имеющего динамический уплотнительный выступ, расположенный с осевой ориентацией для уплотнения по существу плоской относительно вращаемой поверхности, такой как поверхность плеча вала;
фиг.5-8 - частичный продольный разрез двунаправленных гидродинамически смазываемых уплотнений, представляющих альтернативные варианты выполнения данного изобретения;
фиг.9 и 9А - частичный продольный разрез двунаправленных гидродинамически смазываемых уплотнений, представляющих другие альтернативные варианты выполнения данного изобретения, при этом на фиг.9А уплотнение показано внутри круговой канавки для уплотнения в уплотнительном контакте с относительно вращаемой поверхностью;
фиг.10 - частичный продольный разрез гидродинамически смазываемого уплотнения интерференционного типа, представляющего другой вариант выполнения данного изобретения и состоящего из двух дополняющих друг друга материалов; и
фиг.11 и 11А - частичный продольный разрез гидродинамически смазываемого уплотнения интерференционного типа, представляющего другой вариант выполнения данного изобретения, при этом на фиг.11 показано не сжатое состояние уплотнения, а на фиг.11А показано уплотнение в сжатом состоянии внутри круговой сальниковой коробки уплотнения.
Описание предпочтительного варианта выполнения
Данное изобретение относится к гидродинамически смазываемому уплотнению компрессионного типа (т.е. интерференционного типа, а не типа с эластичным консольным выступом) вращающегося вала, которое пригодно для удерживания смазки и исключения окружения, которое взаимодействует с установочной канавкой для обеспечения стойкости к износу. Оно выполнено так, что его геометрия, контактное давление между поверхностями и реакция на относительное вращательное движение
комбинируются для создания гидродинамической пленки смазки, которая отделяет уплотнение от сопряженной относительно вращаемой поверхности, и комбинируются для исключения окружения, и тем самым способствуют длительному сроку службы уплотнения. Толщина пленки пропорциональна давлению между поверхностями, а также зависит от других факторов, таких как форма в установленном состоянии гидродинамической геометрии и вязкость смазки. Уплотнения, согласно данному изобретению, являются двунаправленными, т.е. они обеспечивают эффективную гидродинамическую смазку при относительном вращении по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Изобретение направлено на предотвращение абразивного износа вследствие соударений в установках, где имеется небольшая разница давлений или отсутствует разница давлений на уплотнении, и в установках, где давление окружения может быть больше или меньше давления смазки, и в применениях, где давление колеблется, реверсируется и/или пульсирует. Уплотнение, согласно данному изобретению, является также устойчивым к вызванному давлению смещению внутри канавки для уплотнения и иногда возникающему одновременному скручиванию динамического уплотнительного выступа внутри канавки для уплотнения, которое в уплотнениях, согласно уровню техники, может приводить к всасыванию абразивных материалов. Эксперименты, проведенные изобретателями и их сотрудниками подтвердили, что совокупные признаки и преимущества данного изобретения обеспечивают более высокую абразивную стойкость, чем уплотнения, согласно представляющему уровень техники патенту США №5230520, при отсутствии разницы давлений, что является состоянием, в котором вызванный перекосом износ может быть проблемой.
На фиг.1 и 1А показаны два вида, которые представляют предпочтительный вариант выполнения изобретения. На фиг.1 и 1А показано в частичном продольном разрезе гидродинамически смазываемое уплотнение 2 интерференционного типа вращающегося вала, при этом на фиг.1 показано уплотнение 2 в не установленном состоянии, а на фиг.1А показано установленное состояние уплотнения 2 внутри в основном круговой канавки 3 для уплотнения структуры 20, такой как корпус, и прижатое с герметизацией к периферийной стенке 4 канавки и к относительно вращаемой поверхности 6, и удерживаемое в устойчивом к перекосу заключении между первой стенкой 8 и второй стенкой 10 в основном круговой канавки 3 для уплотнения.
Уплотнение 2 имеет сплошное в основном круговое тело 5 уплотнения, которое имеет первый конец 26 тела уплотнения, имеющий глубину Е, и которое имеет второй конец 28 тела уплотнения.
В промышленности гидродинамических уплотнений первую стенку 8 канавки часто называют стенкой сальниковой коробки на стороне смазки, а вторую стенку 10 канавки часто называют стенкой сальниковой коробки на стороне окружения. Аналогичным образом, первый конец 26 тела уплотнения часто называют смазываемым концом, а второй конец 28 тела уплотнения часто называют концом окружения. Первая стенка 8 канавки и вторая стенка 10 канавки находятся противоположно на расстоянии друг от друга, и первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения расположены в основном противоположно друг другу. Периферийная стенка 4 канавки и относительно вращаемая поверхность 6 также расположены в основном противоположно друг другу, и периферийная стенка 4 канавки имеет размер, обеспечивающий удерживание уплотнения 2 с прижатием к относительно вращаемой поверхности 6.
Для пояснения терминологии данной заявки, канавка 3 для уплотнения является пустым пространством в структуре 20, которая задана периферийной стенкой 4 канавки, первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки. Сальниковая коробка уплотнения является закрытым пространством, заданным периферийной стенкой 4  канавки, первой стенкой 8 и второй стенкой 10 в основном круговой канавки 3 для уплотнения и относительно вращаемой поверхностью 6.
Данное изобретение применяется там, где относительно вращаемая поверхность 6 герметизируется относительно структуры 20, при этом структура 20 или относительно вращаемая поверхность или обе выполнены с возможностью вращения. Хотя первая стенка 8 канавки и вторая стенка 10 канавки показаны в фиксированном постоянном соотношении друг с другом, это не должно ограничивать изобретение, поскольку изобретение допускает другие одинаково подходящие формы. Например, первая стенка 8 канавки и/или вторая стенка 10 канавки могут быть съемными для облегчения технического обслуживания и ремонта, но установленными в фиксированном соотношении во время работы оборудования для сдерживания уплотнения 2.
Уплотнение 2 может состоять из любого количества подходящих материалов, включая эластомерные или резинообразные уплотнительные материалы и различные полимерные уплотнительные материалы, или любые их комбинации, включая композитные конструкции, в которых одна часть уплотнения имеет материал, отличный от другой части, однако уплотнение 2 выполнено, по меньшей мере, частично из упругого уплотнительного материала, такого как эластомер. Предпочтительным материалом является эластомер, имеющий номинальную твердость в диапазоне 73-92 по шкале А Шора. Уплотнение 2, которое имеет в основном кольцеобразное сплошное тело, выполнено с возможностью размещения в основном круговой канавке 3 для уплотнения
структуры или корпуса 20, и используется для разделения смазки 22 от окружения 23, которое может содержать абразивные частицы, и используется для предотвращения смешивания окружения со смазкой, и используется для управления деформацией уплотнения и для управления контактной силой между уплотнением 2 и относительно вращаемой поверхностью 6. Уплотнение 2 включает динамический уплотнительный выступ 16 компрессионного типа, который имеет в основном круговую конфигурацию, которая задает динамическую уплотнительную поверхность 18. Уплотнение 2 предпочтительно также включает выступающий статичный уплотнительный выступ 12, который задает статичную уплотнительную поверхность 14. Динамический уплотнительный выступ 16 и статичный уплотнительный выступ 12 ориентированы в основном противоположно друг другу для минимизации возможности скручивания уплотнения 2 внутри в основном круговой канавки 3 для уплотнения.
Уплотнение 2 может быть выполнено с возможностью радиальной или осевой (торцевой) герметизации. В конфигурации радиальной герметизации статичная уплотнительная поверхность 14, динамическая уплотнительная поверхность 18, периферийная стенка 4 канавки и относительно вращаемая поверхность 6 могут иметь по существу цилиндрическую конфигурацию, и первая стенка 8 канавки, вторая стенка 10 канавки, первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения могут иметь по существу плоскую конфигурацию, и указанный динамический уплотнительный выступ 16 может выступать из указанного сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения по существу в радиальном направлении.
При конфигурации осевой (торцевой) герметизации статичный уплотнительный выступ 14, динамический уплотнительный выступ 18, периферийная стенка 4 канавки и относительно вращаемая поверхность 6 могут иметь по существу плоскую конфигурацию, и первая стенка 8 канавки, вторая стенка 10 канавки, первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения могут иметь по существу плоскую конфигурацию, и указанный динамический уплотнительный выступ 16 может выступать из указанного сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения по существу в радиальном направлении.
