УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА ИЛИ ПЛУНЖЕРА Российский патент 1994 года по МПК F16J15/26 

Изобретение относится к уплотнительной технике, преимущественно к уплотнениям плунжеров и штоков ступеней высокого и сверхвысокого давления этиленовых компрессоров производства полиэтилена.

Известны уплотнения, которые широко применяются для плунжеров и штоков ступеней высокого и сверхвысокого давления компрессоров. Такие уплотнения выполнены в виде набора уплотнительных элементов, каждый из которых состоит из двух колец. Первое по направлению вектора давления газа кольцо замыкающее состоит из трех частей, следующее за ним кольцо уплотняющее состоит из шести частей. При этом радиальные зазоры в стыках кольца уплотняющего перекрыты отъемными сегментами ("горбушками"). Первое кольцо (замыкающее) служит для перекрытия радиальных зазоров в стыках секторов кольца уплотняющего, при этом кольцо замыкающее непосредственно не осуществляет действия уплотнения в направлении вектора давления, т.к. имеет радиальные зазоры между его тремя частями, через которые давление свободно проходит внутрь полости камеры сальника, где расположены уплотнительные элементы. Для обеспечения перекрытия радиальных зазоров кольца уплотняющего зазора в кольцах взаимно смещены и кольца фиксируются штифтом. Каждый уплотнительный элемент, входящий в уплотнительное устройство (сальник), устанавливается в отдельной камере. Количество камер с уплотнительными элементами в сальнике определяется, в основном, перепадом давления на уплотнении плунжера или штока. Каждое из колец - замыкающее и уплотняющее - охватываются по наружной поверхности браслетной пружиной, установленной в кольцевом пазе на наружной поверхности колец. Эта браслетная пружина обеспечивает предварительное (за счет натяга пружины) прижатие колец к поверхности плунжера или штока и одновременно взаимное прижатие частей кольца уплотняющего между собой (трех сегментов к трем секторам кольца). При наличии перепада давления газа уплотнительный элемент работает по принципу самоуплотнения, т.е. действие уплотнения или создание градиента падения давления вдоль поверхности контакта кольца уплотняющего с плунжером или штоком (по направлению вектора давления), осуществляется за счет радиального прижатия кольца к поверхности плунжера непосредственно перепада давления (за счет разницы давления снаружи уплотняющего кольца и по внутренней его поверхности). Начальное действие в создании этого перепада обеспечивается за счет действия браслетных пружин. Когда же давление газа через радиальные зазоры в стыках кольца замыкающего проникает в полость камеры снаружи кольца уплотняющего, а его проникновение в условный зазор между кольцом уплотняющим и плунжером сопряжено с проникновением газа в закрытую щель (за счет начального прижатия браслетной пружиной) начинает действовать принцип самоуплотнения. В результате описанного действия и возникает радиальный перепад давления на кольце уплотняющем, на чем и базируется принцип самоуплотнения, при этом, чем выше перепад давления и чем он быстрей достигается во времени, тем более высокими сказываются усилия на поверхности контакта кольца уплотняющего с плунжером и соответственно выше значения градиента падения давления вдоль поверхности контакта или рабочей поверхности кольца.

Одним из недостатков уплотнений штоков и плунжеров является их низкая надежность и долговечность. Это связано, в частности, с разрушением браслетных пружин при применении таких уплотнений для ступеней высокого и сверхвысокого давления.

Основной причиной разрушения браслетных пружин являются:
В период процесса сжатия и нагнетания газ из рабочей полости цилиндра под давлением проникает (за счет проточек газа через уплотнительные элементы) в полости за элементом, заполняя полости камер, находящихся за первыми со стороны камеры сжатия элементами.

