МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УПЛОТНЕНИЯ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМСЯ ВАЛОМ И НЕПОДВИЖНЫМ КОРПУСОМ
METAL SEALING UNIT FOR CREATION OF SEAL BETWEEN ROTATING SHAFT AND STATIONARY CASE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к металлическим уплотнительным узлам, предназначенным для уплотнения вращающихся штоков.
Оно может использоваться в ряде областей промышленности и преимущественно для выполнения наружного уплотнения клапанов с вращающимся валом, а именно на уровне штока.
Изобретение также относится к металлическому уплотнительному узлу для создания уплотнения между вращающимся валом и неподвижным корпусом.
Уровень техники
Уплотнение вращающихся валов можно выполнять с помощью ряда способов. Для использования при температурах, которые не превышают 250 - 300°C, существует множество подтвердивших свою надежность технических решений, где используются эластомеры или полимеры.
-5
3
-1
Однако вне этих температур или из-за контакта с химическими элементами, несовместимыми с указанными эластомерами или полимерами, обычно используются сальниковые системы, часто содержащие графит, или механические уплотнения, вспомогательное уплотнение которых часто изготавливается из графита. Эти решения являются практичными и подчас экономичными, и, тем не менее, они имеют ряд недостатков. Прежде всего, эксплуатационные характеристики уплотнения остаются ограниченными, интенсивность утечки не опускается ниже 10 Пa⋅м⋅с, причем это значение является наилучшим значением, которое требует дополнительной корректировки в зависимости от точных условий эксплуатации. Сходным образом, может случиться так, что, несмотря на очень широкий спектр химической совместимости, графит, тем не менее, будет несовместим со средой, подлежащей уплотнению. Например, графит несовместим с жидким натрием.
Также в случае, когда использование графита, полимеров или эластомеров невозможно, эти технические решения применяются реже и иногда являются весьма ограниченными в отношении использования.
Например, во документе FR 2 541 416 A1 описано техническое решение, пригодное именно для уплотнения жидкого натрия. Принцип решения состоит в использовании так называемого «затвердевающего» соединения. Между трубой и графитовым сальниковым уплотнением существует пространство, охлаждаемое с помощью наружных ребер. Натрий охлаждается в буферной зоне и, тем самым, создает собственный уплотнительный барьер. Однако эта система имеет недостатки. Прежде всего, длина требуемой поверхности теплообмена предусматривает наличие массивной, тяжелой и заметно громоздкой верхней части клапана. Кроме того, если клапан должен периодически перемещаться, зона натриевой пробки, контактирующая со штоком, может быстро разрушаться. Всё еще жидкий натрий может легко образовывать пузырьки вплоть до верхнего сальника.
Другой тип технического решения предусматривает образование металлических уплотнительных соединений, содержащих, по меньшей мере, одну внутреннюю кромку, входящую в контакт с валом. Этот принцип, помимо прочего широко используется с эластомерами: внутренний диаметр кромки меньше диаметра вала, и высокая эластичность материала используется для создания контактного давления кромки на вал. Однако применение этого принципа в отношении металлического материала имеет многочисленные недостатки: поскольку этот материал не является высокоэластичным, допуск с учетом диаметра вала и кромки должен быть очень жестким. Также существует высокая чувствительность к отклонениям от округлости вала, причем кромка по своей природе является слишком жесткой для компенсации указанных отклонений. И, наконец, уплотнение может быть достигнуто только за счет значительного контактного давления, генерирующего момент при манипулировании, который иногда является значительным и, в частности, с трудом поддается регулированию.
Было предложено обеспечить адаптацию к таким недостаткам, как описано, например, в документе US 7 428 912 B1. В этом документе предлагается добавить к V-образному соединению систему с конусом, перемещаемым в осевом направлении пружинами, что обеспечивает поддержание периодического давления на вал. Однако эта система не обеспечивает компенсацию дефектов округлости вала и соединения, что огранивает эксплуатационные характеристики уплотнения. Кроме того, высокая жесткость, свойственная кромке соединения, ограничивает диапазон регулирования системы.
Кроме того, нестандартное техническое решение было предложено канадской компанией VELAN, которое состоит в использовании сильфонов, изготовленных с помощью гидравлической вытяжки и установленных на валу, имеющем угол поворота. Это решение обеспечивает перемещение вала только на четверть оборота. Несмотря на это ограничение, указанная система позволяет устранить уплотнение между двумя подвижными деталями относительно друг друга. Несмотря на это, указанное решение имеет множество недостатков. Прежде всего, это сложная система, имеющая большую высоту. Фактически, система использует способность к гибке механического сильфона, ограниченную по своей природе. Она может легко увеличиваться, но при этом также увеличивается длина сильфона и, таким образом, его габариты. Кроме того, этот узел имеет высокую стоимость и сложность изготовления, в частности, форма вала требует использования специальных сложных процессов механической обработки. Кроме того, сопротивление давлению этого гибкого элемента должно быть подтверждено на практике.
Кроме того, документ FR 2 151 186 A1 раскрывает гибкое кольцевое соединение, обеспечивающее оптимальное уплотнение, благодаря тому, что оно легко обеспечивает соответствие поверхностям, с которыми оно входит в контакт. Более конкретно, гибкое металлическое соединение содержит сердцевину, состоящую из металлической цилиндрической пружины с соприкасающимися витками, замкнутую саму на себя и имеющую форму тороида. Первая оболочка выполнена из непластичного металла, имеет форму тороидной поверхности и позволяет вставлять в нее пружину, и вторая оболочка выполнена из пластичного материала, также имеет форму тороидной поверхности и позволяет вставлять в нее первую оболочку.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично устранить вышеописанные проблемы и недостатки, присущие известным техническим решениям.
