УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И САЛЬНИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ НЕГО Российский патент 2003 года по МПК F16J15/32 

Область техники
Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к конструкции узлов уплотнения неподвижных соединений и их сальниковых уплотнений, предназначенных для использования для трубопроводной арматуры, работающей в условиях высоких давлений и температур теплоносителя тепловых и атомных электростанций, а также для арматуры и других устройств, работающих при высоких параметрах рабочих сред.

Уровень техники
В настоящее время для обеспечения повышенной герметичности узлов уплотнения в практике изготовления трубопроводной арматуры высоких параметров применяют различные меры, которые ведут к удорожанию и повышению сложности конструкции. В арматуре первых контуров атомных электростанций для обеспечения герметичности конструкцию сальникового узла делают двух- или трехступенчатой с промежуточными отводами утечек в сборники дренажа. Для компенсации потерянной при выгорании массы материала уплотнения устанавливают пружины, которые обеспечивают постоянный поджим уплотнения. Высота сальниковых камер в арматуре высоких параметров делается очень большой из-за необходимости применения больших пакетов сальниковых уплотнений, в 2-5 раз по высоте превышающих диаметр уплотняемого шпинделя. Однако все эти мероприятия не исключают необходимости подтяжки сальниковых болтов или полной замены сальниковых уплотнений.

Так, известно сальниковое уплотнение с мягкой набивкой (см. книгу А.А. Кондакова. "Уплотнения гидравлических систем". - М.: Машиностроение, 1972). Это уплотнение представляет собой кольцо прямоугольного сечения из эластичного материала, изготовляемого из пенькового, асбестового или иного шнура или порошково-волокнистой массы, содержащей графит, асбест, слюду, тальк и другие компоненты.

Недостатком известного уплотнения является невысокая термостойкость, износостойкость и герметичность.

Наиболее близким к заявленному решению узла уплотнения неподвижного соединения является устройство для уплотнения неподвижных соединений, содержащее корпус с установленным сальниковым уплотнением, охватывающим поверхность крышки, которая установлена на корпусе посредством разъемного соединения с возможностью сжатия сальникового уплотнения, выполненного в виде тела вращения, последовательно установленных элементов уплотнения, имеющих в поперечном сечении прямоугольную форму, и, по меньшей мере, двух металлических элементов, установленных снаружи элемента уплотнения параллельно диаметральной плоскости с возможностью взаимодействия с его торцевыми поверхностями по всей площади (см. US 4394023, МПК⁷ F 16 J 15/32, публ. 19.07.1983).

Наиболее близким к заявленному решению уплотнения является сальниковое уплотнение, выполненное в виде тела вращения и состоящего из двух элементов, выполненных металлическими и между которыми размещен элемент уплотнения (см. RU 1720503, МПК⁷ F 16 J 15/18, публ. 15.03.1992).

Недостатком известных изобретений являются невысокая надежность и стабильность работы в связи с недостаточной плотностью прилегания элементов уплотнения сальникового уплотнения к соединяемым поверхностям в большом диапазоне варьирования температуры, особенно это проявляется при эксплуатации при высоких температурах.

Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение технических возможностей за счет увеличения эксплуатационных режимов при одновременном повышении надежности работы сальникового уплотнения за счет обеспечения стабильного прижатия при высоких температурах эластичного наполнителя к поверхности подвижной детали. Технический результат достигается за счет создания замкнутого пространства для размещения элемента уплотнения, постоянно находящегося под действием охватывающих его элементов и тем самым герметизирующих соединение, прилегая боковыми поверхностями к стенкам деталей соединения, использования при этом пластических свойств материала элемента уплотнения, исключения вытекания его и равномерного распределения давления к поверхности контакта.

