УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК F16J15/56 F04B53/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройству для уплотнения плунжеров мультипликаторов.

Известны уплотнительные устройства для плунжеров повысителей давления и насосов, состоящие из набора обойм с перепускными каналами и выточками по внутреннему и наружному диаметрам, в которых размещены уплотнения: снаружи - уплотнения неподвижного соединения, внутри - подвижного. Основная идея такой конструктивной схемы - преобразование одного большого перепада давления P на уплотнительном кольце в каскад n более мелких перепадов Δp ≅ P/n.
Величина перепада Δp должна находиться в пределах рекомендуемого диапазона давлений для применяемого типа уплотнительных элементов. При этом в n-раз уменьшаются не только силы, "загоняющие" материал уплотнения в зазор, но и мощность тепловыделения на поверхности подвижного контакта, если предполагать, что коэффициент трения не зависит от интенсивности контактных нагрузок.

При установившемся режиме течения жидкости через цепочку n последовательно соединенных отверстиями камер массовый расход жидкости через любое сечение равен μ.
Для i-го перепускного отверстия
ρ_i•u_i•σ_i= μ (1)
где ρ_i - плотность;
u_i - скорость жидкости в i-м отверстии площадью σ_i.
С другой стороны по закону Бернулли соответствующий перепад давления
(2)
где ξ_i - коэффициент сопротивления i-го канала.

Нетрудно увидеть, что при идентичности перепускных каналов, т. е. ξ_i= ξ; σ_i= σ и предположении о несжимаемости жидкости, из соотношений (1) и (2) следует, что все перепады
Δp_i= Δp = P/n.
Именно это положено в основу изобретения по авт. св. N 206959 и сформулировано по п.I формулы.

Следует отметить, что при неограниченном увеличении n это распределение переходит в линейную функцию p(x)=cx. Аналогично устанавливается линейное распределение температуры при течении тепла между торцами теплопроводного стержня с изолированной поверхностью.

Основное назначение устройства такого типа - уплотнение поршней водяных насосов, поскольку проблема уплотнения плунжеров масляных насосов давно и успешно решена.

При сжатии, например, до 200 МПа плотность воды возрастает на 7%. Учет сжимаемости при идентичности перепускных каналов приводит к тому, что в установившемся режиме
(3)
Т. е. в этих условиях перепад давления на первом элементе будет на 7% меньше, чем на последнем.

С технической точки зрения отклонение от равномерности распределения (±4%) невелико, однако авторы изобретения по авт. св. N 268816 решили, по-видимому, его устранить путем увеличения перепускных отверстий по ходу движения жидкости. Из (1) и (2) легко получить

Т. е. для воды при P=200 МПа изменение плотности приводит к увеличению диаметра последнего по ходу жидкости отверстия по сравнению с диаметром первого на 1,7%.

В реальных конструкциях отверстия имеют диаметр порядка 0,1 мм. Следовательно погрешность при выполнении отверстий в соответствии с авт. св. N 268816, кл. 47 F 22/50 должна быть менее, чем 1 мкм, что весьма проблематично.

Оба изобретения имеют принципиальный недостаток, поставленная в них цель достигается только при установившемся движении рабочей жидкости, в то время как в цилиндрах повысителей давления и насосов давление циклически возрастает до максимума и сбрасывается практически до нуля.

Предположим, что в цепочке камер установилось распределение давления в соответствии с соотношением (3). Жидкость и материал, из которого выполнены уплотнительные элементы сжимаемыми, поэтому после сброса давления в цилиндре давление в камерах (т.е. в полостях между обоймами) также будет сброшено, если уплотнения имеют одностороннее действие и останется таким же как при нагнетании, если кольца работают в обе стороны. Как в авт. св. N 268816, так и в авт. св. N 206959 используются уплотнения одностороннего действия, по-видимому для разгрузки уплотнительных элементов. Это приводит к сбросу упругих объемов и, как следствие, к необходимости поворотного накопления их с нуля для установления близкого к равномерному распределению Δp_i при каждом новом цикле нагнетания.

Анализ показывает, что при скачкообразном нарастании давления в цилиндре не происходит синхронного скачка давления в камерах до значений, определяемых из выражения (3). Для того, чтобы произошло наполнение упругих объемов через перепускные отверстия необходимо время, при этом в начальный момент давление в первой камере нарастает во времени линейно; во второй - квадратично, в третьей - пропорционально кубу времени и т.д. поскольку давление пропорционально упругому объему, а он является результатом интегрирования расхода μ_i, который пропорционален (но не прямо пропорционален) перепаду Δp_i.
Более детальный анализ с переходом к непрерывному распределению p(x,t) при n → ∞ показывает, что распределение давления в камерах цепочки при его нарастании в цилиндре ведет себя подобно "температурной волне" в одновременном случае, т.е. подобно распределению температуры T(x,t) в стержне при мгновенном увеличении температуры одного из торцов.

В тепловой задаче время установления стационарного распределения T(x) обратно пропорционально плотности ρ и удельной теплопроводности материала C, в то же время прямо пропорционально его теплоемкости λ и квадрату длины стержня.

Если период циклического изменения температуры τ на одном из торцов стержня меньше времени установления стационарного распределения, то колебания проникают на небольшую глубину

где
В рамках аналогии тепловой и гидравлической задачи с точностью до констант можно сопоставить сходные параметры. Теплопроводность соответствует пропускной способности каналов, теплоемкость - упругости содержимого камер. Картина изменения давлений в цепочке при колебаниях давления P в цилиндре аналогична движения "температурной волны" в стержне.