В частности, изобретение предлагает металлический уплотнительный узел для вращающегося вала, сочетающий в себе компактность, высокие эксплуатационные характеристики уплотнения и легкое регулирование напряжений при манипулировании.
Объектом изобретения согласно одному из аспектов является металлический уплотнительный узел для создания уплотнения между вращающимся валом и неподвижной рамой принимающей машины, содержащий:
- гибкое металлическое уплотнительное соединение с двумя тороидами, имеющими разные средние диаметры, содержащее:
- первую металлическую цилиндрическую пружину с соприкасающимися витками, замкнутую саму на себя и, по существу, имеющую в состоянии покоя форму тороида, именуемого внутренним тороидом,
- вторую металлическую цилиндрическую пружину с соприкасающимися витками, замкнутую саму на себя и, по существу, имеющую в состоянии покоя форму тороида, именуемого наружным тороидом, причем наружный тороид имеет средний диаметр больше среднего диаметра внутреннего тороида, один из внутреннего и наружного тороидов расположен между вращающейся деталью и невращающейся деталью и, таким образом, именуется «динамическим тороидом», и другой из внутреннего и наружного тороидов расположен между двумя деталями, которые не вращаются относительно друг друга и, таким образом, именуется «статическим тороидом»,
- металлическую оболочку, в которую вставлены и удерживаются внутренний тороид и наружный тороид, по существу, имеющую в состоянии покоя форму полого тороида, имеющего внутреннее гнездо и наружое гнездо, соответственно, для вставления внутреннего тороида и наружного тороида, причем поверхность оболочки имеет кольцевое отверстие между внутренним и наружным гнездами; вышеуказанная оболочка имеет:
- внутренний закрывающий участок, ограничивающий внутреннее гнездо и обеспечивающий частичное закрывание внутреннего тороида,
- наружный закрывающий участок, ограничивающий наружное гнездо и обеспечивающий частичное закрывание наружного тороида,
- промежуточный участок, именуемый межтороидной зоной, соединяющей внутренний закрывающий участок и наружный закрывающий участок и образованной таким образом, что она обращена к кольцевому отверстию,
- вал, вращающийся вокруг оси вращения и имеющий кольцевой буртик, в который упирается металлическое уплотнительное соединение на уровне статического тороида, причем металлическое уплотнительное соединение расположено вокруг вращающегося вала и сцентрировано с помощью внутреннего диаметра,
- деталь, именуемую опорой, имеющую контактную поверхность, по существу, плоскую, в которую упирается металлическое уплотнительное соединение на уровне динамического тороида,
- проставку, расположенную вокруг вращающегося вала, так что металлическое уплотнительное соединение блокируется, между проставкой с одной стороны и контактной поверхностью опоры с другой стороны, причем проставка установлена на вращающемся валу с возможностью скольжения вдоль оси вращения вращающегося вала,
- металлическую деталь, образующую крышку, которая по усмотрению может быть такой же, как и проставка, и закрывает узел, содержащий металлическое уплотнительное соединение и, по меньшей мере, контактную поверхность опоры, причем через крышку проходит вращающийся вал, и она прикреплена к корпусу и/или к опоре с наружной стороны контактной поверхности, и вращающийся вал свободно вращается относительно крышки и жестко соединен с крышкой в осевом направлении.
Металлический уплотнительный узел согласно изобретению также может содержать один или несколько из следующих признаков, взятых по отдельности или во всех технически возможных комбинациях.
Как преимущество, металлическое уплотнительное соединение соответствует частному варианту выполнения уплотнительного соединения, описанному в документе FR 2 151 186 A1, упомянутой выше.
По первому альтернативному варианту опора может быть невращающейся деталью, предназначенной для крепления к неподвижному корпусу. В этом случае узел может содержать уплотнительное соединение, в частности, статическое уплотнительное соединение, например, уплотнительное кольцо, между опорой и корпусом.
По второму альтернативному варианту опора может быть вращающейся деталью, жестко соединенной с вращающимся валом на уровне буртика. В этом случае узел может содержать уплотнительное соединение, в частности, статическое уплотнительное соединение, например, уплотнительное кольцо, между опорой и буртиком вращающегося вала, как описано ниже.
Контактная поверхность опоры может быть шероховатой, причем шероховатость достигается посредством полирования.
Проставка может быть заблокирована на вращающемся валу с помощью штифта или шпонки.
Кроме того, узел может содержать гайку для зажатия проставки, расположенную таким образом, что проставка расположена между зажимной гайкой и металлическим уплотнительным соединением. Таким образом, вращающийся вал может содержать резьбовой участок, на который может быть навернута зажимная гайка.
Кроме того, крышка может иметь множество первых гладких отверстий, продолжающихся вдоль оси вращения и проходящих в осевом направлении через крышку, которые выполнены с возможностью располагаться напротив вторых резьбовых отверстий, образованных в осевом направлении в опоре, и/или третьих резьбовых отверстий, образованных в осевом направлении в неподвижном корпусе, или выполнены с возможностью располагаться напротив вторых гладких отверстий, образованных в осевом направлении в опоре, и третьих резьбовых отверстий, образованных в осевом направлении в неподвижном корпусе. Узел может содержать множество резьбовых шпилек, причем каждая резьбовая шпилька может быть вставлена в первое гладкое отверстие, а также во второе гладкое или резьбовое отверстие и/или третье резьбовое отверстие. Крышка может быть прикреплена к корпусу и/или к опоре посредством завинчивания гаек на резьбовые шпильки в верхней части крышки.