При обратном ходе поршня, т.е. при расширении газа из мертвого объема и снижения давления газа в рабочей полости цилиндра до давления всасывания, происходит обратная переточка газа из полости за уплотнительным элементом обратно в полость цилиндра. При этом нагрузку от обратного перепада давления воспринимает на себя расположенное в камере первым уплотняющее кольцо из шести частей, в котором газ обратного потока через открытый стык между частями кольца внутреннего сектора (из трех частей) проникает к стыку между сопряженными частями секторов и сегментами и раскрывает один из этих стыков. Раскрытие происходит по тому стыку, который имеет наименьшую плотность, куда легче всего проникает импульс давления, раскрывающий стык.

При раскрытии стыка сегмент, удерживающийся браслетной пружиной, отбрасывается импульсом давления от поверхности сектора, что особо проявляется при компримировании газа сверхвысокого давления, когда среда оказывается практически несжимаемой (по термодинамическим параметрам близкой к сжиженному газу) и, в этом случае, процессы сжатия и обратного расширения протекают практически мгновенно.

При резком (ударном) раскрытии стыка между сектором и сегментом уплотняющего кольца деформациям подвергаются только отдельные витки браслетной пружины, расположенные непосредственно вблизи раскрывшегося стыка, при этом деформация каждого отдельного витка в этой зоне достигает большой величины, остальные же витки пружины (за счет тормозящего действия от сил трения пружины о кольцевой паз, в котором они расположены) практически не воспринимают динамических нагрузок.

Кроме больших динамических нагрузок и деформаций витки браслетной пружины, расположенные вблизи раскрывающихся стыков подвергаются износу (истиранию) за счет трения о поверхность уплотняющего кольца (в кольцевом пазе), что также способствует разрушению браслетной пружины, а следовательно, снижению надежности работы и срока службы пружины.

Таким образом, пружина является одним из важных элементов, определяющих надежность работы уплотнительного элемента в целом. Подтверждением перечисленных выше положений являются визуально наблюдаемые при разборках уплотнительного устройства натиры от вращения элементов с износом сопряженных поверхностей камер, которые возникают за счет вращения элементов под действием реакции от газовых струй при переточках газа в направлениях по касательной от места расрытия стыка.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности работы уплотнения.

На фиг.1-3 показано уплотнение, установленное в камере уплотнительного устройства; на фиг.4,5 - кольцо уплотняющее; на фиг.6,7 - внутренний сектор кольца уплотняющего; на фиг.8,9 - отрезной сегмент ("горбушка"); на фиг.10 - условно показано кольцо уплотняющее в момент раскрытия стыка между секторами и сегментом кольца.

Уплотнение, состоящее из замыкающего кольца 1 (из трех частей) и уплотняющего кольца 2 (из шести частей), установлено в камере 3 уплотняющего устройства. Уплотняющее кольцо 2 сопряжено с камерой 4. На наружной цилиндрической поверхности замыкающего кольца 1 и уплотняющего кольца 2 выполнен кольцевой паз, в котором расположена браслетная пружина 5. Уплотняющее кольцо 2 состоит из трех секторов 6 и трех сегментов ("горбушек") 7. На фиг.4,5 условно показано радиальное заглубление кольцевого паза под браслетную пружину 5 в местах пересечения цилиндрических поверхностей паза и заглубление и участок пружины (ось пружины), воспринимающий динамическую нагрузку. Радиальные заглубления 8 кольцевого паза под браслетную пружину 5, выполненное на трех секторах уплотняющего кольца 2, показаны на фиг.6,7. На трех сегментах кольца 2 также выполнены радиальные заглубления 9 кольцевого паза (фиг. 8,9). Браслетные пружины 5 обеспечивают предварительное (за счет натяга пружины) прижатие колец к поверхности плунжера или штока, у уплотняющего кольца 2 одновременно взаимное прижатие и уплотнение трех частей и трех сегментов кольца между собой. При работе уплотнения наличие перепада давления на уплотнительных элементах обеспечивает основное радиальное прижатие колец к поверхности плунжера или штока, т.е. уплотнительный элемент работает по принципу самоуплотнения. В период процесса сжатия и нагнетания в ступени сверхвысокого давления газ из рабочей полости цилиндра, проникая через уплотняемый зазор между плунжером и уплотнительными элементами, заполняет полости камер уплотнения. В камерах уплотнения, расположенных ближе к полости сжания, давление газа приближается к давлению газа в рабочей полости цилиндра. При обратном ходе поршня, т.е. в процессе расширения фактически несжимаемой среды (по термодинамическим параметрам близкой к сжиженному газу) давление практически падает мгновенно. При этом в камерах, близких к полости сжатия, также мгновенно меняется направление перепада давления. Нагрузку от обратного перепада давления воспринимает на себя уплотняющее кольцо 2, состоящее из шести частей. При этом газ из обратного потока через открытые радиальные стыки внутренних секторов кольца 2 (фиг. 1-3) проникает к стыку между сопряженными частями секторов и сегментов и раскрывает один из этих стыков. Раскрытие происходит по тому стыку, который имеет наименьшую плотность. При резком (ударном) раскрытии стыка, сегмент, удерживающийся браслетной пружиной 5, отбрасывается плотной струей газа сверхвысокого давления (фиг.10). При этом благодаря радиальному заглублению кольцевого паза в местах сопряжения частей кольца между собой увеличивается размер участка браслетной пружины, не прилегающей к поверхности кольцевого паза и воспринимающий динамические нагрузки, возникающие при раскрытии стыков между сопряженными плоскими поверхностями частей секторов и сегмента уплотняющего кольца 2 (фиг.1-3).

