УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РОТОРНОЙ МАШИНЫ
SEAL ELEMENT FOR ROTARY MACHINE

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию уплотнения между компонентами роторных машин, в особенности уплотнения между компонентами насосов.
В роторной машине, как правило, ротор выполнен с возможностью вращения в кожухе, на котором установлены один или несколько других стационарных компонентов, таких как трубные фланцы, вкладыши для компенсации износа и т.п. (см., например, US 5941536 А, 24.08.1999). Такие компоненты часто имеют форму отливок, которые без дополнительной механической обработки имеют широкие допуски на размер. Таким образом, объемы уплотнения между такими компонентами могут варьировать в широких пределах, что обычно приводит к необходимости отжига компонентов и затем проведения механической обработки их поверхностей для четкого определения объемов уплотнения. Иногда необходимо производить термообработку компонентов после механической обработки, которая может вызывать дополнительные, неприемлемые деформации, требующие проведения еще одной дополнительной операции механической обработки или операции окончательной механической обработки. Механическая обработка часто является проблематичной в связи с асимметрией компонентов, имея в виду, что компоненты роторных машин обычно должны быть кругло симметричными. Кроме того, обычно требуется, чтобы компоненты были концентрически смонтированы.
Особенно в тех случаях, когда объемы уплотнения являются замкнутыми, требуются жесткие допуски, если материал уплотнительного кольца является несжимаемым.
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию уплотнительного элемента, предназначенного для уплотнения между компонентами роторной машины у границы раздела кольцевого уплотнения, где противоположные поверхности компонентов образуют замкнутый или частично замкнутый объем уплотнения, главным образом заданной формы, конфигурации и ориентации, между зонами относительно высокого давления и низкого давления, причем уплотнительный элемент имеет форму уплотнительного кольца из пластичного материала и образует множество полостей, предназначенных для приема деформированного материала, чтобы допустить деформацию материала уплотнительного кольца в полости, при этом уплотнительное кольцо содержит юбку, которая идет главным образом продольно, имеет радиально внутреннюю и внешнюю периферийные поверхности и которая имеет главным образом форму клина, причем суженный конец юбки имеет свободный конец, который предназначен для установки в зоне высокого давления объема уплотнения.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа указанные полости чередуются с контактными площадками, причем полости и контактные площадки распределены по периферии, при этом поверхности поперечных сечений контактных площадок при соответствующих радиусах постепенно возрастают от поверхности юбки, для создания силы сжатия, необходимой для деформации контактных площадок, с экспоненциальным ростом с показателем больше 1.
Преимущественно, полости и контактные площадки соответственно могут быть ориентированы продольно, причем полости и контактные площадки смещены периферийно.
Полости могут быть открыты вдоль радиально внешней поверхности юбки, причем поверхности поперечных сечений контактных площадок у внешней периферии юбки являются минимальными, при этом соответствующие поверхности поперечных сечений контактных площадок возрастают с уменьшением радиуса. Таким образом, радиально внешние поверхности контактных площадок преимущественно могут быть выпукло закругленными.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа указанный пластичный материал является упругим и имеет характеристики деформации / растягивающего напряжения в следующих диапазонах:
2
для относительного удлинения 100% растягивающее напряжение составляет от 0,2 до 1,8, а преимущественно около 1 Н/мм;
2
для относительного удлинения 200% растягивающее напряжение составляет от 0,8 до 4,8, а преимущественно около 2,7 Н/мм;
2
для относительного удлинения 300% растягивающее напряжение составляет от 12,2 до 24,7, а преимущественно около 18,5 Н/мм.
Материалом может быть натуральный или синтетический каучук соответствующей марки. Это может быть, например, уретан соответствующей марки. Материал может быть главным образом несжимаемым.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа юбка идет от основания, которое имеет радиально внутреннюю и внешнюю стороны, а также заднюю сторону, промежуточную между указанными внутренней и внешней сторонами, причем внутренняя и внешняя стороны сходятся в направлении удаления от указанной задней стороны.