По первому альтернативному варианту крышка может содержать, в частности, в верхней части, множество радиальных отверстий, имеющих одинаковый диаметр и продолжающихся, по существу, перпендикулярно оси вращения вращающегося вала, выходящих на внутренний диаметр крышки и проходящих через нее радиально. В радиальные отверстия могут быть вставлены штифты, имеющие такой же диаметр, как и радиальные отверстия. Вращающийся вал может иметь канавку, в которую проникают штифты для блокирования осевого перемещения вращающегося вала. Блокирующий элемент по усмотрению может быть расположен вокруг крышки для воспрепятствования скольжению штифтов наружу.
По второму альтернативному варианту крышка может иметь на своем внутреннем диаметре, на уровне центрировки вращающегося вала, внутреннюю резьбу. Вращающейся вал может иметь на уровне внутренней резьбы участок, имеющий уменьшенный диаметр для создания блокирующего заплечика на вращающемся валу. Узел может содержать стопорную гайку, которая может быть установлена между вращающимся валом и крышкой на уровне внутренней резьбы и участка, имеющего уменьшенный диаметр, и опираться на блокирующий заплечик для осевой блокировки перемещения вращающегося вала.
Кроме того, проставка может быть выполнена, по меньшей мере, из двух деталей и содержит первую деталь, именуемую внутренней проставкой, которая опирается на внутренний тороид и имеет гладкий внутренний диаметр, предназначенный для скольжения по вращающемуся валу, и резьбовой наружный диаметр, и вторую деталь, именуемую наружной проставкой, которая опирается на наружный тороид и имеет резьбовой внутренний диаметр, предназначенный для навертывания на внутреннюю проставку.
Кроме того, поверхность проставки, контактирующая с наружным закрывающим участком, может иметь шероховатость больше шероховатости контактной поверхности опоры.
Проставка может иметь выступ на наружном диаметре, позволяющий закрывать наружный тороид на его наружном диаметре.
Контактная поверхность опоры может иметь охватывающую коническую форму.
Металлическое уплотнительное соединение может содержать на поверхности покрытие из дополнительного материала, полученное осаждением, в частности, из золота и/или серебра.
Металлическая оболочка может быть первой металлической оболочкой, состоящей из материала, имеющего высокую механическую прочность, в частности, из сплава типа Inconel. Металлическое уплотнительное соединение может содержать вторую металлическую оболочку, обернутую на первой металлической оболочке и состоящую из более пластичного материала, чем материал первой металлической оболочки, например, из серебра, предназначенного для пластического деформирования во время смятия металлического уплотнительного соединения.
Кроме того, опора может состоять, по меньшей мере, из трех деталей, жестко соединенных друг с другом, и содержит внутренний блок, имеющий контактную поверхность, в которую упирается металлическое уплотнительное соединение у наружного тороида, сильфон и наружный фланец, причем сильфон придает степень осевой свободы узлу во избежание блокировки возможных относительных расширений, причем сильфон соединяет внутреннюю опору и наружный фланец, и наружный фланец прикреплен к неподвижному корпусу.
Кроме того, крышка может состоять, по меньшей мере, из двух деталей и содержит наружную крышку, прикрепленную к неподвижному корпусу, и внутреннюю крышку, жестко соединенную с наружной крышкой с помощью резьбового соединения.
Металлический уплотнительный узел согласно изобретению может содержать любой из признаков, упомянутых в описании, взятый отдельно или во всех технически возможных комбинациях с другими признаками.
Краткое описание чертежей
Изобретение станет более понятным из приведенного ниже подробного описания неограничивающих вариантов осуществления, а также изучения схематических и частичных чертежей, на которых:
на фиг. 1 показан первый пример металлического уплотнительного узла согласно изобретению, частичный вид в разрезе;
на фиг. 1A показано место A из фиг. 1, увеличенный упрощенный вид;
на фиг. 2 изображен узел, представленный на фиг. 1, где показано крепление крышки к опоре и корпусу, другой частичный вид в разрезе;
на фиг. 3 представлен еще один частичный вид в разрезе узла, изображенного на фиг. 1, где показан принцип осевой блокировки вращающегося вала;
на фиг. 4 показан вид в разрезе по линии III-III из фиг. 3;
на фиг. 5 изображено место B, показанное на фиг. 1, увеличенный упрощенный вид;
на фиг. 6 показан второй пример металлического уплотнительного узла согласно изобретению, содержащего сильфон для компенсации расширения, частичный вид в перспективе в разрезе;
на фиг. 7 изображен частичный вид по стрелке C, показанной на фиг. 6;
на фиг. 8 представлена типовая кривая сжатия применительно к изменению напряжения на единицу длины в зависимости от смятия металлического уплотнительного соединения, известного из уровня техники;
на фиг. 9A и 9B показаны другие варианты выполнения неплоских форм контактной поверхности опоры, частичные виды в разрезе;
на фиг. 10-12 показаны другие варианты выполнения металлического уплотнительного узла согласно изобретению, частичные виды в разрезе; и
на фиг. 13 показан вариант выполнения металлического уплотнительного узла согласно изобретению, в котором опора является вращающейся деталью, жестко соединенной с вращающимся валом на уровне его буртика, схематичный частичный вид в разрезе.