Результаты испытаний изложены в статье Новый тип уплотнения сверхвысоких гидравлических давлений /Войцеховский Б.В., Кувшинов В.А. //Динамика сплошной среды. Вып.IX. Сб. научных работ ин-та гидродинамики Академии наук СССР, Сибирское отделение. - Новосибирск, 1971. -с.43. и показали, что износ уплотнительных элементов весьма неравномерен.

Потеря массы первого кольца составила ~75%, второго ~30%, третьего ~10%, износ колец с 4 по 12 практически одинаков и находится в пределах - 5%.

В п. 2 формулы изобретения по авт. св. N 206959 предпринята попытка сгладить неравномерность увеличением сечения первого отверстия, однако это очевидно отразится на работе только первых двух уплотнений.

Для обеспечения действительно равномерной нагрузки на уплотнительные элементы необходимо, чтобы в процессе работы насоса при циклическом подъеме давления в цилиндре до рабочей величины P синхронно нарастало давление в камерах устройства до величин, соответствующих установившемуся течению жидкости под давлением P. Поставленная цель достигается путем размещения в выточках обойм уплотнительных колец двухстороннего действия и установки обойм в цилиндре с возможностью их размыкания и поочередного перемещения вдоль оси цилиндра в направлении рабочей полости при разгрузке.

Если по окончании цикла нагнетания обоймы сомкнуты и распределение давления в камерах устройства соответствует установившемуся режиму течения, то при смене направления движения плунжера давление в цилиндре начинает круто падать. Жидкость в камерах упруго расширяется, перепускные отверстия в обоймах малы, уплотнения работают в обе стороны.

Все это приводит к появлению зазоров между обоймами и их перемещение в направлении рабочего хода плунжера. При этом их размыкание происходит не одновременно. В первую очередь отстыковывается первая со стороны высокого давления обойма от второй; происходит это тогда, когда давление в цилиндре становится меньше, чем p-Δp; вторая обойма отстыковывается от третьей при , третья - при и так далее.

Нетрудно увидеть, что после сброса давления в насосе минимален зазор, который появляется между последними обоймами, он равен перемещению предпоследней обоймы, перемещение же первой обоймы равно сумме всех зазоров, величины последних близки к арифметической прогрессии.

При нарастании давления стыковка происходит в обратном порядке в первую очередь замыкается последний зазор. При этом происходит восстановление распределения установившегося течения, поскольку упругий объем жидкости остался в пространстве между обоймами.

Следует отметить, что насосы всегда при запуске работают в режиме плавного нарастания рабочего давления. За это время через малые перепускные отверстия за период времени, состоящий из множества циклов, обеспечивается натекание необходимого упругого объема. При такой схеме необходимая величина расхода жидкости через перепускные каналы должна удовлетворять единственному требованию. Одна должна быть по меньшей мере на порядок выше паразитных протечек жидкости через уплотнения, в противном случае перепады Δp_i могут сильно различаться по величине.

В реальной конструкции, которая была испытана, величина перетечек находилась в пределах 5% от расхода насоса. Испытания показали, что износ уплотнительных элементов стал практически равномерным.

На чертеже схематично показано предложенное устройство. В цилиндре 1 со стороны входа плунжера 2 установлен набор обойм 3, каждая из которых имеет выточки с уплотнениями двустороннего действия 4, а также осевые, круговые и радиальные каналы 5 для перепуска жидкости.

Обоймы установлены с возможностью осевого перемещения и поджаты в исходном состоянии к входному бурту цилиндра упругим компенсатором перемещения 6. При запуске насоса давление в цилиндре мало, затем происходит его постепенный подъем, в процессе которого происходит заполнение камер и постепенно устанавливается близкое к арифметической прогрессии распределение давлений в полостях между обоймами (в камерах), которое реализуется только при рабочем ходе плунжера 2, нагнетающего жидкость под давлением. При обратном движении плунжера давление круто сбрасывается до близкого к нулю давления всасывания. В этот период происходит расстыковка обойм.

Устройство предназначено для использования в насосах высокого давления для уплотнения плунжеров. Устройство содержит цилиндр 1, плунжер 2, набор обойм 3, каждая из которых имеет выточки с уплотнениями двустороннего действия 4, а также осевые, круговые и радиальные каналы 5 для перепуска жидкости. Обоймы установлены с возможностью осевого перемещения и поджаты в исходном состоянии к входному бурту цилиндра упругим компенсатором перемещения 6. При запуске насоса происходит постепенный подъем давления в цилиндре 1, в процессе которого идет заполнение камер и постепенно устанавливается близкое к арифметической прогрессии распределение давлений в полостях между обоймами, которое реализуется только при рабочем ходе плунжера 2. При обратном движении плунжера давление резко сбрасывается до близкого к нулю давления всасывания. В это время происходит расстыковка обойм. Устройство позволяет увеличить ресурс работы уплотнений плунжеров водяных насосов путем обеспечения равномерного износа уплотнительных элементов. 1 ил.

Уплотнительное устройство, например для плунжера насоса высокого давления, включающее установленный на входе цилиндра комплект обойм, имеющих перепускные каналы и выточки по внутреннему и наружному диаметрам с размещенными в них уплотнениями подвижного соединения, отличающееся тем, что в выточках обойм установлены уплотнения двухстороннего действия, а сами обоймы установлены с возможностью их осевого размыкания относительно друг друга и поочередного перемещения вдоль оси цилиндра в направлении рабочей полости при разгрузке.