В уплотнениях большого диаметра профиль уплотнения, согласно данному изобретению, обычно является достаточно мягким, так что если он первоначально выполнен для конфигурации радиальной герметизации, то его можно просто торсионно скручивать на 90° для работы в конфигурации торцевой герметизации. В уплотнениях меньшего диаметра такие уплотнения являются более жесткими для скручивания и поэтому их предпочтительно изготавливать в качестве радиально ориентированного
уплотнения или ориентированного в осевом направлении уплотнения, что может требоваться в частных применениях уплотнения.
Локальный отрезок U является отрезком той части уплотнения 2, которая не находится в контакте с относительно вращаемой поверхностью 6. Сжатие уплотнения 2 между периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6 создает в основном круговую статичную уплотнительную поверхность между периферийной стенкой 4 канавки и сопряженной статичной уплотнительной поверхностью 14, и создает в основном круговую динамическую уплотнительную поверхность раздела между относительно вращаемой поверхностью 6 и сопряженной динамической уплотнительной поверхностью 18, при этом указанная динамическая уплотнительная поверхность раздела имеет локальную ширину W, которая равна ширине LG минус локальный отрезок U. Когда уплотнение 2 установлено со сжатием между периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6, то локальная ширина W состоит из динамической уплотнительной поверхности 18 и части гидродинамической входной кривой 38 вследствие вызванного сжатием сплющивания динамического уплотнительного выступа 16.
Структура 20 образует, по меньшей мере, часть камеры для смазки, которая служит для удерживания смазки 22. Когда происходит относительное вращение между структурой 20 и относительно вращаемой поверхностью 6, то окружное направление вращательного движения является перпендикулярным плоскости разреза на фиг.1 и 1А, и уплотнение остается неподвижным относительно структуры 20 и сохраняет статичную уплотнительную поверхность раздела со структурой 20, и относительно вращаемая поверхность 6 скользит относительно динамической уплотнительной поверхности 18 при заданной скорости V вращения, и поверхность раздела между уплотнением 2 и относительно вращаемой поверхностью 6 становится динамической уплотнительной поверхностью раздела. Защитная кромка 30 на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 является круговой и предпочтительно резкой, а кромка 32 на стороне смазки динамической уплотнительной поверхности 18 является не круговой, согласно патенту США №4610319, и поэтому локальная ширина W динамической уплотнительной поверхности 18 изменяется по окружности уплотнения 2. Аналогичным образом, ширина зоны профиля динамического уплотнительного выступа 16 изменяется по окружности уплотнения 2. Не круговая кромка 32 на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 и гидродинамическая входная кривая 38 образуют совместно волнистую гидродинамическую входную геометрию, обеспечивающую гидродинамическую смазку уплотнения. В результате изменений локальной ширины W
динамической уплотнительной поверхности 18, одна составляющая скорости V вращения вклинивает пленку смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела между динамическим уплотнительным выступом 16 и относительно вращаемой поверхностью 6, вызывая тем самым гидродинамический подъем динамической уплотнительной поверхности 18 и движение ее по пленке, за счет чего обеспечивается смазка динамической уплотнительной поверхности 18 и относительно вращаемой поверхности 6, согласно патенту США №4610319. Эта пленка смазки физически разделяет уплотнение 2 и относительно вращаемую поверхность 6 и тем самым предотвращает обычный износ сухого трения, связанный с обычными гидродинамическими уплотнениями интерференционного типа, и за счет этого удлиняет срок службы уплотнения и сопряженной поверхности и позволяет использовать на практике более высокие рабочие давления. Не круговой характер кромки 32 на стороне смазки может принимать любую из многих подходящих форм, которые приводят к постепенному сужению не круговой формы на стороне смазки динамического уплотнительного выступа 16 без отхода от идеи и объема данного изобретения.
Поскольку локальная ширина W изменяется по окружности уплотнения, то для пояснения необходимо отметить, что показанные на фиг.1 и 1А разрезы выполнены в месте окружности, которое представляет средний размер такого изменения локальной ширины W и которое соответствует средней точке высоты гидродинамической волновой геометрии, описанной в патенте США №4610319. Полезно также отметить, что гидродинамическая входная кривая 38 и не сжатая геометрия 40 являются не круговыми и изменяют местоположение в зависимости от изменения локальной ширины W. Если относительное вращение отсутствует, то герметичное для жидкости уплотнение сохраняется на статичной уплотнительной поверхности раздела между статичной уплотнительной поверхностью 14 и периферийной стенкой 4 канавки и между динамической уплотнительной поверхностью 18 и относительно вращаемой поверхностью 6.
Когда уплотнение 2 сжато между периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6, то ширина L тела уплотнения 2 увеличивается за счет смещения сжатого уплотнительного материала. Когда на уплотнение 2 воздействуют рабочие условия повышенной температуры, то ширина L тела уплотнения 2 имеет тенденцию к дальнейшему увеличению за счет теплового расширения. Уплотнение 2 часто используется в условиях повышенной температуры, и оно также создает свое собственное тепло за счет сдвига смазки и шероховатого контакта на динамической уплотнительной поверхности раздела. Уплотнение претерпевает объемное тепловое
расширение, которое имеет коэффициент расширения, примерно в три раза превышающий линейный коэффициент теплового расширения.
В уровне техники специально указывается, что тело уплотнения не должно быть одновременно в контакте как со стенкой сальниковой коробки на стороне смазки, так и со стенкой сальниковой коробки на стороне окружения, поскольку такое заключение с учетом непредсказуемой ширины уплотнения в установленном состоянии может вызывать высокое контактное давление между поверхностями, не совместимое с гидродинамической смазкой, на динамической уплотнительной поверхности раздела, что приводит к повреждению уплотнения. В противоположность обычным представлениям и учениям уровня техники, тело уплотнения 2, согласно данному изобретению, предназначено для одновременного контакта во время работы как с первой стенкой 8 канавки, так и со второй стенкой 10 канавки; то есть, во время работы первый конец 26 тела уплотнения 2 должен находиться в контакте с первой стенкой 8 канавки, а второй конец 28 тела уплотнения 2 должен находиться в контакте со второй стенкой 10 канавки. Эффективность этого подхода не была очевидной перед выполнением обширного анализа методом конечных элементов и испытаний и противоречила ожиданиям и оценкам, согласно уровню техники.
Для облегчения монтажа ширина L уплотнения 2 в не установленном состоянии при комнатной температуре может быть меньше расстояния LG между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки. Уплотнение 2 может быть выполнено так, что указанное выше вызванное тепловым расширением и вызванное сжатием при установке увеличение длины L приводит во время работы к одновременному контакту уплотнения 2 как с первой стенкой 8 канавки, так и со второй стенкой 10 канавки. На практике ширина L не может увеличиться до величины больше расстояния LG между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки, поскольку первая стенка 8 канавки и вторая стенка 10 канавки обеспечивают физический предел. При увеличении ширины L до величины,. равной расстоянию LG между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки, любое дополнительное сжатие или тепловое расширение уплотнения 2 компенсируется смещением не ограниченной геометрии 40 и гидродинамической входной кривой 38 в направлении относительно вращаемой поверхности 6. Локальная ширина W увеличивается в зависимости от увеличивающегося ограничения уплотнения и в зависимости от увеличивающегося вызванного температурой теплового расширения.
Как указывалось выше, локальный отрезок U является отрезком уплотнения 2, который не находится в контакте с относительно вращаемой поверхностью 6. Тело 5 уплотнения, согласно данному изобретению, служит в качестве интегрального
пружинного элемента на локальном отрезке U, а не сжатая геометрия 40 и гидродинамическая входная кривая 38 выпячиваются в направлении относительно вращаемой поверхности 6, когда уплотнение 2 сжимается между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки в результате сжатия уплотнения, накопления допусков и теплового расширения.