На всех чертежах идентичные номера позиций могут обозначать идентичные или сходные элементы.
Кроме того, различные детали на чертежах, необязательно показаны в масштабе, чтобы сделать чертежи более разборчивыми.
Осуществление изобретения
Следует отметить, что по всему описанию осевое направление соответствует оси X вращения вращающегося вала 16. Радиальное направление является направлением, перпендикулярным оси X. Кроме того, если не указано иное, прилагательные и наречия “осевой”, “радиальный”, “аксиально” и “радиально” используются со ссылкой на указанные осевое и радиальное направления. Кроме того, если не указано иное, термины внутренний (или находящийся внутри) и наружный (или находящийся снаружи) используются со ссылкой на радиальное направление, так что внутренняя часть элемента расположена ближе к оси X вращающегося вала 16, чем наружная часть того же элемента. Таким образом, внутренний диаметр находится ближе оси X вращения, чем наружный диаметр. Для одного и того же элемента внутренний диаметр является частью диаметра, наиболее близко расположенной к оси X вращения, и наружный диаметр является частью диаметра, наиболее удаленной от оси X вращения. Сходным образом внутренний тороид 24 расположен ближе к оси X вращения, чем наружный тороид 25.
Данное изобретение относится к конструкции металлического уплотнительного узла 30, в частности, адаптированного для медленного вращательного движения вала.
Указанный узел собран вокруг двух специальных компонентов, которые являются металлическим уплотнительным соединением 1 и опорой 14, описанными ниже.
Следует отметить, что в узле, показанном на фиг. 1-12, относящемся к невращающейся опоре 14, внутренний тороид 24 образует статический тороид, заблокированный между двумя вращающимися деталями, связанными друг с другом с целью совместного вращения, в то время как наружный тороид 25 образует динамический тороид, заблокированный между вращающейся деталью и неподвижной деталью.
И, наоборот, в варианте осуществления, показанном на фиг. 13, который описан ниже и относится к вращающейся опоре 14, внутренний тороид 24 образует динамический тороид, в то время как наружный тороид 25 образует статический тороид.
Таким образом, на фиг. 1 показан частичный вид в разрезе первого примера металлического уплотнительного узла 30 согласно изобретению, и на фиг. 1A показан увеличенный упрощенный вид места A из фиг. 1.
Узел 30 служит для создания уплотнения между вращающимся валом 16 и неподвижным корпусом 3 принимающей машины, в которой установлен указанный узел, или корпусом объекта, содержащего узел 30.
Узел 30 содержит, прежде всего, гибкое металлическое уплотнительное соединение 1 с двумя концентричными тороидами, имеющими разные средние диаметры, причем это соединение соответствует, в частности, двухтороидному уплотнительному соединению, полученному согласно принципу, раскрытому в вышеописанном документе FR 2 151 186 A1.
Как показано на фиг. 1A, металлическое уплотнительное соединение 1 содержит первую металлическую цилиндрическую пружину с соприкасающимися витками, замкнутую саму на себя и, по существу, имеющую в состоянии покоя форму тороида, именуемого внутренним тороидом 24, и вторую металлическую цилиндрическую пружину с соприкасающимися витками, замкнутую саму на себя и, по существу, имеющую в состоянии покоя форму тороида, именуемого наружным тороидом 25. Наружный тороид 25 имеет средний диаметр, превышающий средний диаметр внутреннего тороида 24.
Коме того, уплотнительное соединение 1 содержит металлическую оболочку 26 или металлическую полосу 26, в которую вставлены и удерживаются внутренний тороид 24 и наружный тороид 25. Эта полоса 26 в состоянии покоя, по существу, имеет форму полого тороида, имеющего внутреннее гнездо 27a и наружное гнездо 27b, соответственно, для вставки внутреннего тороида 24 и наружного тороида 25. Кроме того, поверхность S полосы 26 имеет кольцевое отверстие 28 между внутренним 27a и наружным гнездами 27b, образованное в верхней части поверхности S полосы 26.
Таким образом, полоса 26 закрывает внутренний 24 и наружный 25 тороиды. На полосе 26 можно различить три зоны, как писано ниже.
Указанная полоса, прежде всего, имеет внутренний закрывающий участок 26a, ограничивающий внутреннее гнездо 27a и обеспечивающий частичное закрывание внутреннего тороида 24. Этот внутренний закрывающий участок 26a обернут вокруг внутреннего тороида 24, например, посредством ротационной вытяжки и напоминает по форме прописную букву «C», открытую к наружному диаметру внутреннего тороида 24.
Кроме того, полоса 26 имеет наружный закрывающий участок 26b, ограничивающий наружное гнездо 27b и обеспечивающий частичное закрывание наружного тороида 25. Этот наружный закрывающий участок 26b обернут вокруг наружного тороида 25, например, посредством ротационной вытяжки и напоминает по форме прописную букву «C», открытую к внутреннему диаметру наружного тороида 25.
И, наконец, два нижних участка двух прописных букв «C», образованных внутренним закрывающим участком 26a и наружным закрывающим участком 26b, соединены друг с другом с помощью промежуточного участка 26c, именуемого межтороидной зоной 26c, соединяющей внутренний закрывающий участок 26a и наружный закрывающий участок 26b и образованной таким образом, что она обращена к кольцевому отверстию 28 в нижней части поверхности S полосы 26. Эта межтороидная зона 26c не поддерживает пружину.
