ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2008 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для торцового уплотнения, имеющего фторопластовый сильфон и работающего при высоком давлении и температуре.

Известно торцовое уплотнение вала, уплотняющий подвижный контакт которого образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами невращающегося и вращающегося узлов, один из которых подвижен в осевом направлении и состоит из кольца трения, закрепленного на одном конце фторопластового сильфона, который имеет пазы между гофрами, второй конец сильфона закреплен в корпусе или на валу, над сильфоном расположена пружина и защитная металлическая гильза, воспринимающая действие избыточного давления в сильфоне (см. Каталог фирмы Crane Packing Ltd, В5. 800А/8/77, с.5).

Недостатком данного уплотнения является то, что металлическая гильза препятствует радиальному и угловому отклонению сильфона, тем самым, снижая надежность работы торцового уплотнения.

Наиболее близким техническим решением является торцовое уплотнение вала, уплотняющий подвижный контакт которого образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами невращающегося и вращающегося узлов, один из которых подвижен в осевом направлении и состоит из кольца трения, закрепленного на одном конце фторопластового сильфона, имеющего пазы между гофрами, выполненные прямоугольной формы с прямолинейными участками на вершине и впадине, второй конец сильфона закреплен в корпусе или на валу, над сильфоном расположены пружины и защитная металлическая гильза, воспринимающая действие избыточного давления в сильфоне (см. Каталог фирмы FLOWSERVE FSO 126 Rev 07/02 EUR).

Недостатком данного устройства является ненадежность конструкции уплотнения из-за большого шага гофра сильфона, одинаковой толщины вершины и впадины гофра сильфона, большой протяженности прямолинейных участков на вершине и впадине гофра, незначительного числа несущих стенок гофра сильфона, и, как следствие, необходимость введения металлической гильзы, которая в свою очередь препятствует радиальному перемещению и угловому изгибу сильфона.

Задачей изобретения является повышение надежности работы торцового уплотнения.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении технических характеристик, надежности работы торцового уплотнения и увеличения его срока службы.

Указанный технический результат достигается тем, что пружина выполнена прорезной, при этом ширина пазов В пружины меньше ширины прямолинейного участка Б на вершине гофра сильфона, а ширина ее полки С больше ширины прямолинейного участка Б на вершине гофра сильфона, причем соотношение высоты рабочей части стенки гофра Н к ширине паза М между гофрами составляет 3,5-5,5.

У торцового уплотнения вала ширина пазов В прорезной пружины составляет 0,3-0,8 ширины прямолинейного участка Б на вершине гофра сильфона. У сильфона толщина прямолинейного участка h при впадине гофра составляет не менее 1,3 толщины прямолинейного участка h₁ на вершине гофра. Ширина полки С прорезной пружины составляет 1,1-1,5 ширины прямолинейного участка Б сильфона на вершине гофра. У сильфона ширина паза между гофрами М составляет менее двух толщин S стенки гофра.

Пружина может быть помещена в защитный чехол из тонкостенного полимерного материала.

На фиг.1 представлено продольное сечение торцового уплотнения.

На фиг.2 представлен продольный разрез прорезной пружины.

На фиг.3 представлено продольное сечение сильфона.

На фиг.4 представлен узел I фиг.1.

В рассматриваемом примере подвижный в осевом направлении узел выполнен невращающимся. Однако очевидно, что данное техническое решение можно осуществить и в том случае, если сделать невращающийся узел вращающимся, а вращающийся - невращающимся. В рассматриваемом примере пружина расположена над сильфоном, а избыточное давление действует изнутри сильфона. В случае действия давления снаружи сильфона пружина располагается внутри сильфона.