Эксперименты, проведенные изобретателями и их сотрудниками, подтвердили, что совокупные признаки и преимущества данного изобретения, вопреки обычному мнению и учению, согласно уровню техники, работают гидродинамически во время одновременного ограничения уплотнения 2 первой стенкой 8 канавки, второй стенкой 10 канавки, периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6. Было установлено, что происходит адекватная гидродинамическая смазка динамической уплотнительной поверхности 18 даже когда на уплотнение 2 воздействует высокая окружающая температура (250°Ф (120°С)), а уровень одновременного ограничения превышает наихудший случай совокупности допусков.
Во время части экстенсивных испытаний уплотнение было установлено в испытательном приспособлении, которое допускало уменьшение ширины LG в основном круговой канавки 3 для уплотнения при относительном вращении между структурой 20 и относительно вращаемой поверхностью 6. В противоположность общему мнению, испытания показали, что до определенной точки, когда наступает ограничение в результате уменьшения расстояния LG, гидродинамический рабочий крутящий момент уплотнения уменьшается. Этот результат был не очевиден перед проведением испытаний и противоречил ожиданиям и оценкам, согласно уровню техники.
Одним из ключевых признаков данного изобретения  является минимизация объема уплотнения с целью обеспечения достаточного объема расширения внутри сальниковой коробки для компенсации (посредством смещения не сжатой геометрии 40 и гидродинамической входной кривой 36 в направлении относительно вращаемой поверхности 6) комбинированных эффектов накопления допусков, теплового расширения и уплотнительного материала, смещенного за счет ограничения, создаваемого сальниковой коробкой.
Важным фактором, который приводит к минимизации объема уплотнения, является срезанная поверхность 34, которая в данном варианте выполнения показана по существу параллельной статичной уплотнительной поверхности 14, однако показанное параллельное соотношение не должно ограничивать объем изобретения, поскольку срезанная поверхность 34 может быть также ориентирована с перекосом относительно статичной уплотнительной поверхности 14, как показано на фиг.9-9А. Другим важным
фактором, который влияет на минимизацию объема уплотнения, является включение не сжатой геометрии 40 под относительно крутым углом А относительно динамической уплотнительной поверхности 18 и относительно вращаемой поверхности 6. Угол А должен быть больше 30°, и предпочтительно угол А должен быть в диапазоне 40-45°. Это обеспечивает пространство для большой величины смещения материала за счет теплового расширения, первоначального сжатия и допусков, по сравнению с уплотнениями Kalsi, согласно уровню техники. Желательно, чтобы уплотнение 2 оставалось работоспособным внутри диапазона коэффициента теплового расширения от 0,00027 до 00039 кубических дюймов на 1°Ф.
Соотношения размеров, желательные в данном изобретении, можно выразить математически с использованием следующих переменных:
As - зона формы продольного разреза уплотнения при средней ширине не установленного уплотнительного выступа при комнатной температуре, при этом разрез выполнен в плоскости, которая проходит через продольную ось уплотнения.
С - коэффициент трехмерного теплового расширения уплотнительного материала, используемого для выполнения уплотнения.
D - глубина при комнатной температуре в не установленном состоянии профиля тела уплотнения от статичной уплотнительной поверхности 14 до динамической уплотнительной поверхности 18.
DG - расстояние между относительно вращаемой поверхностью 6 и периферийной стенкой 3 канавки при комнатной температуре.
Dm - средний диаметр в не установленном состоянии профиля при комнатной температуре, т.е. (внутренний диаметр + наружный диаметр)/2.
Е - глубина в не установленном состоянии первого конца 26 тела уплотнения при комнатной температуре.
G - объем сальниковой коробки при комнатной температуре, с использованием приведенного выше в описании определения сальниковой коробки.
L - ширина при комнатной температуре в не установленном состоянии профиля уплотнения, измеренная от первого конца 26 тела уплотнения до второго конца 28 тела уплотнения.
LG - расстояние между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки.
Р - величина выступания в не установленном состоянии динамического уплотнительного выступа 16 из первого конца 26 тела уплотнения к динамической уплотнительной поверхности 18 при комнатной температуре.
Rg - объем при комнатной температуре канавки с использованием приведенного выше в описании определения канавки.
Rv - произвольно задаваемый теоретический объем, используемый для проверки пропорций конструкции уплотнения, согласно данному изобретению, с целью компенсации теплового расширения уплотнения и смещаемого сжатием материала, который вычисляется с использованием уравнения Rv=Dm×3,1416×L×D. Этот произвольно задаваемый объем представляет объем воображаемого кольца прямоугольного поперечного сечения, которое имеет одинаковые при комнатной температуре внутренний диаметр, наружный диаметр и ширину, что и рассматриваемое уплотнение.
S - объем при комнатной температуре в не установленном состоянии уплотнения, т.е. величина пространства, занимаемого уплотнением при комнатной температуре, измеренное в кубических единицах. Объем S уплотнения можно определить с помощью любого подходящего способа, таким как способ, использующий принцип Архимеда, в котором объем вытесненной жидкости погруженным объектом равен объему объекта, или же способа с использованием инженерного программного обеспечения для вычисления объема создаваемой компьютером сплошной модели, представляющей размеры уплотнения, или с помощью способа ручного вычисления, например, с использованием правил Паппуса или Гульдинуса объемных вычислений с использованием среднего поперечного сечения уплотнения.
XG - радиальный размер зазора вытеснения между структурой и относительно вращаемой поверхностью 6 при комнатной температуре.
Для целей данного описания комнатная температура является стандартной и хорошо известной, заданной стандартом ASTM испытательной комнатной температурой для измерения и испытания эластомеров, т.е. 23±2°С (73,4±3,6°Ф).
Одним из основных требований данного изобретения является то, что объем S при комнатной температуре уплотнения 2 должен быть меньше объема Rg при комнатной температуре круговой канавки 3 для уплотнения. Основополагающим является также то, что объем G сальниковой коробки должен превышать S+S×С×280°Ф.
Для обеспечения достаточной пустой площади внутри сальниковой коробки для компенсации теплового расширения и материала, смещаемого при сжатии и т.д., средняя площадь As разреза уплотнения, поделенная на (L×D), должна давать частное меньше 0,84.
Для обеспечения достаточного пустого объема внутри сальниковой коробки для компенсации теплового расширения и материала, смещаемого при сжатии и т.д., объем S
уплотнения, поделенный на Rv, должен давать частное менее 0,84, и объем S уплотнения, поделенный на G, должен давать частное меньше 0,85.
Для обеспечения ограничения D, умноженное на L, должно быть равно или предпочтительно больше, чем DG, умноженное на LG.
Для обеспечения адекватного ограничения при рабочей температуре, ширина L должна быть предпочтительно равной или большей 90% расстояния LG, и предпочтительно составлять около 94% расстояния LG. Кроме того, расстояние при комнатной температуре в установленном состоянии от первого конца 26 тела уплотнения до второго конца 28 тела уплотнения должно быть больше 0,95×LG, и предпочтительно должно быть равным LG, а расстояние в установленном состоянии от первого конца 26 тела уплотнения до второго конца 28 тела уплотнения при рабочей температуре должно быть по существу равным LG.
Целью данного изобретения является, чтобы уплотнение 2 имело в не сжатом состоянии после изготовления такие пропорции, чтобы в установленном состоянии и при рабочей температуре оно не переполняло сальниковую коробку и не вызывало контактного давления между поверхностями, которое не совместимо с гидродинамической смазкой. Другой целью данного изобретения является, чтобы уплотнение 2 находилось одновременно в контакте как с первой стенкой 8 канавки, так и со второй стенкой 10 канавки по меньшей мере во время состояния устойчивой температуры, достигаемой во время работы, а также предпочтительно при комнатной температуре; то есть, чтобы первый конец 26 тела уплотнения находился в контакте с первой стенкой 8 канавки, а второй конец 28 тела уплотнения находился одновременно в контакте со второй стенкой 10 канавки. Целью такого контакта во время работы является предотвращение вызываемого перекосом всасывания абразивных материалов. Сила, возникающая при сжатии сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки, прижимает второй конец 28 тела уплотнения в плотный контакт со второй стенкой 10 канавки и поддерживает уплотнение против вызванного сжатием окружного вспучивания, которое бы происходило в противном случае. Таким образом, защитная кромка на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 удерживается в желаемой круговой конфигурации и поэтому не может создавать действие гидродинамического вклинивания окружения 23 в ответ на относительное вращательное движение, и поэтому действует, согласно предназначению, для исключения проникновения частиц загрязнений на динамическую уплотнительную поверхность.