Следует отметить, что, как показано в разрезе на фиг. 1A, межтороидная зона 26c может иметь прямолинейную форму, а также, как показано, например, на фиг. 1A, волнистую форму.
Кроме того, узел 30 содержит вал 16, вращающийся вокруг оси X вращения. Этот вращающийся вал 16 имеет кольцевой буртик 7, в который упирается металлическое уплотнительное соединение 1 на уровне внутреннего тороида 24, точнее, упирается в поверхность 16c буртика 7. Таким образом, соединение 1 установлено на буртике 7 и расположено вокруг вращающегося вала 16 и центрировано с помощью внутреннего диаметра с диаметральной поверхностью 16b вращающегося вала 16.
Следует отметить, что буртик 7 имеет размер, ограничиваемый по оси, перпендикулярной оси X, который является достаточным для того, чтобы поддерживать снизу внутренний тороид 24.
Кроме того, также следует отметить, что внутренний диаметр металлического уплотнительного соединения 1 является достаточно большим, чтобы обеспечить скольжение по вращающемуся валу 16. Таким образом, существует возможность расположения соединения 1 на буртике 7. При осевом контакте между соединением 1 и буртиком 7 образуется первая линия уплотнения, как только внутренний тороид 24 сжимается, как будет описано ниже.
Кроме того, узел 30 содержит проставку 17, которая может скользить в осевом направлении вокруг вращающегося вала 16, так что металлическое уплотнительное соединение 1 блокируется, между проставкой 17 с одной стороны и буртиком 7 вращающегося вала 16 и контактной поверхностью 14a опоры 14 с другой стороны, как описано ниже. Таким образом, проставка 17 опирается сверху на внутренний тороид 24.
Эта проставка 17 может быть заблокирована при вращении на валу штифтом и/или шпонкой. В этом варианте осуществления проставка 17 заблокирована при вращении штифтом 2, который входит в две противолежащие выемки, расположенные на внутреннем диаметре проставки 17.
Кроме того, для зажатия проставки 17 на вращающемся валу 16 установлена гайка 18, так что проставка 17 расположена между зажимной гайкой 18 и металлическим уплотнением 1. С этой целью вращающийся вал 16 имеет над проставкой 17 резьбовой участок 16d, на который навернута зажимная гайка 18. Затяжка гайки 18 позволяет смещать проставку 17 в направлении буртика, в результате чего происходит сжатие внутреннего тороида 24. Кроме того, в этом примере проставка 17 закрывает наружный тороид 25. Кроме того, в конце сжатия проставка 17 находится в контакте с наружным тороидом 25 или очень близко к нему. Предпочтительно, узел 30 позволяет сжимать внутренний тороид 24, не подвергая его воздействию в результате вращения гайки 18, что обычно не рекомендуется для металлического уплотнительного соединения.
Кроме того, узел 30 содержит деталь, именуемую опорой 14, которая имеет по существу контактную поверхность 14a, на которую опирается металлическое уплотнительное соединение 1 на уровне наружного тороида 25.
В этом варианте осуществления опора 14 является невращающейся деталью, прикрепленной к корпусу 3 принимающей машины. Под опорой 14 образовано уплотнение с корпусом 3 с помощью статического уплотнительного соединения в форме кольцевого уплотнения 4.
Предусмотрено, что наружный тороид 25 приходит в контакт с контактной поверхностью 14a опоры 14. В этом частном примере указанная верхняя контактная поверхность 14a покрыта сплавом Stellite. Эта контактная поверхность 14a, в общем, но неисключительно, является плоской. Предпочтительно, она имеет очень низкую шероховатость, обеспечиваемую, например, с помощью прецизионного полирования. Указанная контактная поверхность расположена таким образом, она обращена к низу наружного тороида 25.
Опора 14 предпочтительно является металлической. Однако могут быть использованы другие материалы, например, керамика, в частности, помимо прочего, карбиды вольфрама, карбиды кремния. Сходным образом, на контактную поверхность 14a может быть нанесено покрытие, облегчающее скольжение, в частности, перед полированием, например, кермет или Stellite, подобно этому примеру.
В момент установки вращающегося вала 16, содержащего металлическое уплотнительное соединение 1, геометрическая компоновка узла обеспечивает, что наружный тороид 25 соединения 1 опирается на контактную поверхность 14a. Поскольку соединение 1 крепится на вращающемся валу 16, наружный тороид 25 скользит во время вращения вращающегося вала 16 по контактной поверхности 14a.
Для получения на этом наружном тороиде 25 надлежащего уровня уплотнения предпочтительным является осевое сжатие этого тороида 25. Система, сжимающая наружный тороид 25, предпочтительно должна вращаться одновременно с вращающимся валом 16. Фактически, если бы металлическая деталь, сжимающая этот тороид 25, являлась статической, тороид 25 бы сильно сжимался в осевом направлении. Вращение вращающегося вала 16, таким образом, создавало бы риск возникновения значительного срезающего усилия с последующим разрушением межтороидной зоны 26c.
Соответственно и предпочтительно проставка 17 также играет некоторую роль возле наружного тороида 25 во время сжатия. Ее геометрия обеспечивает, что во время сжатия внутреннего тороида 24 она также приходит в контакт с наружным тороидом 25 напротив контактной поверхности 14a или даже закрывает значительную часть его высоты в некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения, описанных ниже.
