СОЕДИНЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ И НЕПОДВИЖНОЙ ЧАСТЕЙ ТРУБОПРОВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ТОРЦОВЫМ УПЛОТНЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК F16J15/34 F16L27/00 

Изобретение относится к соединениям вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления с торцовым уплотнением соединения частей трубопровода, применяемым в оборудовании с вращающимся потребителем потока, прежде всего при больших расходах жидкости, например при проведении дноуглубительных работ с использованием гидромеханического способа разрушения с помощью вращающейся коронки, оснащенной резцами и гидравлическими насадками для создания высокоскоростных струй воды.

Торцовые уплотнения широко распространены в различных устройствах и механизмах. Однако большинство из них рассчитаны для работы при высоких скоростях и относительно низких (до 20 МПа) давлениях, (см. "Уплотнения и уплотнительная техника". Справочник, Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др. Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994, - 448 с.: ил.).

Известные торцовые уплотнения соединения вращающейся и неподвижной частей трубопровода, применяемые в оборудовании, работающем при высоком и сверхвысоком давлениях (свыше 50 МПа), предназначенном, например, для многочисленных применений водоструйных технологий в различных процессах - очистки поверхностей различной формы, резки различных материалов от картона до металла, сверления отверстий, прорезки щелей с целью извлечения блоков мрамора, гранита и других материалов из массива и в других процессах работают при пониженных скоростях, как правило, применяются для достаточно низких расходов воды и уплотняют трубопроводы относительно малого сечения (до 10 мм).

Вместе с тем в последние годы стали предприниматься попытки применения высокоскоростных струй воды, получаемых при давлениях свыше 70 МПа на земснарядах, применяемых при проведении дноуглубительных работ (например, крупной бельгийской фирмой, специализирующейся в этой области, "DREDGING INTERNATIONAL"), см. патент BE № 1011744, заявка № 09800111, от 07.12.1999, МПК Е 02 F.

В этой области применение водоструйной технологии требует одновременно с высоким давлением воды (свыше 70 МПа) значительных расходов (свыше 800 л/мин) и соответствующих мощностей источников давления воды (свыше 1000 кВт мощности привода насосов высокого давления, подаваемой по трубопроводу к вращающейся коронке воды). При таких параметрах и относительно больших проходных сечениях уплотняемого соединения трубопровода известные конструкции торцовых уплотнений неработоспособны, прежде всего в связи с тем, что применяемые при высоких контактных напряжениях кольца пары трения, изготавливаемые, например, из металлокерамических материалов при традиционной конструкции уплотнения (см., например, Справочник, Л.А. Кондаков и др. - 2-е изд., рис.9.27, с.313, - торцовое уплотнение 3 группы для давлений свыше 1,6 МПа), выпрессовываются при высоким рабочем давлении жидкости из корпуса и не выдерживают высокого уровня растягивающих напряжений, возникающих при внешнем (относительно уплотняемой среды) расположении уплотнения, которое обязательно при соединении трубопроводов.

Таким образом целью изобретения является обеспечение надежности и ресурса торцового уплотнения соединения вращающейся и неподвижной частей трубопровода при высоких давлениях и расходах жидкости, подаваемой по нему.

Поставленная задача достигается тем, что между уплотнительными кольцами расположено промежуточное уплотнительное кольцо из материала пары трения с высокой твердостью и высоким пределом прочности на сжатие (при относительно низком - на растяжение), установленное, в свою очередь, с натягом в сквозном отверстии толстостенного прочного и жесткого (при растяжении) корпуса, выполненного в виде кольца.

На фиг.1 представлена конструкция устройства (продольное сечение) с торцовым уплотнением соединения вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления)

На фиг.2 представлен вариант конструкции торцового уплотнения.

На фиг.3 и 4 показаны вид на уплотняющий торец кольца 3 и поперечное сечение этого кольца (укрупненно).

Торцовое уплотнение (на фиг.1 и 2) расположено между вращающейся 1 и неподвижной 2 частями трубопровода и состоит из двух уплотнительных колец 3 и 4 (выполненных, например, из нержавеющей стали с закалкой), установленных с внешней стороны относительно области высокого давления (Г). Кольца зафиксированы в окружном направлении относительно вращающейся и неподвижной частей трубопровода штифтами 5 и 6 и установлены с возможностью углового поворота (в продольной диаметральной плоскости) и осевого перемещения относительно, по крайней мере, одной из частей трубопровода (на фиг.1 и 2 - относительно части 2). Кольца 3 и 4 в обоих частях трубопровода уплотняются элементами 7, а одно из них снабжено упругим элементом, выполненным, например, в виде пружин 8 и штифтов 6. Для обеспечения надежности и ресурса уплотнения при высоких давлениях между уплотнительными кольцами 3 и 4 расположено промежуточное уплотнительное кольцо 9 из материала пары трения с высоким пределом прочности на сжатие (при относительно низком - на растяжение) и максимально возможной твердостью (например, из твердосплавной металлокерамики), которое установлено, в свою очередь, с натягом в сквозном отверстии толстостенного корпуса 10, выполненного в виде кольца. На внешнем диаметре корпуса 10 установлено кольцо 11, предотвращающее радиальное смещение промежуточного кольца 9 при сохранении его окружной свободы относительно колец 3 и 4.

Одна из частей трубопровода (например, вращающаяся 1) установлена посредством радиального 12 и радиально-упорного 13 подшипников в корпусе 14 всего устройства.