Для оптимального ограничения уплотнения 2 первая стенка 8 канавки и вторая стенка 10 канавки должны быть выполнены параллельно друг другу в пределах 35°, и предпочтительно по существу параллельно друг другу. Кроме того, для оптимального ограничения уплотнения 2 первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения должны быть выполнены параллельно друг другу в пределах 35°, и предпочтительно по существу параллельно друг другу, и предпочтительно должны соответствовать углу между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки. Кроме того, для оптимального ограничения, ориентации и сжатия уплотнения угловые радиусы 70 и 72 канавки должны быть меньше 15% результата вычитания размера XG из размера DG.
Пружинное действие на локальный отрезок U сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения, согласно фиг.1 и 1А, может быть выполнено относительно жестким по сравнению с упругими выступающими пружинными элементами, показанными в патенте США №5873576, что помогает минимизировать вызванное разницей давлений перемещение взад и вперед и скручивание уплотнения внутри в основном круговой канавки 3 для уплотнения и тем самым помогает предотвращать всасывание абразивных материалов.
Одной из проблем, иногда встречаемых при использовании эластомерных уплотнений, является объемное изменение (набухание или сокращение) и другие формы разрушения эластомеров, такие как размягчение и потеря прочности материала, которые происходят в результате воздействия несовместимой жидкости окружения. Одним примером такого несовместимого окружения может быть буровой раствор на основе сложного эфира. В данном изобретении, поскольку второй конец 28 тела уплотнения создает во время работы уплотнительное взаимодействие со второй стенкой 10 канавки, то лишь небольшая часть уплотнения действительно открыта для окружения, что помогает минимизировать разрушение эластомера в результате воздействия несовместимой жидкости окружения (обычно можно выбирать смазку, которая совместима с эластомером, так что объемные изменения и другие формы разрушения уплотнительного материала обычно не возникают в результате воздействия смазки). Для помощи в обеспечении создания уплотнительного взаимодействия между уплотнением 2 и второй стенкой 10 канавки может быть включен небольшой кольцевой гребень 74, который выступает из второго конца 28 тела уплотнения для контакта и создания уплотнительного взаимодействия со второй стенкой 10 канавки. Кольцевой гребень 74 предпочтительно расположен на расстоянии от динамической уплотнительной поверхности 18, равном или большем, чем одна треть глубины D.
При применениях внутри скважины окружающее давление скважины является экстремально высоким за счет глубины скважины и веса жидкости. Поскольку кольцевой гребень 74 создает уплотнительное взаимодействие со второй стенкой 18 канавки, то окружающее давление скважины может воздействовать на площадь уплотнения между кольцевым гребнем 74 и статичной уплотнительной поверхностью 14 для создания гидравлического усилия, которое удерживает второй конец 28 тела уплотнения в плотном контакте со второй стенкой 10 канавки. Это гидравлическое усилие помогает предотвращать вращение уплотнения 2 в направлении против часовой стрелки, при этом направление против часовой стрелки относится к фиг.1А. Если разрешить уплотнению 2 вращаться в направлении против часовой стрелки, то защитная кромка 30 на стороне окружения будет менее сильно прижиматься к относительно вращаемой поверхности 6 и будет менее эффективно исключать окружение 23.
Поскольку срезанная поверхность 34 тела уплотнения 2 находится вблизи периферийной стенки 4 канавки или предпочтительно в контакте с ней, то воздействие срезанной поверхности 34 на периферийную стенку 4 механически стабилизирует уплотнение против скручивания уплотнения по часовой стрелке, согласно патенту США №5230520, при этом направление по часовой стрелке определяется применительно к фиг.1А.
Кроме того, поскольку срезанная поверхность 34 тела уплотнения 2 находится вблизи периферийной стенки 4 канавки или в контакте с ней, то по существу отсутствует объем смазки между срезанной поверхностью 34 и периферийной стенкой 4 канавки, что исключает необходимость связи с этой областью, и тем самым исключаются указанные выше проблемы, связанные с обеспечением прохождения смазки за упругие пружинные выступы, согласно патенту США №5873576.
Непрерывная круговая природа первого конца 26 тела уплотнения, согласно данному изобретению, делает данное изобретение более устойчивым к вызываемому перекосом износу за счет соударения по сравнению с представляющим уровень техники патентом США №5873576. Соединительные прорези в определенных вариантах выполнения уплотнений, согласно патенту США №5873576, способствуют искажению уплотнения и приводят к вызываемому перекосом износу за счет соударения, если окружающее давление больше давления смазки. Непрерывная поверхность первого конца 26 тела уплотнения, согласно данному изобретению, обеспечивает непрерывную круговую опору и поэтому сопротивляется вызываемому разницей давления перекосу уплотнения внутри канавки, поскольку нет каналов связи в уплотнительном материале, подлежащих вдавливанию окружающим давлением.
Другим стабилизирующим признаком данного изобретения при применениях в бурении скважин является то, что во время работы первый конец 26 тела уплотнения создает герметизирующее взаимодействие с первой стенкой 8 канавки, а второй конец 28 тела уплотнения создает герметизирующее взаимодействие со второй стенкой 10 канавки. Это означает, что окружающее давление в скважине может воздействовать на площадь между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки для создания гидравлического усилия, которое удерживает срезанную поверхность 34 в плотном контакте с периферийной стенкой 4 канавки. Это гидравлическое усилие предотвращает поворот уплотнения 2 в направлении против часовой стрелки, при этом направление против часовой стрелки определяется применительно к фиг.1А.
В уплотнениях, согласно уровню техники, выступание динамического уплотнительного выступа из в основном прямоугольного профиля тела уплотнения было относительно небольшим с тем, чтобы тело уплотнения могло быть относительно большим; считалось, что эта конструкция необходима для минимизации не поддерживаемой зоны динамического уплотнительного выступа, когда она открыта для давления окружения, которое больше давления смазки, с целью минимизации вызываемого давлением отклонения выступа. В таких уплотнениях, согласно уровню техники, тело уплотнения и выступ занимают большую часть объема сальниковой коробки в установленном состоянии, в частности, если оно установлено в канавке для уплотнения, которая находится одновременно в контакте с концом на стороне смазки и концом на стороне окружения уплотнения. Следовательно, остается лишь небольшое пустое пространство внутри сальниковой коробки для компенсации теплового расширения уплотнения, что приводит к высокому контактному давлению между поверхностями. Если это, к сожалению, случалось в оборудовании клиента, то тепловое расширение полностью плоско прижимало уплотнение, согласно уровню техники, к относительно вращаемой поверхности, что исключает аспекты гидродинамической смазки уплотнения и приводит к сильному износу.
Сплошное, в основном круговое тело 5 уплотнения, показанное на фиг.1 и 1А, действует как пружина на локальном отрезке U и служит для удерживания второго конца 28 тела уплотнения у второй стенки 10 канавки и создает контактное давление между ними, которое помогает предотвращать скапливание частиц окружения между вторым концом 28 тела уплотнения и второй стенкой 10 канавки. Если позволить частицам накапливаться между вторым концом 28 тела уплотнения и второй стенкой 10 канавки, то они могут накапливаться неравномерно, что может приводить к местному перекосу уплотнения и вызванному перекосом всасыванию абразивных частиц.
За счет относительно небольшой глубины Е по сравнению с полной глубиной D, согласно данному изобретению, контактное давление между поверхностями остается относительно низким, даже хотя уплотнение ограничивается одновременно первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки, периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6. Согласно данному изобретению, отношение выступания Р к полной глубине D предпочтительно больше 0,3 и предпочтительно составляет около 0,45. Предпочтительно также, чтобы отношение выступания Р к глубине Е было больше 0,75 и предпочтительно составляло около 0,8.