Таким образом, сжатие наружного тороида 25 происходит между подвижной проставкой 17 с одной стороны и неподвижной опорой 14 с другой стороны. Напряжение сжатия наружного тороида 25 проходит через вращающийся вал 16.
Для прикладывания этого напряжения к вращающемуся валу 16 узел 30 предпочтительно содержит металлическую деталь, образующую крышку 15, которая закрывает узел, содержащий проставку 17, зажимную гайку 18, металлическое уплотнительное соединение 1 и, по меньшей мере, контактную поверхность 14a опоры 14. Крышка 15 позволяет вращающемуся валу свободно вращаться. Однако она жестко соединена в осевом направлении с вращающимся валом 16 и создает между ними вращательную связь, но не связь с возможностью поступательного перемещения.
Верхняя часть вращающегося вала 16 проходит через крышку 15 и обеспечивает центрирование вращающегося вала 16. На фиг. 1 следует отметить факультативное наличие двух уплотнительных колец 22 и 23, которые могут быть включены в состав узла 30 с целью функциональных испытаний. Кроме того, между крышкой 15 и опорой 14 имеется зазор J.
Кроме того, как видно на фиг. 1, крышка 15 имеет выступ 38 на наружном диаметре, который закрывает наружный диаметр опоры 14. Сходным образом, опора 14 имеет выступ 37 на наружном диаметре, который закрывает наружный диаметр неподвижного корпуса 3.
Крышка 15 может быть прикреплена к раме 3 с помощью гаек и болтов и/или непосредственно к опоре 14 и предпочтительно в этом случае снаружи контактной поверхности 14a. Таким образом, образуется связь между вращающимся валом 16 и крышкой 15 в ее верхней части, ограничивающая совместное перемещение указанных деталей в осевом направлении, но позволяющая вращающемуся валу 16 свободно вращаться, например, подобно подшипниковой сборке.
С учетом, в общем, низких частот вращения в предполагаемых применениях предпочтительно выбирают узел, сходный с вариантом выполнения, показанным на фиг. 1.
Фиг. 2 – 4 позволяют лучше понять режим зажатия узла. Как видно, например, на фиг. 2, крышка 15 имеет множество первых гладких отверстий 51, продолжающихся вдоль оси X вращения и проходящих в осевом направлении через крышку 15. Эти первые гладкие отверстия 51 расположены таким образом, что они обращены ко вторым гладким отверстиям 52, образованным в осевом направлении в опоре 14, которые сами обращены к резьбовым отверстиям 53 в неподвижном корпусе 3.
Узел 30 также содержит множество резьбовых шпилек 19, которые проходят через крышку 15, опору 14 и корпус 3 и заблокированы в гладких 51, 52 и резьбовых 53 отверстиях. Таким образом, крышка 15 прикреплена к корпусу 3 посредством навертывания гаек 6 на резьбовые шпильки 19 в верхней чести крышки 15, причем между гайками 6 и крышкой 15 установлены шайбы 5.
Кроме того, крышка 15 имеет в верхней части множество радиальных отверстий 8, четыре таких отверстия в рассматриваемом случае, которые имеют одинаковый диаметр и продолжаются перпендикулярно оси X вращения и выходят к внутреннему диаметру крышки 15 и продолжаются через нее радиально. В радиальные отверстия 8 вставлены штифты 20, имеющие такой же диаметр, как и радиальные отверстия 8.
Вращающийся вал 16 расположен так, что штифты 20 входят в канавку 16e, выполненную посредством механической обработки в валу, причем размер канавки равен диаметру штифтов 20, увеличенному для создания незначительного зазора. Штифты 20 входят в канавку 16e и, таким образом, блокируют осевое перемещение вращающегося вала 16. Благодаря незначительному зазору вращение вала остается свободным.
Кроме того, на периферии крышки 15 установлен блокирующий элемент 21, именуемый «стопорным кольцом», во избежание выскальзывания штифтов 20. После установки указанных деталей резьбовые шпильки 19 блокируются с помощью гаек 6. Прикладываемый крутящий момент позволяет регулировать механические напряжения на наружном тороиде 25. Таким образом, можно совместно регулировать уровень уплотнения и момент сопротивления при вращении.
Во время затяжки крышки 15 узел, образованный валом 16, уплотнительным соединением 1, гайкой 18 и проставкой 17, приводится в движение, и наружный тороид 25 сминается на контактной поверхности 14a опоры 14. Таким образом, узел подготовлен к вращению.
Известно, что во время вращения важно поддерживать высокую плотность контакта между наружным тороидом 25 и контактной поверхностью 14a с целью получения уплотнения высокого уровня. Поскольку контактная поверхность 14a предпочтительно не является полностью плоской или, в общем, не является полностью правильной, витки пружины обеспечивают непрерывное следование неровностям поверхности и, тем самым, обеспечивают указанный плотный контакт в каждый момент времени. Что касается внутреннего уплотнения, оно выполняется на статическом внутреннем тороиде 24.
Регулирование напряжения сжатия на наружном тороиде 25 выполняется исключительно в осевом направлении: следовательно, противодействие жесткости цилиндрических элементов в радиальном направлении не является обязательным. Таким образом, регулирование является легким, и существует возможность оптимизации пары, образованной уровнем уплотнения и напряжением манипулирования. Фактически, напряжение манипулирования непосредственно относится к напряжению сжатия, генерируемого за счет касательного напряжения трения.