В соответствии с предпочтительным вариантом основание, в поперечном сечении, является частично полым, причем указанные полости заключены по меньшей мере частично между внутренней и внешней сторонами, при этом уплотнительное кольцо содержит контактные площадки, между которыми рассредоточены полости, причем контактные площадки внедрены между внутренней и внешней сторонами и доходят до задней стороны. Внутренние и внешние стороны основания могут быть наиболее широко раздвинуты поблизости от задней стороны и приспособлены для использования с полостью уплотнения соответствующей формы, для содействия давлению уплотнения в поддержании уплотнения в области основания, вне зависимости от величины давления уплотнения и деформации материала уплотнительного кольца.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа указанное уплотнительное кольцо содержит кольцевое основание, от которого продольно идет юбка, причем кольцевое основание имеет большую толщину кольца, чем более толстый конец юбки, при этом основание имеет вдоль одной своей поверхности выступающую периферийную кромку основания, выполненную с возможностью контакта с кольцевой зоной полости уплотнения.
В соответствии с одним из вариантов указанная кромка основания идет вдоль радиально внешней поверхности уплотнительного кольца и может быть ориентирована радиально наружу и в направлении конца относительно высокого давления полости уплотнения. Кромка основания может иметь форму входящей кромки вдоль внешней периферийной поверхности основания.
В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа юбка имеет, на своем свободном конце, кромку юбки, скошенную для прижима к соответствующему кольцевому участку указанной зоны высокого давления.
Кромка юбки может быть скошена радиально внутрь, так что при эксплуатации она открыта к радиально внутренней поверхности объема уплотнения.
В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа одна из внутренней и наружной периферийных поверхностей юбки содержит наклонную секцию, имеющую такую форму и ориентированную таким образом, чтобы соответствовать противоположной поверхности, образующей объем уплотнения, но идущую под таким углом, который позволяет прижимать кромку юбки в направлении ее свободного конца к указанной противоположной поверхности уплотнения полости уплотнения.
Указанная наклонная секция может идти вдоль радиально внутренней периферийной поверхности юбки, причем указанная наклонная секция является а-цилиндрической и сужается в направлении свободного конца юбки.
Указанная одна из внутренней и наружной периферийных поверхностей юбки может иметь, последовательно с указанной наклонной секцией, не имеющую наклона (“ровно лежащую”) секцию, ориентированную так, чтобы входить в контакт с соответствующей поверхностью объема уплотнения. Указанная не имеющая наклона секция может быть цилиндрической, может идти вдоль радиально внутренней периферии поверхности кольца уплотнения и в направлении конца низкого давления кольца уплотнения.
В соответствии с седьмым аспектом настоящего изобретения в уплотнительном кольце описанного типа одна из радиально внутренней и наружной периферийных поверхностей уплотнительного кольца выполнена так, что прилегает к соответствующей поверхности полости уплотнения, а другая имеет указанные полости, чередующиеся с контактными площадками, у которых кольцевой участок в направлении одного конца юбки скошен относительно противоположной поверхности кольца уплотнения для облегчения установки (сборки) уплотнительного кольца в объеме уплотнения.
Радиально внутренняя поверхность может быть гладко изогнута, а радиально внешняя поверхность имеет открытые полости и контактные площадки.
Скошенный участок может находиться на свободном конце юбки.
Предлагается также комбинация роторной машины, имеющей компоненты, которые образует границу раздела кольцевого уплотнения, где противоположные поверхности компонентов образуют замкнутый или частично замкнутый объем уплотнения, и уплотнительного кольца в соответствии с любым аспектом настоящего изобретения.
Изобретение будет описано далее в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные схематичные чертежи.
На фиг.1 показано, фрагментарно, осевое сечение шламового насоса в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показана осевая проекция уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением, которое является частью шламового насоса фиг.1.