Для достижения поставленного технического результата в известном узле уплотнения неподвижных соединений, содержащем первую и вторую детали соединения, связанные между собой разъемным соединением с возможностью сжатия сальникового уплотнения, установленного между ними, первая и вторая детали соединения выполнены двухступенчатой формы с образованием ступенчатой кольцевой полости для размещения сальникового уплотнения, которое выполнено в виде тела вращения, представляющего собой усеченный конус, состоящего из двух конических элементов, выполненных металлическими, между которыми расположен элемент уплотнения, при этом верхний конический элемент смещен относительно нижнего конического элемента и оперт с одной стороны на первую ступень первой детали, а с другой стороны - на вторую ступень второй детали, а второй конический элемент - соответственно на вторую ступень первой детали и первую ступень второй детали с возможностью принятия в рабочем состоянии сальникового уплотнения волнообразной формы и контактирования, по меньшей мере, одной волной с торцевой поверхностью первой детали и, по меньшей мере, одной волной с торцевой поверхностью второй детали.

Возможны и другие примеры выполнения узла уплотнения неподвижного соединения, согласно которым необходимо, чтобы:
- ширина элемента уплотнения была бы меньше длины конического элемента в поперечном сечении сальникового уплотнения на величину его смещения;
- ширина ступенчатой кольцевой полости для размещения сальникового уплотнения была бы меньше ширины последнего;
- расстояние между торцевыми поверхностями ступеней первой и второй деталей было бы равно толщине сальниковой прокладки в рабочем состоянии;
- конический элемент имел бы толщину, выбираемую из соотношения t= (0,005-0,1) Т, где Т - толщина элемента уплотнения.

Для достижения поставленного технического результата при решении поставленной задачи в известном сальниковом уплотнении, выполненном в виде тела вращения, состоящего из двух элементов, выполненных металлическими и между которыми размещен элемент уплотнения, тело вращения имеет форму усеченного конуса, а упомянутые два элемента выполнены коническими, при этом верхний конический элемент смещен относительно нижнего конического элемента, а ширина элемента уплотнения меньше ширины конического элемента в поперечном сечении сальникового уплотнения.

Возможны и другие примеры выполнения сальникового уплотнения, согласно которым необходимо, чтобы:
- ширина элемента уплотнения была бы меньше ширины конического элемента на величину смещения;
- элемент уплотнения и конические элементы были бы выполнены в поперечном сечении в виде параллелограмма и установлены в ступенчатой кольцевой полости с возможностью контактирования своими боковыми сторонами с боковыми сторонами полости;
- уплотнительные кольца были бы выполнены из графитового материала или фторопласта или комбинированными из этих материалов, или в виде набивки из углеродных материалов, или в виде прессованного графита;
- материалом для металлических дисков служила бы нержавеющая жаростойкая сталь.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для повышения надежности работы и стабильности уплотнения соединения во времени как самого сальникового уплотнения, так и узла уплотнения в целом.

Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан продольный разрез узла уплотнения до сжатия сальникового уплотнения, на фиг.2 - продольный разрез узла уплотнения в рабочем состоянии.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

Согласно изобретению узел уплотнения (фиг.1, 2) неподвижных соединений содержит первую 1 и вторую 2 детали соединения, связанные между собой разъемным соединением (на чертежах не показано) с возможностью сжатия сальникового уплотнения 3, установленного между ними.

Деталь 1 соединения выполнена двухступенчатой формы, имеющей первую ступень 4 и вторую ступень 5, деталь 2 соединения также выполнена двухступенчатой формы, имеющей первую ступень 6 и вторую ступень 7, при этом детали установлены с возможностью образования ступенчатой кольцевой полости 8 для размещения сальникового уплотнения.

Сальниковое уплотнение 3 выполнено в виде тела вращения, представляющего собой усеченный конус и состоящего из двух конических элементов 9 и 10, выполненных металлическими, между которыми расположен элемент уплотнения 11 (фиг.1).

Верхний конический элемент 9 смещен на величину Δ относительно нижнего конического элемента 10, в частности от оси 12, и оперт с одной стороны на первую ступень 4 первой детали 1, а с другой стороны - на вторую ступень 7 второй детали 2, а второй конический элемент 10 - соответственно на вторую ступень 5 первой детали 1 и первую ступень 6 второй детали с возможностью принятия в рабочем состоянии сальникового уплотнения волнообразной формы (фиг. 2) и контактирования, по меньшей мере, одной волной 13 с торцевой поверхностью 14 первой детали 1 и, по меньшей мере, одной волной 15 с торцевой поверхностью 16 второй детали 2.