Торцовое уплотнение состоит из корпуса 1, подвижный уплотняющий контакт которого образован по уплотнительному пояску 2 элементами вращающегося узла 3 и невращающегося узла 4, подвижного в осевом направлении. Невращающийся узел 4 состоит из кольца трения 5, закрепленного на одном конце фторопластового сильфона 6, который имеет пазы 7 (см. фиг.3) между стенками 8 гофр, которые имеют прямоугольную форму с прямолинейными участками 9 на вершине и прямолинейными участками 10 на впадине. Второй конец сильфона закреплен в корпусе 1. Над сильфоном расположена пружина 11. Пружина выполнена прорезной, при этом ширина пазов В пружины меньше ширины Б прямолинейного участка на вершине гофра сильфона (см. фиг.2). Ширина С полки 12 пружины больше ширины Б вершины гофра, причем соотношение высоты Н стенки 8 гофра к ширине М паза 7 между гофрами составляет 3,5-5,5 (см. таблицу). Сильфон имеет внутренний диаметр d и наружный диаметр D.

У торцового уплотнения вала ширина В пазов прорезной пружины предпочтительно должна составлять 0,3-0,8 ширины Б прямолинейного участка на вершине гофра сильфона. У сильфона толщина h прямолинейного участка при впадине гофра составляет не менее 1,3 толщины h₁ прямолинейного участка Б гофра на его вершине. Ширина полки f прорезной пружины выбирается исходя из заданной осевой жесткости. У сильфона ширина М паза между гофрами составляет менее двух толщин S стенки гофра.

Пружина помещена в защитную оболочку 14 из тонкостенного полимерного материала (см. фиг.4).

Ниже приведена таблица со сравнительными характеристиками торцовых уплотнений с сильфонами из фторопласта.

№ п/пСтрана, Фирма, годТип уплотненияРазмеры, ммРабоч. парам. Д_гофрd_гофрS, _гофрН_гофрN, шт _{количество гофр}Шаг t, _гофрХод сильфонаДлина сильф она. LДлина уплотнения. на ⊘50Давление МПаТемп. °СК=н/м1Польша «ANGA», 2002A13A75651,23,53,53,5441611,2+802-2,512            А10
A117552 7,52,53 4368,30,9+1207-102JAPAN Epil _{(Eagle poonawalla Indusry) Ltd}Y297552 6,535 34,93 0,5-75
+1002-33Англия «John Crane»10Т/10R72521,562,56243   2-395071511,5546353530,8+252-3          0,3+125 Tetraflex78501,510753980800,23
0,02+20
+2002,5-
3,24Германия «Merkel»№63380501,512n145,5*l₀ 1,5+202-3Д      n  0,5+200                           5Предлагаемое решение по изобретению50            УТД
С10077531,57476631551,8
1,0+25
+2003,5-
5,5

Анализ конструкций сильфонов торцовых уплотнений различных фирм, приведенных выше в таблице, показывает, что соотношение К используется в диапазонах 2-3,2 и 7,0-10,0. В предлагаемой конструкции сильфона используется соотношение 3,5-5,5. Это соотношение выбрано с учетом оптимального сочетания прочности и жесткости сильфона. Если использовать соотношение менее 3,5 сильфон будет очень жестким и прочным, что приводит к высоким нагрузкам на концах сильфона и повышенному износу уплотнения. Если использовать соотношение более 5,5 сильфом становится очень мягким и не выдерживает высокое давление. Предлагаемое соотношение позволяет использовать уплотнение на значительно более высокие давления и подбирать заданное значение осевой жесткости уплотнения, что повышает долговечность и надежность уплотнения.

Ширина пазов В прорезной пружины выбирается от 0,3 до 0,8 ширины прямого участка Б на вершине гофра сильфона. В случае, если ширина В менее ширины 0,3 Б, возможно ее врезание в материал вершины 9 гофра сильфона. Если ширина В больше ширины 0,8Б, то возможно, что поверхности 9 сильфона будут совпадать с пазами В прорезной пружины, что повлечет за собой возможность выдавливания поверхностей 9 в зазор В, тем самым прорезная пружина перестает выполнять защитную функцию.

Как показали исследования напряжений материала сильфона, их величина на внутренней поверхности 10 больше напряжений на наружной поверхности 9 в 1,3-2,0 раза. Поэтому для равномерного распределения напряжений в материале сильфона необходимо увеличить толщину стенки h в 1,3-2,0 раза. Выбор величины соотношения зависит от величины внутреннего диаметра d сильфона.