За счет отношения глубины Е к полной глубине D в уплотнениях, согласно уровню техники, контактное давление между поверхностями может становиться относительно большим, если уплотнение, согласно уровню техники, ограничивается между стенкой сальниковой коробки на стороне смазки и стенкой сальниковой коробки на стороне окружения и затем подвергается воздействию рабочей температуры (рабочая температура всегда выше окружающей температуры из-за самогенерируемого тепла в результате сдвига смазки на динамической уплотнительной поверхности). Это происходит потому, что сплошное, в основном круговое тело 5 уплотнения действует как пружина сжатия на локальном отрезке U, и в уплотнениях, согласно уровню техники, пропорционально большая глубина Е увеличивает поперечную площадь тела и эффективную нагрузку пружины сжатия по сравнению с данным изобретением. Это происходит потому, что при сжатии эластичных элементов сжимающая нагрузка пропорциональна проценту отклонения, умноженному на модуль упругости материала и на площадь элемента.
Глубина Е первого конца 26 тела уплотнения составляет относительно небольшую процентную долю полного отрезка D уплотнения 2 по сравнению с гидродинамическими уплотнениями, согласно уровню техники, и выступание Р динамического уплотнительного выступа 16 из тела уплотнения 2 является относительно большим по сравнению с глубиной F первого конца 26 тела уплотнения. Такая конструкция делает максимальным объем пустого пространства 42 профиля относительно объема уплотнения 2 при комнатной температуре, что обеспечивает адекватное пространство для теплового расширения уплотнения 2 и обеспечивает адекватное пространство для уплотнительного материала, смещаемого за счет сжатия уплотнения 2. Это позволяет уплотнению успешно работать без переполнения сальниковой коробки уплотнения и без чрезмерного прижимания динамического уплотнительного выступа 16 к относительно вращаемой поверхности 6, даже при одновременном  ограничении первой стенкой 8 канавки, второй стенкой 10 канавки, периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6. Если пустое пространство 42 профиля не предусмотрено, то уплотнение
2 может переполнить сальниковую коробку, что приведет к резкому повышению контактного давления между поверхностями, что оказывает значительное негативное влияние на динамические характеристики уплотнения 12.
Пропорционально небольшой размер глубины Е сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения эффективно снижает вес конструкции сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения по сравнению с уровнем техники, что уменьшает эффективную нагрузку сжатия, создаваемую сплошным, в основном круговым телом 5 уплотнения при заключении между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки. Поскольку часть силы сжатия между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки вносит свой вклад в контактное давление на динамической уплотнительной поверхности раздела, то глубину Е можно использовать для регулирования такого контактного давления между поверхностями и тем самым для регулирования толщины пленки смазки между уплотнением и относительно вращаемой поверхностью. Результат деления глубины Е на глубину D должен быть меньше 0,7 и предпочтительно должен составлять около 0,55.
Ограничение сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения канавкой является основой для поддержки динамического уплотнительного выступа 16 против разницы давлений, вызванной отклонением, когда давление окружения 23 превышает давление смазки 22. Эффективность этого подхода не была очевидной перед проведением анализа методом конечных элементов и испытаний и противоречила ожиданиям и инженерной оценке, согласно уровню техники.
Уплотнение, согласно данному изобретению, выполнено так, что изменения ширины L, происходящие в результате допусков, теплового расширения и изменяющегося сжатия, не вызывают такого высокого уровня контактного давления на динамической уплотнительной поверхности раздела между динамической уплотнительной поверхностью 18 и относительно вращаемой поверхности 6, которое было бы несовместимо с гидродинамической смазкой динамической уплотнительной поверхностью раздела. Согласно анализу методом конечных элементов, пиковое контактное давление между поверхностями, согласно данному изобретению, больше давления, согласно уровню техники, при высокой температуре, однако пришлось выполнить несколько стадий разработки для обеспечения совместимости контактного давления с гидродинамической смазкой.
Как показано на частичном продольном разрезе на фиг.1, пересечение не сжатой геометрии 40 и динамической уплотнительной поверхности 18 плавно сопряжено с помощью гидродинамической входной кривой 38, которая предпочтительно является
касательной к обеим. Для ориентации необходимо понимать, что в продольном разрезе на фиг.1 и 1А, плоскость разреза проходит через продольную ось уплотнения и выровнена с ней. В предпочтительном варианте выполнения данного изобретения, гидродинамическая входная кривая 38 на виде в продольном разрезе больше, чем применяемая в тех уплотнениях, согласно уровню техники, которые задают гидродинамическую входную кривую при рассматривании в продольном разрезе.
Гидродинамическая входная кривая 38 предпочтительно имеет степень кривизны больше степени кривизны кривой с радиусом 1/8 дюйма (3 мм), за счет чего обеспечивается кривая с радиусом кривизны более 1/8 дюйма (3 мм) (Степень кривизны определяет, как быстро изгибается кривая. Например, окружность имеет постоянную степень кривизны, поскольку она всегда имеет одинаковую скорость поворота; меньшая окружность имеет более высокую степень кривизны, чем большая окружность, поскольку она поворачивается быстрее. Например, степень кривизны окружности с радиусом ¼ дюйма меньше степени кривизны окружности с радиусом 1,8 дюйма, в то время как окружность с радиусом ¼ дюйма больше окружности с радиусом 1/8 дюйма). Гидродинамическая входная кривая 38 может принимать любую подходящую форму для создания гидродинамического вклинивания, без отхода от идеи или объема данного изобретения, такую как часть окружности, часть эллипса, часть синусоидальной кривой, часть параболической кривой, часть циклоиды, часть версиеры или их комбинации. Если гидродинамическая входная кривая 38 включена в виде части эллипса, предпочтительно, чтобы среднее значение большой и малой оси эллипса было больше 1/8 дюйма и предпочтительно составляло 5/32 дюйма или больше.
Когда уплотнение 2 прижато к относительно вращаемой поверхности 6, то гидродинамическая входная кривая 38 должна обеспечивать постепенное схождение с относительно вращаемой поверхностью 6 для эффективного вклинивания смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела между динамической уплотнительной поверхностью 18 и относительно вращаемой поверхностью 6.
Фирмой Kalsi Engineering, Inc. был проведен экстенсивный анализ методом конечных элементов гидродинамических уплотнений с целью изучения воздействия геометрии уплотнения на контактное давление, и с целью изучения влияния контактного давления на гидродинамические и защитные характеристики. Этот анализ показал, что размер гидродинамической входной кривой 38 играет ключевую роль в создании оптимального профиля контактного давления. Для достижения улучшенного профиля контактного давления между поверхностями по сравнению с уровнем техники, гидродинамическая входная кривая 38, при рассматривании в продольном разрезе, должна
иметь степень кривизны, которая меньше степени кривизны с радиусом 1/8 дюйма, обеспечивая тем самым кривую, которая больше окружности с радиусом 1/8 дюйма, и предпочтительно должна иметь степень кривизны, которая меньше степени кривизны с радиусом 5/32 дюйма, обеспечивая тем самым кривую, которая больше окружности с радиусом 5/32 дюйма.
Когда используется такая относительно большая гидродинамическая входная кривая 38, то касательная между гидродинамической входной кривой 38 и динамической уплотнительной поверхностью 18 в несжатом состоянии уплотнения может подходить очень близко к защитной кромке 30 на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 при наименьшей ширине W динамической уплотнительной поверхности 18. Однако, когда динамический уплотнительный выступ 16 прижимается к относительно вращаемой поверхности 6, то ширина W расширяется и достигает большего размера, поскольку значительная часть гидродинамической входной кривой 38 становится плоской на относительно вращаемой поверхности 6, для того чтобы стать частью эффективного размера ширины W.
На фиг.2 и 3 показаны графики полученных с помощью анализа методом конечных элементов предсказаний контактного давления, которое возникает на контуре контакта между поверхностями между динамическим уплотнительным выступом 16 и относительно вращаемой поверхностью 6, при этом левая сторона графиков ориентирована в направлении стороны смазки контура контакта между поверхностями, а правая сторона графиков ориентирована в направлении стороны окружения контура контакта между поверхностями. Графики показаны для иллюстрации изменения контактного давления между поверхностями в зависимости от кривизны гидродинамической входной кривой 38, при этом на фиг.2 представлен график для наиболее часто встречающейся гидродинамической входной кривой, согласно уровню техники,, а на фиг.3 представлен график для большой гидродинамической входной кривой, согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения. Оба графика представляют уплотнение при температуре 300°Ф (150°С) и при превышении давления окружения 23 давления смазки 23 на 100 фунт-сила на квадратный дюйм (700 кПа). На обоих графиках представлены предсказываемые значения давления между поверхностями в месте, находящемся на одной линии с осью уплотнения.