Подшипники изолированы в корпусе 14 фланцем 15, а также кольцами 16 и 17. Часть трубопровода 2 выполнена с фланцем, в котором выполнен осевой или радиальный (на фиг.1 не показан) канал для подвода воды высокого давления, а также размещены пружины 8 и штифты 6 упругого элемента торцового уплотнения, между которыми при необходимости может быть размещен радиальный канал. В корпусе 14 выполнен дренажный канал Д.

В варианте конструкции уплотнения, приведенном на фиг.2, на рабочем торце (пары трения) одного из уплотнительных колец, например 3, выполнены кольцевые 18 и радиальные 19 канавки (фиг.3 и фиг.4), соединенные с внешней средой (В), а корпус 10 промежуточного кольца 9 зафиксирован в окружном и радиальном направлении относительно этого уплотнительного кольца, например, штифтами 5 (или иным способом).

Соединение вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления с описанным выше торцовым уплотнением работает следующим образом.

При вращении части 1 трубопровода в подшипниках, установленных в корпусе устройства 14 (объединенного с неподвижной частью 2 трубопровода), уплотнительное кольцо 3 (в приведенной на фиг.1 конструкции) опирается на торец вращающейся части трубопровода 1, герметично (уплотнение 7) соединено и вращается вместе с ней. Уплотнительное кольцо 4 пружинами 8 и штифтами 6 прижато к торцу промежуточного кольца 9, которое, в свою очередь, контактирует с уплотнительным кольцом 3. Уплотнительное кольцо 4 опирается на подпружиненные штифты 6, в связи с этим является плавающим, компенсирует кинематическое биение, а также динамические колебания при работе устройства. В связи с высоким уровнем (70 МПа и более) давления в протекающем по каналу трубопровода потоке воды (или другой жидкости) в твердосплавном кольце 9, образующем совместно с кольцами 3 и 4 пары трения, возникают напряжения растяжения, превышающие предельно допустимый уровень, который для подобных материалов в 3-5 раз меньше предела прочности при сжатии. В связи с этим кольцо 9 установлено в отверстии толстостенного корпуса 10 с натягом, величина которого обеспечивает значительное снижение уровня растягивающих напряжений в твердосплавном кольце 9, а выполнение корпуса 10 в виде плоского кольца со сквозным отверстием обеспечивает отсутствие осевых усилий, выпрессовывающих кольцо 9 из корпуса 10, симметричность нагружения кольца 9 и минимизацию искажений геометрии контактных поверхностей.

При работе устройства, показанного на фиг.1, величины контактного давления и эпюры распределения давления на обеих торцовых поверхностях промежуточного кольца 9 примерно одинаковы и определяются соотношением диаметров D₁, D₂ и d (для разгруженного или неразгруженного исполнений), а также микро- и макрогеометрией контактирующих поверхностей. В связи с этим промежуточное кольцо либо вращается, либо неподвижно, в зависимости от соотношения сил трения на поверхностях контакта справа и слева, что в конечном счете увеличивает ресурс торцового уплотнения.

При работе устройства, показанного на фиг.2, за счет уменьшения площади контакта среднее контактное давление на торце кольца 3 и промежуточного кольца 9 значительно выше, чем на торце кольца 4 и промежуточного, которое в приведенной на фиг.2 конструкции неподвижно. Это повышает герметичность торцового уплотнения в целом.

Таким образом рассматриваемая конструкция торцового уплотнения соединения вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления (при высоких давлениях и расходах жидкости, подаваемой по нему) обеспечивает надежность и достаточный ресурс, что является непосредственным результатом конструкции, а именно следствием того, что между уплотнительными кольцами торцового уплотнения расположено промежуточное уплотнительное кольцо из материала пары трения с высоким пределом прочности на сжатие и высокой твердостью, установленное, в свою очередь, с натягом в сквозном отверстии толстостенного корпуса, выполненного в виде кольца.

Изобретение относится к соединению вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления с торцовым уплотнением соединения частей трубопровода с большим расходом жидкости, применяемым в оборудовании с вращающимся потребителем потока. Торцовое уплотнение соединения вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления состоит из двух уплотнительных колец с внешним по отношению к области высокого давления расположением торцов пар трения, зафиксированных в окружном направлении относительно вращающейся и неподвижной частей трубопровода. Части установлены с возможностью углового поворота и осевого перемещения и снабжены упругим и уплотнительным элементами. Между уплотнительными кольцами расположено промежуточное уплотнительное кольцо из материала пары трения с высоким пределом прочности на сжатие и высокой твердостью, например металлокерамическое, установленное с натягом в сквозном отверстии жесткого в радиальном направлении толстостенного корпуса, выполненного в виде кольца. Такая конструкция обеспечивает надежность и достаточный ресурс уплотнения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Торцовое уплотнение вращающейся и неподвижной частей трубопровода высокого давления, состоящее из двух уплотнительных колец с внешним, по отношению к области высокого давления, расположением торцов пары трения, зафиксированных в окружном направлении относительно вращающейся и неподвижной частей трубопровода, установленных с возможностью углового поворота и осевого перемещения, и снабженное упругим и уплотнительным элементами, отличающееся тем, что между уплотнительными кольцами расположено промежуточное уплотнительное кольцо из материала пары трения с высоким пределом прочности на сжатие и высокой твердостью, установленное, в свою очередь, с натягом в сквозном отверстии толстостенного корпуса, выполненного в виде кольца.2. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что торец пары трения одного из уплотнительных колец снабжен кольцевыми и радиальными канавками, соединенными с внешней средой, а корпус промежуточного кольца зафиксирован в окружном направлении относительно этого уплотнительного кольца.