-1
Промышленная оптимизация этого принципа изобретения включает в себя создание контакта металл/металл между крышкой 15 и деталью, на которую она навинчивается, а именно, опорой 14 или корпусом 3, с целью регулирования сжатия наружного тороида 25. Таким образом, металлическое уплотнительное соединение 1 сжимается до заданного размера. Это позволяет увеличивать момент зажатия после достижения контакта и исключить подъем во время повышения высокого давления. Это является приемлемым, поскольку кривая изменения напряжения на единицу EL длины, выраженная в Н⋅мм, согласно смятию EC, выраженному в мм, как показано на фиг. 8, для металлического уплотнительного соединения такого типа, который описан в документе FR 2 151 186 A1 и используется для металлического уплотнительного соединения 1 узла 30 согласно изобретению, имеет плоский участок в конце сжатия и, таким образом, приспособляемость к большим зазорам в гнезде.
Кроме того, важно, чтобы во время вращения наружный тороид 25 мог скользить по опоре 14 и вместе с тем не скользить по его поверхности контакта с проставкой 17. Таким образом, на фиг. 5 показано усовершенствование изобретения, в котором поверхность 17a проставки 17 в контакте с наружным закрывающим участком 26b имеет шероховатость, превышающую шероховатость контактной поверхности 14a опоры 14, причем последняя является гладкой. Это способствует блокировке в проставке 17 и скольжению по опоре 14.
Кроме того, при наружном воздействии среды существует риск деформации наружного тороида 25 или даже риск его выталкивания. Таким образом, небольшой выступ 17b, образованный на наружном диаметре проставки 17, позволяет закрывать наружный тороид 25 на его наружном диаметре. Высота выступа 17b меньше размера в состоянии сжатия уплотнительного соединения 1, поскольку в ином случае выступ 17b терся бы о контактную поверхность 14a и препятствовал бы надлежащему сжатию наружного тороида 25. Как преимущество, предусмотрена установка, позволяющая поддерживать минимальное осевое расстояние между указанным выступом 17b и контактной поверхностью 14a.
Недостаток узла 30 может состоять в наличии, осевой блокировки вращающегося вала 16 относительно корпуса 3 принимающей машины, что может иметь место в двух случаях: если крышка 15 прикреплена непосредственно к корпусу 3; если крышка 15 прикреплена к опоре 14, и опора 14 жестко прикреплена к корпусу 3. Во время использования при высоких или низких температурах существует возможность наблюдения относительного расширения корпуса 3 и вращающегося вала 16. Наличие блокировки препятствует этому явлению, которое может быть неблагоприятным.
Кроме того, общепринятой практикой является определение осевого положения вращающегося вала 16 с помощью других механических элементов. Например, в шаровом клапане шарик, жестко связанный с валом, саморегулируется с помощью внутренних механических элементов. Осевое положение вала является результатом, применительно к которому необходима адаптация.
Таким образом, техническое решение включает в себя связь опоры 14 с деталью типа осевого сильфона, которая сама соединена с корпусом 3. Таким образом, в другом варианте выполнения, как видно на фиг. 6 и 7, опора 14 состоит из трех деталей, жестко соединенных друг с другом, совместно изготовленных посредством механической обработки или сваренных друг с другом. Таким образом, опора 14 содержит внутреннюю опору 11, имеющую контактную поверхность 14a, на которую опирается металлическое уплотнительное соединение 1 на уровне наружного тороида 25, сильфон 12 и наружный фланец 13.
Наружный фланец 13 прикреплен к неподвижному корпусу 3 болтами 60. В канавку 61 вставлено уплотнительное соединение для обеспечения уплотнения. Резьбовые шпильки 19 на этот раз привернуты непосредственно к внутренней опоре 11, а не к корпусу 3, как описано выше. Сильфон 12 придает узлу 30 степень свободы в осевом направлении во избежание блокировки возможных относительных расширений, причем сильфон 12 соединяет внутреннюю опору 11 и наружный фланец 13. Сильфон 12 может быть изготовлен посредством гидравлической вытяжки, сварки сегментов или даже механической обработки из сплошной заготовки совместно с опорой 14.
Кроме того, на фиг. 9A и 9B показана контактная поверхность 14a опоры 14, которая имеет охватывающую коническую форму для использования в условиях действия высокого внутреннего давления. Наружный тороид 25 периодически находится в контакте с контактной поверхностью 14a, имеющей коническую форму, и выступы 65 и 66 также способствуют сопротивлению давлению. Образованный уклон сам по себе ограничивает радиальные перемещения, и выступы 65, 66 при необходимости могут действовать в качестве конечного упора.
Кроме того, на фиг. 10 показана проставка 17, разделенная на три детали. Таким образом, проставка 17 содержит первую деталь, именуемую внутренней проставкой 29, которая опирается на внутренний тороид 24 и имеет гладкий внутренний диаметр, предназначенный для скольжения по вращающемуся валу 16. Внутренняя проставка 29 имеет резьбовой наружный диаметр. Его величина находится в диапазоне между величиной наружного диаметра внутреннего тороида 24 и величиной внутреннего диаметра наружного тороида 25. Кроме того, проставка содержит вторую деталь, именуемую наружной проставкой 31, которая опирается на наружный тороид 25, имеет резьбовой внутренний диаметр и предназначена для навертывания на внутреннюю проставку 29. Это резьбовое соединение позволяет регулировать во время установки положение двух проставок, внутренней 29 и наружной 31, что может быть полезным для компенсации разброса, относящегося к отклонениям размеров различных компонентов. Кроме того, после выполнения регулирования на проставку устанавливают стопорную гайку 32, которая позволяет поддерживать отрегулированное состояние.