Ширина С полки прорезной пружины выбирается из соотношения 1,5-2,5 от ширины прямоугольного участка Б вершины гофра. Это вызвано необходимостью перекрытия ширины Б и зазора М. Это позволяет предотвратить выдавливание внутреннего диаметра 10 гофры к наружному диаметру 9. В приведенном диапазоне происходит перекрытие участков Б и М на всей длине гофрированной части сильфона.

Величина М зазора между гофрами в рассматриваемой конструкции должна быть всегда менее 2S толщин стенки гофра.

Торцовое уплотнение работает следующим образом.

При работе торцового уплотнения радиальные, осевые и угловые перемещения воспринимаются невращающимся узлом 4. Основными рабочими элементами невращающегося узла являются полимерный сильфон 6 и прорезная пружина 11, которые компенсируют указанные выше биения.

При действии рабочего давления внутри сильфона происходит равномерное распределение напряжений в материале гофре сильфона. Внутренняя часть гофра сильфона всегда нагружена больше его внешней части, в связи с этим увеличена толщина прямолинейного участка гофра у впадины и увеличено количество несущих стенок 8 гофра за счет уменьшения ширины М паза 7. Этим достигнут эффект самоармирования сильфона и увеличение выдерживаемого сильфоном давления. Введением прорезной пружины 11 достигнуто увеличение давления в несколько раз, что обусловлено отсутствием возможности вытеснения материала у впадины гофра в ширину М паза 7. Прорезная пружина в изобретении одновременно выполняет функцию защитной металлической гильзы у прототипа. Принципиальным отличием прототипа является возможность вытеснения материала у впадины гофра в зазор между металлической гильзой и корпусом, а на другом участке происходит необратимая деформация прямолинейных участков впадины гофра во внутреннюю поверхность защитной металлической гильзы, что в предлагаемом изобретении устранено.

Промышленная применимость очевидна. Торцовое уплотнение вала прошло опытную проверку в ООО НПЦ «Анод» и доказало свое преимущество по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для торцового уплотнения, имеющего фторопластовый сильфон и работающего при высоком давлении и температуре. В торцовом уплотнении уплотняющий подвижный контакт образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами невращающегося и вращающегося узлов, один из которых подвижен в осевом направлении и состоит из кольца трения, закрепленного на одном конце фторопластового сильфона, имеющего гофры, выполненные с прямолинейными участками на вершине и впадине, а между ними имеются пазы. Второй конец сильфона закреплен в корпусе или на валу, а над сильфоном или внутри него расположена пружина. Пружина выполнена прорезной, при этом ширина пазов пружины меньше ширины прямолинейного участка на вершине гофра сильфона, а ширина ее полки больше ширины прямолинейного участка на вершине гофра сильфона, причем соотношение высоты боковой стенки гофра к ширине паза между гофрами составляет 3,5-5,5. Изобретение повышает надежность уплотнения. 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Торцовое уплотнение, уплотняющий подвижный контакт которого образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами невращающегося и вращающегося узлов, один из которых подвижен в осевом направлении и состоит из кольца трения, закрепленного на одном конце фторопластового сильфона, имеющего гофры, выполненные с прямолинейными участками на вершине и впадине, а между ними имеются пазы, второй конец сильфона закреплен в корпусе или на валу, над сильфоном или внутри него расположена пружина, отличающееся тем, что пружина выполнена прорезной, при этом ширина пазов пружины меньше ширины прямолинейного участка на вершине гофра сильфона, а ширина ее полки больше ширины прямолинейного участка на вершине гофра сильфона, причем соотношение высоты боковой стенки гофра к ширине паза между гофрами составляет 3,5-5,5.2. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что ширина пазов прорезной пружины составляет 0,3-0,8 ширины прямолинейного участка на вершине гофра сильфона.3. Торцовое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что у сильфона толщина прямолинейного участка при впадине гофра составляет не менее 1,3 толщины прямолинейного участка гофра на вершине гофра.4. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что ширина полки прорезной пружины составляет 1,5-2,5 ширины прямолинейного участка сильфона на вершине гофра.5. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что у сильфона ширина паза между гофрами составляет менее двух толщин боковой стенки гофра.6. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что пружина герметично помещена в защитную оболочку из тонкостенного полимерного материала.