На фиг.3 показано, фрагментарно и с увеличением, осевое сечение уплотнительного кольца фиг.2.
На фиг.4 показано, фрагментарно и с увеличением, трехмерное изображение уплотнительного кольца фиг.2 и 3.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан роторный шламовый насос в соответствии с настоящим изобретением, обозначенный в общем виде позицией 10. Шламовый насос 10 является главным образом симметричным (за исключением его улитки и выпускного фланца) относительно средней линии, обозначенный позицией 11. На фиг.1 показано осевое сечение только одной половины насоса, с одной стороны от средней лини 11.
Насос 10 имеет кожух насоса, обозначенный в общем виде позицией 12 и снабженный впуском, обозначенным в общем виде позицией 26, и полостью рабочего колеса и улиткой, обозначенной в общем виде позицией 14 и предназначенной для установки вращающегося рабочего колеса 16. С улиткой сообщается выпуск (на фиг.1 не показан). Рабочее колесо 16 установлено на валу 18 вращения, при помощи которого рабочее колесо при эксплуатации вращается внутри стационарного кожуха 12.
Предусмотрено уплотнение вокруг конца кожуха 12, где установлен вал 18, который обычно называют сухим концом или приводным концом. Этот элемент уплотнения обозначен в общем виде позицией 19. Он имеет составную структуру и далее здесь обсуждается только его один аспект.
Кожух 12 насоса представляет собой составной кожух, который содержит внешний, периферийный основной участок кожуха 20 в виде периферийного колпака. Кожух 12 дополнительно содержит пару противоположных концевых вкладышей, а именно вкладыш 22 конца всасывания, расположенный на стороне всасывания насоса, и вкладыш 24 конца привода на конце привода или на сухом конце насоса 10. Вкладыши 22, 24 закреплены при помощи зажимов 28, 30. На обоих концах основной участок кожуха 20 имеет периферийные опорные поверхности, обозначенные в общем виде позицией 20.1. Каждая опорная поверхность 20.1 ступенчато отклоняется от оси в направлении наружу, сначала с первым, относительно малым утлом отклонения, а затем с существенно большим углом отклонения.
Как вкладыш 22 конца всасывания, так и вкладыш 24 конца привода имеет обращенную радиально наружу соответствующую периферийную опорную поверхность 22.1, 24.1, которая является цилиндрической.
После сборки противоположные пары опорных поверхностей 20.1, 22.1 и 20.1, 24.1 образуют между собой полости кольцевого уплотнения, в которые введены уплотнительные кольца 40. Уплотнительные кольца 40 являются идентичными или главным образом идентичными, поэтому далее будет описано более подробно только одно уплотнительное кольцо, которое является предметом настоящего изобретения. Далее это уплотнительное кольцо будет описано более подробно со ссылкой на фиг.2 и 3.
В поперечном сечении уплотнительное кольцо 40 содержит периферийную юбку, обозначенную в общем виде позицией 42, идущую от профилированного, главным образом U-образного основания 44, лежащего на одной стороне кольца. Юбка 42 имеет форму удлинения радиально внутренней ветви U-образного основания 44. Юбка сужается от относительно толстого сечения у основания 44 до относительно тонкого сечения на своем свободном конце. Начальная секция юбки 42 у основания 44, обозначенная позицией 42.2, является цилиндрической и соответствует ориентации опорных поверхностей 22.1, 24.1. Расположенная у свободного конца юбки дополнительная секция, обозначенная позицией 42.1, имеет наклон к оси и сужается в направлении свободного конца так, чтобы обеспечивать посадку с натягом по соответствующей опорной поверхности 22.1, 24.1.
Противоположная, радиально внешняя ветвь U-образного основания 44, обозначенная в общем виде позицией 44.1, имеет наклон в сторону юбки 42 и имеет кольцевую, сужающуюся радиально наружу кромку с внутренним концом 44.2.
Свободный конец юбки 42 сужается и образует повернутую радиально внутрь кольцевую кромку 46.