Фиг.2 и 3 представляют сравнение профилей контактного давления уплотнений, имеющих различные степени кривизны гидродинамической входной кривой. Меньшая гидродинамическая входная кривая, согласно фиг.2, создает не желательно крутой подъем контактного давления на стороне смазки и явно седлообразную форму кривой.
Большая гидродинамическая входная кривая, согласно фиг.3, создает более постепенный подъем контактного давления на стороне смазки и очень небольшое «седло», т.е. очень желательный профиль контактного давления. Анализ и испытания показывают, что очень желательно, чтобы гидродинамическая входная кривая 38 имела радиус кривизны больше 1/8 дюйма для получения оптимального профиля контактного давления между поверхностями и улучшенной смазки уплотнительной поверхности раздела. Анализ показывает, что профиль контактного давления является аналогичным показанному на фиг.3 для кривых с радиусом кривизны от 0,13 дюйма (3,3 мм) до 0,19 дюйма (4,8 мм), при этом радиус 0,19 дюйма является наибольшим радиусом, для которого проводился анализ.
Как следует из фиг.3, большая гидродинамическая входная кривая 38, согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, обеспечивает очень постепенное нарастание контактного давления между поверхностями от стороны смазки до небольшого расстояния до стороны окружения динамической уплотнительной поверхности раздела, и создает увеличение контактного давления между поверхностями у стороны окружения динамической уплотнительной поверхности раздела. Оптимальный профиль контактного давления обеспечивает улучшенную гидродинамическую смазку, как доказывает меньший крутящий момент, наблюдаемый при сравнительных испытаниях уплотнений, имеющих большие и малые гидродинамические входные кривые. Большая гидродинамическая входная кривая 38, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, создает более сильное расклинивающее действие за счет обеспечения более постепенного схождения между уплотнением 2 и относительно вращаемой поверхностью 6.
Это особенно важно для уплотнений, согласно данному изобретению, которые имеют тенденцию к более высокому контактному давлению за счет усиленного ограничения, согласно данному изобретению, вызванному одновременным ограничением уплотнения первой стенкой 8 канавки, второй стенкой 10 канавки, периферийной стенкой 4 канавки и относительно вращаемой поверхностью 6.
Преимущества большой гидродинамической входной кривой 38, согласно данному изобретению, обеспечивают также преимущества для уплотнений, которые не ограничиваются стенками канавки, как будет описано ниже применительно к фиг.5-8. Преимущество большой гидродинамической входной кривой является также важным для гидродинамических уплотнений, где давление окружения 23 выше давления смазки 22, поскольку контактное давление на стороне смазки может иметь тенденцию к увеличению при реверсировании давления, что может воспрещать гидродинамическое действие.
На фиг.2 можно также видеть, что небольшая гидродинамическая входная кривая, согласно уровню техники, создает меньшее контактное давление в середине контура контакта между поверхностями по сравнению с частью, расположенной ближе к кромке смазки; это неблагоприятное действие почти полностью отсутствует при использовании большой гидродинамической входной кривой, согласно данному изобретению, как показано на фиг.3, что означает, что большая гидродинамическая входная кривая является более эффективной в качестве гидродинамического входа.
Как показано на фиг.1 и 1А, предпочтительный вариант выполнения изобретения включает также гибкую переходную пятку 44 для обеспечения повышенного контактного давления у защитной кромки 30 на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 в соответствии с основной идеей патента США.№5738358 с названием «Стойкое к вытеснению гидродинамически смазываемое многомодульное уплотнение для вращающегося вала». Гибкая переходная пятка 44 задана динамическим уплотнительным выступом 16 и проходит от круговой защитной кромки 30 на стороне окружения до кругового угла 46, который задан на пересечении гибкой переходной пятки 44 со вторым концом 28 тела уплотнения. Гибкая переходная пятка 44 имеет круговое пересечение со вторым концом 28 тела уплотнения вдали от динамической уплотнительной поверхности 18, и имеет круговое пересечение с динамической уплотнительной поверхностью 18 вдали от второго конца 28 тела уплотнения. За счет круговой конфигурации защитной кромки 30 на стороне окружения, уплотнение не создает гидродинамического расклинивающего действия относительно окружения в ответ на относительное вращающееся движение, и поэтому действует для исключения проникновения частиц загрязнений на динамическую уплотнительную поверхность раздела, согласно патенту США №4610319. Исключающее действие защитной кромки 30 на стороне окружения усиливается гибкой переходной пяткой 44, поскольку нависающий отрезок 48 материала тела уплотнения претерпевает сжатие, которое передается на относительно вращаемую поверхность 6, за счет чего увеличивается контактное давление между поверхностями у защитной кромки 30 на стороне окружения. Контактное давление между поверхностями вблизи защитной кромки 30 на стороне окружения можно регулировать посредством управления отрезком 48 и глубиной 50 гибкой переходной пятки 44. Конкретная форма гибкой переходной пятки 44 может изменяться по сравнению с показанной геометрией без отхода от идеи и объема данного изобретения.
Заключение уплотнения 2 между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки создает выталкивающее усилие, которое при отсутствии гибкой переходной пятки 44 имеет тенденцию к толканию уплотнительного материала в зазор XG
вытеснения. Гибкая переходная пятка 44 обеспечивает преимущество уплотнения, поскольку выдавливающее усилие, вызванное заключением уплотнения 2 между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки, вызывает изгиб гибкой переходной пятки 44 в направлении зазора XG вместо вызывания ее выдавливания или выпучивания в зазор XG вытеснения на такую величину,  что она повреждается за счет в основном неизбежных динамических изменений размера зазора XG вытеснения. Поэтому уплотнение защищается от повреждения за счет усталости, которое может возникать при выдавливании за острый, возможно шероховатый угол 54 и в зазор XG вытеснения.
Любой материал уплотнения, вынужденный выдавливаться или выпячиваться в зазор XG вытеснения, может испытывать высокий уровень напряжения при изменении размера зазора XG вытеснения за счет динамического бокового движения вала, поскольку изменения размера могут быть очень большими по сравнению с размером выдавливаемого материала. Например, местный зазор выдавливания может динамически изменяться за счет биения вала, что может воздействовать тысячами усталостных циклов на выдавленный материал за очень короткий период времени. В предпочтительном варианте выполнения при изменении размера зазора XG вытеснения, упругая переходная пятка 44 поглощает боковое перемещение на расстояние между отрезком 48 и глубиной 50, которое является относительно большим расстоянием (по сравнению с размером зазора XG вытеснения), так что среднее напряжение удерживается ниже предела усталости материала уплотнения. Для достижения наилучших результатов для уплотнений, выполненных из единственного материала для защиты упругой переходной пятки 44 от плоского прижимания к валу, желательно, чтобы угол 56 был меньше 45°, и предпочтительно был меньше или равным 30°, и предпочтительно, чтобы глубина 50 была больше первоначального установочного сжатия уплотнения.
Поскольку второй конец 28 тела уплотнения 2 имеет по существу одинаковую форму со второй стенкой 10 канавки, и поскольку зазор XG вытеснения между структурой 20 и относительно вращаемой поверхностью 6 может иметь желаемый небольшой размер, то уплотнение, согласно данному изобретению, хорошо подходит для рабочих условий, где давление смазки 22 значительно превышает давление окружения 23, поскольку уплотнение в основном хорошо поддерживается против разницы давлений второй стенкой 10 канавки во всех местах (за исключением зазора XG вытеснения) так, что оно сопротивляется искажению и выдавливанию материала уплотнения, и поэтому общая форма уплотнения не искажается действующей на него разницей давлений. Зазор XG вытеснения должен быть меньше 15% расстояния DG и предпочтительно составлять
менее 1/32 дюйма (0,8 мм) для применений с низким давлением или нулевым давлением и меньше для применений с высоким давлением.
Как понятно для специалистов в данной области техники, данное изобретение можно осуществлять в других конкретных формах без отхода от его идеи или существенных характеристик. Поэтому данный вариант выполнения следует рассматривать как иллюстрацию, а не как ограничение.