Таким образом, поставленная цель изобретения - повышение надежности и долговечности работы уплотнительного элемента штока или плунжера - достигается тем, что в известную конструкци в местах сопряжения кольцевого паза под браслетную пружину, охватывающего снаружи все составные части уплотняющего кольца, в местах перехода этого паза из одной примыкающей друг к другу части кольца в другую, введены радиальные заглубления, за счет чего части пружины, расположенные в зоне заглубления паза, не соприкасаются с поверхностью паза. При этом практически на величину дуги заглубления увеличивается рабочая часть пружины (в зоне заглубления), воспринимающая динамические нагрузки при раскрытии стыка между сектором и сегментом уплотняющего кольца, и соответственно снижается деформация при прогибе каждого отдельного витка пружинры в этой зоне, а, следовательно, и действующие усталостные нагрузки в материале пружины. Дополнительно введенные скругления в местах пересечения цилиндрических поверхностей кольцевого паза и заглубления устраняют крутой изгиб оси пружины, износ и истирание пверхности витков пружины в контакте с поверхностью деталей кольца.

Конструктивно проработаны оптимальные соотношения между диаметром фрезы D_ф, которой обрабатывается заглубление в кольцевом пазу, и наружным диаметром кольца уплотняющего D_н, которые рекомендуется выбирать в пределах:
= 0.5-0.6=0,5-0,6 при величине радиального заглубления в 2-3 мм, при этом прогиб каждого витка, воспринимающего динамические нагрузки, и действующие усталостные напряжения в пружине находятся в допустимых пределах.

Использование: для уплотнения ступеней высокого и сверхвысокого давления этиленовых компрессоров. Сущность изобретения: уплотняющее кольцо выполнено из трех частей, охватываемых сегментами. Замыкающее кольцо выполнено из трех секторов. Каждое кольцо стянуто браслетной пружиной, входящей в кольцевой паз на наружной цилиндрической поверхности кольца. В пазу в местах сопряжения частей колец между собой по всей ширине паза выполнены цилиндрические углубления. Места сопряжения цилиндричеких поверхностей паза и углубления скруглены. 10 ил.

УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА ИЛИ ПЛУНЖЕРА, содержащее уплотняющее кольцо, выполненное из трех частей, охватываемых сегментами, и замыкающее кольцо, выполненное из трех секторов, при этом каждое кольцо стянуто браслетной пружиной, входящей в кольцевой паз на наружной цилиндрической поверхности кольца, отличающееся тем, что в кольцевом пазу в местах сопряжения частей колец между собой по всей ширине паза выполнены цилиндрические углубления, а места сопряжения цилиндрических поверхностей паза и углубления скруглены.