Ширина A элемента уплотнения 11 в не рабочем состоянии меньше ширины L конического элемента 9 и 10 в поперечном сечении сальникового уплотнения 3 на величину Δ его смещения. Ширина В ступенчатой кольцевой полости 8 для размещения сальникового уплотнения 3 меньше ширины A последнего.

При этом расстояние S между торцевыми поверхностями ступеней первой 1 и второй 2 деталей не превышает толщину Т элемента уплотнения 11 в не рабочем его состоянии, а конический элемент 9, 10 имеет толщину t, выбираемую из соотношения t=(0,005-0,1) Т, где Т - толщина элемента уплотнения 11.

Данное соотношение определено экспериментальным путем.

Элемент уплотнения 11 и конические элементы 9 и 10 выполнены в поперечном сечении в виде параллелограмма и установлены в ступенчатой кольцевой полости 8 с возможностью контактирования своими боковыми сторонами с боковыми сторонами ступеней деталей 1 и 2.

В качестве материала для изготовления конических элементов 9 и 10 используют нержавеющую жаростойкую сталь, наиболее полно отвечающую условиям эксплуатации сальникового уплотнения, а элемента уплотнения 11 - графитовый материал или фторопласт или комбинированный из этих материалов, или набивку из углеродных материалов, или прессованный графит. Указанные материалы обладают различными параметрами таких свойств, как плотность, термостойкость, теплопроводность (см. БЭС, раздел "Химия", "Физика", 1989). В частности в качестве фторопластов, т.е. фторсодержащих полимеров, могут быть использованы политетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, поливинилфторид, поливинилиденфторид, а также сополимеры фторпроизводных этилена с фторолефинами, олефинами и др., а к группе графитовых материалов могут быть, в частности, отнесены графита слоистые соединения, графита фториды, графитопласты.

Устройство работает следующим образом.

Сальниковое уплотнение 3, представляющее собой тело вращения в виде усеченного конуса, состоящего из двух конических элементов 9 и 10, выполненных металлическими, между которыми расположен элемент уплотнения 11, размещают в ступенчатой кольцевой полости 8. Особенностью выполнения сальникового уплотнения является то, что верхний конический элемент 9 и нижний конический элемент 10, выполненные одинаковыми, смещены на величину Δ относительно элемента уплотнения 11, при этом один в сторону оси 12 уплотнения, а другой - от оси 12.

Учитывая эту конструктивную особенность сальникового уплотнения 3 и полости 8 для его установки, в начальный момент установки верхний конический элемент 9 оперт с одной стороны на первую ступень 4 первой детали 1, а с другой стороны - на вторую ступень 7 второй детали 2, а второй конический элемент 10 - соответственно на вторую ступень 5 первой детали 1 и первую ступень 6 второй детали, таким образом сальниковое уплотнение 3 в поперечном сечении как бы размещается по диагонали (фиг.1). В процессе стягивания первой детали 1 со второй деталью 2 происходит сжатие сальникового уплотнения 3, учитывая, что оно ограничено в перемещении с боковых сторон, а элемент уплотнения 11 - со всех сторон, происходит искривление его в направлении свободного пространства - вдоль оси 12. После завершения сжатия сальникового уплотнения 3 последнее принимает в рабочем состоянии волнообразную форму (фиг. 2), при которой, по меньшей мере, одна волна 13 контактирует с торцевой поверхностью 14 первой детали 1 и, по меньшей мере, одна волна 15 контактирует с торцевой поверхностью 16 второй детали 2. При этом элемент уплотнения 11, размещенный между коническими элементами 9 и 10, в силу различия в геометрических размерах (до и после сжатия) сжимается до максимальной величины, осуществляя тем самым герметичное уплотнение неподвижного соединения, на степень которого не влияет изменение внешних и внутренних условий эксплуатации соединения, в частности изменение температуры.

Промышленная применимость
Применение изобретения позволяет повысить надежность работы сальникового уплотнения за счет обеспечения стабильного прижатия, особенно при высоких температурах, эластичного наполнителя к поверхности.

Изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку ее реализация возможна при использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано для арматуры, работающей в условиях высоких давлений и температур теплоносителя тепловых и атомных электростанций, а также для арматуры и других устройств, работающих при высоких параметрах рабочей среды. Узел уплотнения неподвижных соединений содержит первую и вторую детали соединения, связанные между собой разъемным соединением с возможностью сжатия сальникового уплотнения, установленного между ними. Первая и вторая детали соединения выполнены двухступенчатой формы с образованием ступенчатой кольцевой полости для размещения сальникового уплотнения, которое выполнено в виде тела вращения в форме усеченного конуса, состоящего из двух конических элементов, выполненных металлическими. Между коническими элементами расположен элемент уплотнения. Верхний конический элемент смещен относительно нижнего конического элемента и оперт с одной стороны на первую ступень первой детали, а с другой стороны - на вторую ступень второй детали. Второй конический элемент оперт соответственно на вторую ступень первой детали и первую ступень второй детали с возможностью принятия в рабочем состоянии сальникового уплотнения волнообразной формы и контактирования, по меньшей мере, одной волной с торцевой поверхностью первой детали и, по меньшей мере, одной волной с торцевой поверхностью второй детали. Изобретение повышает надежность работы сальникового уплотнения. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Узел уплотнения неподвижных соединений, содержащий первую и вторую детали соединения, связанные между собой разъемным соединением с возможностью сжатия сальникового уплотнения, установленного между ними, отличающийся тем, что первая и вторая детали соединения выполнены двухступенчатой формы с образованием ступенчатой кольцевой полости для размещения сальникового уплотнения, которое выполнено в виде тела вращения, представляющего собой усеченный конус и состоящего из двух конических элементов, выполненных металлическими, между которыми расположен элемент уплотнения, при этом верхний конический элемент смещен относительно нижнего конического элемента и оперт с одной стороны на первую ступень первой детали, а с другой стороны - на вторую ступень второй детали, а второй конический элемент - соответственно на вторую ступень первой детали и первую ступень второй детали с возможностью принятия в рабочем состоянии сальникового уплотнения волнообразной формы и контактирования, по меньшей мере, одной волной с торцевой поверхностью первой детали и, по меньшей мере, одной волной с торцевой поверхностью второй детали. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что ширина элемента уплотнения меньше длины конического элемента в поперечном сечении сальникового уплотнения на величину его смещения. 3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что ширина ступенчатой кольцевой полости для размещения сальникового уплотнения меньше ширины последнего. 4. Узел по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между торцевыми поверхностями ступеней первой и второй деталей равно толщине сальниковой прокладки в рабочем состоянии. 5. Узел по п. 1, отличающийся тем, что конический элемент имеет толщину, выбираемую из соотношения t= (0,005-0,1) Т, где Т - толщина элемента уплотнения. 6. Сальниковое уплотнение, выполненное в виде тела вращения, состоящего из двух элементов, выполненных металлическими и между которыми размещен элемент уплотнения, отличающееся тем, что тело вращения имеет форму усеченного конуса, а упомянутые два элемента выполнены коническими, при этом верхний конический элемент смещен в сторону оси уплотнения, а ширина элемента уплотнения меньше ширины конического элемента в поперечном сечении сальникового уплотнения. 7. Сальниковое уплотнение по п. 6, отличающееся тем, что ширина элемента уплотнения меньше ширины конического элемента на величину смещения. 8. Сальниковое уплотнение по пп. 1 и 6, отличающееся тем, что элемент уплотнения выполнен из графитового материала или фторопласта, или комбинированными из этих материалов, или в виде набивки из углеродных материалов, или в виде прессованного графита. 9. Сальниковое уплотнение по пп. 1 и 6, отличающееся тем, что элемент уплотнения и конические элементы выполнены в поперечном сечении в виде параллелограмма и установлены в ступенчатой кольцевой полости с возможностью контактирования своими боковыми сторонами с боковыми сторонами полости, в которой размещено уплотнение. 10. Сальниковое уплотнение по пп. 1 и 6, отличающееся тем, что материалом для конических элементов служит нержавеющая жаростойкая сталь.