Описание упрощенных альтернативных вариантов выполнения, согласно фиг.4-4С
На фиг.4-4С показаны альтернативные варианты выполнения двунаправленных гидродинамически смазываемых в основном круговых уплотнений компрессионного типа для вращающегося вала в своем не сжатом состоянии. Уплотнения, показанные на фиг.4-4С, выполнены с возможностью размещения внутри круговой сальниковой коробки уплотнения, заданной первой и второй расположенными на расстоянии друг от друга стенками канавки, периферийной стенкой канавки и относительно вращаемой поверхностью. Уплотнения, согласно фиг.4-4С, являются упрощением варианта выполнения, согласно фиг.1 и 1А, которые не включают упругую переходную пятку 44, большую гидродинамическую входную кривую 38 или кольцевой гребень 74 предпочтительного варианта выполнения, а вместо этого используют небольшую гидродинамическую входную кривую, используемую в уровне техники. С целью ориентации следует понимать, что в продольном разрезе, показанном на фиг.4-4С, плоскость разреза проходит через продольную ось уплотнения. Так же как на фиг.1 и 1С, защитная кромка 30 на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 является с целью защиты круговой в уплотнениях, показанных на фиг.4-4С.
Фиг.4 и 4А ориентированы для радиальной герметизации, а фиг.4В и 4С ориентированы для осевой (торцевой) герметизации. Полная глубина D и ширина L показаны на фиг.4-4С с целью ориентации. Следует отметить, что кромка 32 на стороне смазки динамической уплотнительной поверхности 18 уплотнений, показанных на фиг.4-4С, является не круговой с целью гидродинамической смазки в соответствии с идеей патента США №4610319, и поэтому локальная ширина W динамической уплотнительной поверхности 18 изменяется по окружности уплотнений.
На фиг.4 показано уплотнение, ориентированное для радиальной герметизации и имеющее динамический уплотнительный выступ 16, расположенный на внутренней периферии для герметизации относительно по существу цилиндрической относительно вращаемой поверхности, такой как поверхность вала. Статичная уплотнительная
поверхность 14 и динамическая уплотнительная поверхность 18 могут иметь по существу цилиндрическую конфигурацию, и первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения могут иметь, как показано на фигуре, по существу плоскую конфигурацию. Динамический уплотнительный выступ 16 выступает из указанного сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения по существу в радиальном направлении.
На фиг.4А показано уплотнение, ориентированное для радиальной герметизации и имеющее динамический уплотнительный выступ 16, расположенный на наружной периферии для герметизации относительно по существу цилиндрической относительно вращаемой поверхности, такой как поверхность отверстия в корпусе. Статичная уплотнительная поверхность 14 и динамическая уплотнительная поверхность 18 могут иметь по существу цилиндрическую конфигурацию, как показано на фигуре, и первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения могут иметь, как показано на фигуре, по существу плоскую конфигурацию. Динамический уплотнительный выступ 16 выступает из указанного сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения по существу в радиальном направлении.
На фиг.4В и 4С показаны уплотнения, ориентированные для осевой (торцевой) герметизации и имеющие динамический уплотнительный выступ 16, расположенный в осевой ориентации для герметизации относительно по существу плоской относительно вращаемой поверхности, такой как поверхность плеча вала. Статичная уплотнительная поверхность 14 и динамическая уплотнительная поверхность 18 могут иметь по существу цилиндрическую конфигурацию, как показано на фигуре, и первый конец 26 тела уплотнения и второй конец 28 тела уплотнения могут иметь, как показано на фигурах, по существу плоскую конфигурацию. На фиг.4В динамический уплотнительный выступ 16 ориентирован для применений, в которых смазка расположена вне динамического уплотнительного выступа 16. На фиг.4С динамический уплотнительный выступ 16 ориентирован для применений, в которых смазка расположена внутри динамического уплотнительного выступа 16. На обеих фигурах динамический уплотнительный выступ 16 выступает из сплошного, в основном кругового тела 5 уплотнения по существу в радиальном направлении.
Описание упрощенных альтернативных вариантов выполнения, согласно фиг.5-8
На фиг.5-8 показаны альтернативные варианты выполнения двунаправленных гидродинамически смазываемых в основном круговых уплотнений компрессионного типа
для вращающегося вала в своем не сжатом состоянии. Уплотнения, показанные на фиг.5-8 выполнены с возможностью размещения внутри круговой сальниковой коробки уплотнения, заданной первой и второй расположенными на расстоянии друг от друга стенками канавки, периферийной стенкой канавки и относительно вращаемой поверхностью. Уплотнения, согласно фиг.5-8, являются упрощением варианта выполнения, согласно фиг.1 и 1А, которые не включают пропорции тела и динамического уплотнительного выступа, согласно предпочтительному варианту выполнения, или кольцевой гребень, но в которых используется большая гидродинамическая входная кривая 38, согласно предпочтительному варианту выполнения, для получения более оптимального профиля контактного давления между поверхностями по сравнению с уровнем техники. (Поскольку уплотнения, согласно фиг.5-8, не включают пропорции тела и динамического уплотнительного выступа, согласно предпочтительному варианту выполнения, они считаются не подходящими для одновременного контакта с относительно вращаемой поверхностью и всеми тремя стенками канавки при нормальных диапазонах дифференциального теплового расширения и допусков). Уплотнения на фиг.7 и 8 дополнительно упрощены посредством отказа от упругой переходной пятки 44, согласно предпочтительному варианту выполнения, а уплотнения на фиг.6 и 8 дополнительно упрощены посредством отказа от срезанной поверхности 34, согласно предпочтительному варианту выполнения.
С целью ориентации следует понимать, что в продольном разрезе, показанном на фиг.5-8, плоскость разреза проходит через продольную ось уплотнения. Так же как в предпочтительном варианте выполнения в уплотнениях, согласно фиг.5-8, гидродинамическая входная кривая 38 при рассмотрении в продольном разрезе должна быть больше радиуса 1/8 дюйма и предпочтительно больше радиуса 5/32 дюйма. При применении такой относительно большой гидродинамической входной кривой 38, касательная между гидродинамической входной кривой 38 и динамической уплотнительной поверхностью 18 в не сжатом состоянии управления может подходить очень близко к защитной кромке 30 на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 18 при наименьшей ширине W динамической уплотнительной поверхности 18. Однако, когда динамический уплотнительный выступ 16 прижат к относительно вращаемой поверхностью, то ширина W становится больше и достигает размера полезной ширины за счет расплющивания динамического уплотнительного выступа 16 в результате сжатия, вызывая прижимание части гидродинамической входной кривой 38 к относительно вращаемой поверхности и превращению в часть эффективного размера ширины W.
Даже хотя показанные на фиг.5-8 уплотнения сильно упрощены по сравнению с предпочтительным вариантом выполнения, за счет включения гидродинамической входной кривой 38 предпочтительного варианта выполнения эти уплотнения способны обеспечивать преимущество оптимального профиля контактного давления между поверхностями, описанными применительно к предпочтительному варианту выполнения. Это обеспечивает уплотнения с более эффективным гидродинамическим расклинивающим действием по сравнению с уровнем техники, что позволяет им работать с меньшими крутящим моментом, чем в уровне техники при аналогичных рабочих условиях, и что позволяет им сохранять адекватную смазку при высоком давлении при использовании более тонких смазок или более высокого первоначального сжатия.
Описание упрощенного альтернативного варианта выполнения, согласно фиг.9-9А
На фиг.9 и 9А показаны два вида альтернативного варианта выполнения данного изобретения. На фиг.9 и 9А показано в частичном продольном разрезе гидродинамически смазываемое уплотнение 2 интерференционного типа для вращающегося вала, при этом на фиг.9 показано уплотнение 2 в не смонтированном состоянии, а на фиг.9А показано установленное состояние уплотнения 2, прижатого с обеспечением герметизации к периферийной стенке 4 канавки и к относительно вращаемой поверхности 6 и удерживаемой в стойком к перекосу заключении между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки. После установки срезанная поверхность 34 находится вблизи или в контакте с частью 66 периферийной стенки канавки.