Уплотнительное кольцо 40 содержит множество продольно ориентированных, смещенных по окружности контактных площадок 48. Контактные площадки 48 имеют ориентировочную форму пальцев, идущих от задней стороны основания 44, сначала между противоположными ветвями, к концу юбки 42. Каждая контактная площадка 48 имеет частично закругленное сечение выпуклой формы. Контактные площадки 48 смещены друг от друга для образования полостей между ними. Каждая контактная площадка 48, в направлении к ее свободному концу, является скошенной, как это показано позицией 48.1. Полости частично заходят в U-образное основание 44.
Уплотнительное кольцо 40 имеет форму отливки из синтетического эластомерного материала, такого как каучук, уретан и т.п. Важными являются характеристики деформации / растягивающего напряжения материала, как это уже было упомянуто здесь ранее в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения.
Преимущественно, уплотнительное кольцо 40 имеет посадку с натягом по всей радиально внутренней опорной поверхности 22.1, 24.1, при этом деформация составляет ориентировочно от 6% до 4%, так что средний внутренний диаметр уплотнительного кольца 40 составляет ориентировочно от 0,94 до 0,96 внешнего диаметра соответствующей опорной поверхности 22.1, 24.1.
Кроме того, в соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения прилежащий угол конусной лицевой поверхности 42.1 составляет ориентировочно от 10° до 16°. За счет этого обеспечивается, что юбка 42, в направлении ее свободного конца 42.1, будет прижата к соответствующей опорной поверхности 22.1, 24.1 и будет способствовать уплотнению между соответствующим концевым вкладышем 22, 24 и основным участком кожуха 20 вблизи от конца высокого давлении или мокрого конца уплотнительного кольца 40.
В этом отношении в соответствии с пятым аспектом обращенная радиально внутрь кромка 46 на свободном конце юбки 42 дополнительно усиливает уплотнение в этой области.
В соответствии с седьмым аспектом настоящего изобретения скошенные участки 48.1 контактных площадок 48 облегчают введение уплотнительного кольца 40 в сужающуюся полость уплотнения.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения радиально внутренняя и радиально наружная стороны ветвей U-образной задней стороны 44 сходятся при удалении от U-образной задней стороны. Таким образом, при эксплуатации, образуется дополнительная полость уплотнения, которая обеспечивает, во время сжатия уплотнительного кольца 40 при сборке (при его установке), поддержание давления в области основания 44, чтобы иметь постоянное уплотнение в этой области, вне зависимости от состояния сжатия и деформации уплотнения.
Как уже было упомянуто здесь ранее, основное преимущество уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что оно обеспечивает упругое уплотнение относительно соответствующих опорных поверхностей, причем материал уплотнительного кольца, деформированный во время сборки с приложением давления, может затекать в полости между контактными площадками, что позволяет использовать уплотнительное кольцо в полостях уплотнения, имеющих большие допуски размеров. Важно, что каждая из контактных площадок 48 имеет очень малую площадь вблизи от ее радиально внешнего конца, и что площадь сечения увеличивается при уменьшении радиуса, в результате чего создаются благоприятные условия для легкого начального введения уплотнительного кольца и требуется приложения постепенно увеличивающегося усилия деформирования, когда контактные площадки деформированы.
Обращенная наружу кромка 44.2 на свободном конце внешней ветви основания 44 улучшает уплотнение относительно опорной поверхности 20.1.
Заявитель полагает, что настоящее изобретение имеет важное преимущество, которое заключается в том, что оно позволяет создать уплотнительное кольцо из несжимаемого материала, такого как каучук, и которое подходит для уплотнения в полостях с большими допусками по размерам или объему. Это становится возможным за счет наличия контактных площадок и полостей между контактными площадками, чтобы позволить деформацию контактных площадок в указанные полости при сжатии. Характеристики описанного выше уплотнительного кольца позволяют улучшить уплотнение и дополнительно облегчают проведение сборки и разборки.