В общем, оптимизация позволяет предварительно регулировать перед установкой смятие наружного тороида 25. Другая идея показана на фиг. 11, где предусмотрена замена системы, содержащей радиальные штифты 20. Крышка 15 имеет на своем внутреннем диаметре, на уровне центрировки вращающегося вала 16, внутреннюю резьбу 34, при этом вращающийся вал имеет на уровне внутренней резьбы 34 участок, имеющий уменьшенный диаметр 35 для создания блокирующего заплечика 27 на вращающемся валу 16.
Кроме того, узел 30 содержит стопорную гайку 28, которая может быть установлена между вращающимся валом 16 и крышкой 15 на уровне внутренней резьбы 34 и участка, имеющего уменьшенный диаметр 35, и опираться на блокирующий заплечик 27 для осевой блокировки перемещения вращающегося вала 16. Стопорная гайка (не показана) может обеспечивать блокировку узла во избежание какого-либо отвинчивания/излишнего завинчивания во время вращения вращающегося вала 16.
Кроме того, в случае, когда не возникает проблема относительного расширения, и предусматривается адаптация к осевому положению вала 16, «подвергаемого воздействию» из-за регулирования других компонентов, также существует возможность разделения крышки на две части.
На фиг. 12 показан другой вариант осуществления, в котором крышка 15 разделена на две части. Она содержит наружную крышку 43, прикрепленную к корпусу 3, причем наружная крышка 43 имеет отверстия для прохождения гаек и болтов 49 для ее крепления к корпусу 3. Наружная крышка 43 связана с внутренней крышкой 41 с помощью резьбового соединения 42. Внутренняя крышка 41 имеет нерегулируемую связь с вращающимся валом 16, например, помимо прочего, узел опор, систему штифтов. В рассматриваемом случае это система штифтов 48. Резьбовое соединение 42 между внутренней крышкой 41 и наружной крышкой 43 позволяет регулировать высоту крышки 15 и устанавливать в заданное положение штифты 48 с учетом высоты для адаптации к осевому положению вращающегося вала 16. После выполнения регулирования стопорная гайка 47 позволяет зафиксировать отрегулированное положение.
Кроме того, следует отметить, что в таком узле 30 согласно изобретению между внутренним 24 и наружным 25 тороидами может создаваться момент кручения. Во время регулирования также предусматривается ограничение трения между наружным тороидом 25 и контактной поверхностью 14a опоры 14. Например, это может быть достигнуто с помощью нанесения покрытия на уплотнительное соединение 1, например, посредством осаждения золота или серебра. Кроме того, это является преимуществом в отношении улучшения характеристик уплотнения при условии гибкости его поверхности.
Кроме того, в определенных вариантах осуществления изобретения металлическое уплотнительное соединение 1 может содержать две оболочки или покрытия, окружающие друг друга. Первый виток или первая оболочка 26, контактирующая с пружинами, состоит, например, из материала, имеющего высокую механическую прочность, в частности, из сплава типа Inconel, для придания механической сцепляемости соединению 1, и второй виток выполнен из более пластичного материала, в частности, из серебра, предназначенного для пластической деформации при контакте с уплотнительными поверхностями с целью уменьшения интенсивности утечки.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Специалист в данной области может выполнить различные модификации изобретения.
В частности, опора 14 может быть вращающейся деталью, жестко соединенной с вращающимся валом 16 на уровне буртика 7, как показано на фиг. 13.
На фиг. 13 опора 14 вращается с вращающимся валом 16 с помощью ведущего штифта 62, установленного в гнездах 70 и 71 соответственно опоры 14 и буртика 7.
Кроме того, узел содержит вспомогательное уплотнительное соединение 67, в частности, статическое уплотнительное соединение, например, уплотнительное кольцо, между опорой 14 и буртиком 7. Это уплотнительное соединение 67, в частности, может соответствовать частному варианту выполнения уплотнительного соединения, описанного в вышеупомянутом документе FR 2 151 186 A1.
Кроме того, в контакте с опорой 14 и вращающимся валом 16 установлен вспомогательный блокирующий элемент 63, именуемый «стопорным кольцом», так что опора 14 расположена между блокирующим элементом 63 и уплотнительным соединением 67.
В этом примере внутренний тороид 24 действует в качестве динамического тороида. Последний находится в контакте с поверхностью 14a опоры 14.
Кроме того, в этом примере проставка 17 действует в качестве крышки 15, так что проставка 17 и крышка 15 соответствуют одному и тому же элементу конструкции.
Кроме того, проставка 17 и корпус 3 соответственно имеют отверстия 58a и 58b, в частности, резьбовые отверстия, для прохождения средства крепления друг с другом проставки 17 и корпуса 3 такого, как резьбовая шпилька 50. Таким образом, корпус 3 и проставка 17 соединены друг с другом и не вращаются.
На резьбовой шпильке 50, а также между проставкой 17 и гайкой 18, выше которой расположена стопорная гайка 45 для фиксации узла, установлены шайбы 46 и 59. Более конкретно, предпочтительно металлическая шайба 59 скольжения может быть установлена между гайкой 18 и проставкой 17, в то время как обычная металлическая шайба 46 может быть установлена на резьбовую шпильку 50.