Выше было описано применительно к фиг.1 и 1А, что срезанная поверхность 34 выполняет важную функцию минимизации объема уплотнения, так что имеется меньше объемного теплового расширения, с которым приходится бороться. В показанном на фиг.9 и 9А варианте выполнения срезанная поверхность ориентирована с поворотом относительно статичной уплотнительной поверхности 14 и относительно вращаемой поверхности 6, и ориентирована так, что угол 64 больше 90°, так что уплотнение имеет даже меньший объем материала, чем в варианте выполнения, показанном на фиг.1 и 1А. В соответствии с этим, часть 66 периферийной стенки канавки повернута относительно периферийной стенки 4 канавки и образует угол 64 с первой стенкой 8 канавки, который больше 90°. Показанный на фиг.9 и 9А вариант выполнения имеет преимущество использования меньше материала уплотнения, так что он имеет меньшее объемное тепловое расширение по сравнению с фиг.1 и 1А. Это означает, что угол А может быть меньше утла, показанного на фиг.1, обеспечивая большую опору для динамического
уплотнительного выступа 16, когда давление окружения 23 превышает давление смазки 22.
Описание альтернативного варианта выполнения, согласно фиг.10
На фиг.10 показан альтернативный вариант выполнения изобретения в несжатой конфигурации, при этом показано уплотнение 2, которое почти идентично по наружной геометрии с уплотнением, показанном на фиг.1, но отличается материалом конструкции. Различие между этим вариантом выполнения и вариантом выполнения, показанным на фиг.1, состоит в том, что уплотнение в данном варианте выполнения состоит из двух дополняющих друг друга материалов, а не выполнено полностью из одного материала. Первый упругий материал, составляющий первый отрезок 60, выполнен из одного материала, а второй упругий материал, составляющий второй отрезок 62, выполнен из второго материала. Материал, составляющий второй отрезок 62 может быть относительно жестким материалом, выбранным из-за его свойств динамического уплотнения, таких как абразивная стойкость, и имеющим большую жесткость, чем материал, составляющий первый отрезок 60. Материал, составляющий первый отрезок 60, может быть относительно более мягким материалом с относительно низкой жесткостью, таким как эластомер, имеющий твердость 40-80 по шкале А твердомера Шора, что обеспечивает меньшее осевое пружинное усилие при заключении между первой и второй стенками канавки (по сравнению с уплотнением, выполненным полностью из более твердого материала). Материал, составляющий первый отрезок 60, может быть также материалом, состоящим из сплавленных или спеченных вместе волокон или частиц упругого материала, имеющего распределенные в нем пустоты для обеспечения более низкой жесткости, таким как пористый волоконный материал, так что эффективная жесткость или степень упругости материала меньше, чем жесткость материала, составляющего отрезок 60, выполненного из точно такого же материал, но не в пористом виде. Поскольку часть силы сжатия между первой стенкой канавки и второй стенкой канавки увеличивает контактное давление на динамической уплотнительной поверхности раздела, то размеры, модуль упругости и степень упругости материала, составляющего отрезок 60, можно использовать для регулирования этого контактного давления между поверхностями и тем самым для регулирования толщины пленки смазки между уплотнением и относительно вращаемой поверхностью. Поверхность 80 раздела между двумя материалами может принимать любую подходящую форму без отхода от идеи и объема изобретения, включая показанную по существу прямую поверхность раздела, или любую изогнутую поверхность раздела.
Понятно, что если материал, составляющий первый отрезок 60, является материалом, состоящим из сплавленных или спеченных друг с другом волокон или частиц материала, имеющего распределенные в нем пустоты, такого как пористый волоконный материал, то пустоты будут обеспечивать пространство для компенсации теплового расширения уплотнения; это означает, что имеется меньшая необходимость в других методах обеспечения пространства для теплового расширения, таких как обеспечение очень большого выстулания динамического выступа и обеспечение срезанной поверхности и т.д.
Описание упрощенного альтернативного варианта выполнения, согласно фиг.11-11А
На фиг.11 и 11 А показаны два вида альтернативного варианта выполнения данного изобретения, который слегка отличается от варианта выполнения, показанного на фиг.9 и 9А. На фиг.11 и НА показано в частичном продольном разрезе гидродинамически смазываемое уплотнение 2 интерференционного типа для вращающегося вала, при этом на фиг.11 показано уплотнение 2 в не смонтированном состоянии, а на фиг.11А показано установленное состояние уплотнения 2, прижатого с обеспечением герметизации к периферийной стенке 4 канавки и к относительно вращаемой поверхности 6 и удерживаемого в стойком к перекосу заключении между первой стенкой 8 канавки и второй стенкой 10 канавки.
В показанном на фиг.9 и 9А варианте выполнения срезанная поверхность 34 ориентирована с поворотом относительно динамической уплотнительной поверхности 18 и относительно вращаемой поверхности 6, и ориентирована так, что угол 64 превышает 90°, так что уплотнение имеет меньший объем материала, чем в варианте выполнения, показанном на фиг.1 и 1А. В соответствии с этим, на фиг.11 и 11А статичная уплотнительная поверхность 14 и периферийная стенка 4 повернуты по отношению к относительно вращаемой поверхности 6 и относительно динамической уплотнительной поверхности 18 и образует угол 65 с первой стенкой 8 канавки и первым концом 26 тела уплотнения, который больше 90°. Вариант выполнения, показанный на фиг.11 и 11А имеет преимущество меньшего количества материала уплотнения, так что оно имеет меньшее тепловое расширение по сравнению с фиг.1 и 1А. Это означает, что угол А может быть меньше, чем показанный на фиг.1 угол, обеспечивая большую опору для динамического уплотнительного выступа 16, когда давление окружения 23 превышает давление смазки 22.
Как и в предпочтительном варианте выполнения, согласно фиг.1 и 1А, альтернативные варианты выполнения, согласно фиг.9-11А, включают статичный уплотнительный выступ 12, противоположный динамическому уплотнительному выступу 16, и статичную уплотнительную поверхность 14, противоположную динамической уплотнительной поверхности 18, которая имеет изменяемую ширину W, заданную защитной кромкой 30 на стороне окружения и заданную кромкой 32 на стороне смазки. Аналогичным образом, показанные на фиг.9-11А варианты выполнения имеют первый конец 26 тела уплотнения с размером Е и имеет первый динамический уплотнительный выступ 16, выступающий на расстояние Р. Во время работы первый конец 26 тела уплотнения приходит в соприкосновение с первой стенкой 8 канавки, а второй конец 28 тела уплотнения приходит в соприкосновение со второй стенкой 10 канавки, защищая тем самым уплотнения от вызванного перекосом абразивного износа. Аналогичным образом, гидродинамическая входная кривая 38 дополняет не ограниченную геометрию 40 и динамическую уплотнительную поверхность 18.
Данное изобретение, раскрытое применительно к фиг.1-11А, имеют применение там, где относительно вращаемые поверхности герметизируются относительно структуры 20, при этом структура 20 или относительно вращаемая поверхность 6 или обе является вращающимся  элементом. Динамическая уплотнительная поверхность 18 и в основном противоположная статичная уплотнительная поверхность 14 могут быть внутри и снаружи формы профиля уплотнения, когда уплотнение сжимается в радиальном направлении между по существу цилиндрическими противоположными поверхностями, при этом динамическая уплотнительная поверхность 18 расположена на внутренней или наружной периферии, а статичная уплотнительная поверхность 14 расположена на противоположной периферии. В качестве альтернативного решения, динамическая уплотнительная поверхность 18 и в основном противоположная статичная уплотнительная поверхность 14 могут быть на противоположных концах формы профиля уплотнения, когда уплотнение сжимается в осевом направлении между относительно вращающимися по существу плоскими противоположными поверхностями.
С учетом выше сказанного, очевидно, что данное изобретение является изобретением, хорошо приспособленным для достижения всех указанных выше целей и признаков, совместно с другими целями и признаками, которые присущи раскрытому здесь устройству.
Как очевидно для специалистов в данной области техники, данное изобретение можно легко выполнять в других специальных формах без отхода от идеи или существенных характеристик. Поэтому данный вариант выполнения следует
рассматривать как имеющее иллюстративный характер и не ограничивающее данное изобретение, при этом объем изобретения указывается формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и поэтому все изменения, которые находятся внутри значения и диапазона эквивалента формулы изобретения, охватываются ею.