УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ КОЛЬЦО И РАЗЪЕМНОЕ ФЛАНЦЕВОЕ УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК F16J15/08 F16L23/02 

Предлагаемое изобретение относится к уплотнительным устройствам для неподвижных фланцевых торцевых соединений и может быть использовано в пневмосистемах для стыковки воздуховодов в различных областях техники, в том числе авиационной, работающих как в нормальных условиях, так и в условиях высоких температур.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является торцевое уплотнение неподвижных соединений для передачи газовых сред с внутренним избыточным давлением с помощью металлического кольца («Уплотнительные устройства», Г.В.Макаров, Л.: Машиностроение, 1973, стр.206). Кольцо выполнено точеным и имеет в сечении U-образный профиль, в котором либо обе стенки параллельны, либо обе отклонены наружу. Разъемное фланцевое уплотнительное устройство при этом содержит два фланца, их взаимно поджимающие элементы и установленное между фланцами точеное уплотнительное металлическое кольцо, имеющее в поперечном сечении U-образный профиль. Уплотнение стыка происходит в результате прижатия кромок кольца уплотняемыми поверхностями за счет напряжений в кольце, возникающих при затяжке стыка и за счет воздействия внутреннего избыточного давления среды.

Общим существенным признаком прототипа - уплотнительного металлического кольца, совпадающим с существенным признаком предлагаемого устройства, является то, что уплотнительное металлическое кольцо имеет в поперечном сечении U-образный профиль.

Общими существенными признаками прототипа - разъемного фланцевого уплотнительного устройства, совпадающими с существенными признаками предлагаемого устройства по всем трем вариантам исполнения, являются следующие: разъемное фланцевое уплотнительное устройство содержит два фланца, их взаимно поджимающие элементы и установленное между фланцами уплотнительное металлическое кольцо, имеющее в поперечном сечении U-образный профиль.

Особенностью известного уплотнения-прототипа является то, что для его применения требуется обеспечение очень малых угловых отклонений стыкуемых поверхностей, обеспечение фиксированного осевого зазора между ними, невозможность компенсации температурных линейных расширений в соединении, сложность изготовления, особенно для соединений большого диаметра.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача обеспечения герметичности фланцевых торцевых соединений с компенсацией угловых, радиальных и осевых смещений стыкуемых поверхностей соединения, обеспечение компенсации температурных линейных расширений в соединении, упрощение технологии изготовления.

Для решения данной технической задачи уплотнительное металлическое пружинящее кольцо выполнено из пружинистого листового металла и имеет в поперечном сечении U-образный профиль с одной наклоненной наружу стенкой, при этом ненаклоненная стенка профиля по всему кольцу выполнена сплошной, а остальная часть профиля (т.е. вторая стенка и радиальная часть) по всему кольцу имеет вырезы по поперечному сечению, образующие на кольце отогнутые лепестки.

Такое уплотнительное металлическое пружинящее кольцо может применяться в соединениях различной конфигурации, три основных вида которых описывают варианты предлагаемого разъемного фланцевого уплотнительного устройства.

Так, по первому варианту разъемное фланцевое уплотнительное устройство содержит первый фланец с внутренним уширением, второй фланец с заходной частью и буртиком, их взаимно поджимающие элементы и прокладку в виде вышеописанного уплотнительного металлического пружинящего кольца, при этом U-образный профиль обращен вершиной наружу, сплошной стенкой перекрывает зазор по стыку фланцев, упираясь внешней средней ее частью в торец первого фланца и опираясь кромкой стенки на заходную часть второго фланца, кромки отогнутых лепестков профиля при этом упираются в буртик второго фланца.

По второму варианту разъемное фланцевое уплотнительное устройство содержит первый фланец с внутренним уширением, второй фланец с заходной частью, их взаимно поджимающие элементы и прокладку в виде вышеописанного уплотнительного металлического пружинящего кольца, при этом U-образный профиль обращен вершиной внутрь, сплошной стенкой перекрывает зазор по стыку фланцев, упираясь внешней средней ее частью в торец второго фланца и опираясь кромкой стенки на заходную часть первого фланца, кромки отогнутых лепестков профиля при этом упираются в выступ первого фланца. Дополнительно при применении уплотнения в соединениях, работающих в условиях высоких температур, для повышения степени герметичности за счет исключения радиального зазора заходная часть второго фланца выполнена из металла с бóльшим температурным коэффициентом линейного расширения, чем у металла, из которого выполнено уплотнительное металлическое пружинящее кольцо.

По третьему варианту разъемное фланцевое уплотнительное устройство содержит два фланца, их взаимно поджимающие элементы и установленную между фланцами прокладку в виде двух вышеописанных расположенных одно в другом с перекрытием вырезов между отогнутыми лепестками уплотнительных металлических пружинящих колец (их вершины могут быть направлены или внутрь, или наружу), при этом наружное кольцо упирается внешней стороной сплошной стенки в торец одного фланца, а оба кольца кромками лепестков упираются в торец другого фланца; в пространстве между кромками лепестков внутреннего и наружного колец и торцом фланца установлено уплотнение. При этом для создания большей степени герметичности уплотнительные металлические пружинящие кольца могут быть выполнены из листового металла различной толщины.

Отличительными признаками предлагаемого уплотнительного металлического пружинящего кольца являются следующие:

- металлическое пружинящее кольцо выполнено из пружинистого листового металла, одна из стенок U-образного профиля наклонена наружу, при этом ненаклоненная стенка профиля по всему кольцу выполнена сплошной, а остальная часть профиля (т.е. вторая стенка и вершина) по всему кольцу имеет вырезы по поперечному сечению, образующие на кольце отогнутые лепестки.

Отличительными признаками предлагаемого разъемного фланцевого уплотнительного устройства являются следующие:

- по первому варианту - первый фланец выполнен с внутренним уширением, второй фланец выполнен с заходной частью и буртиком, прокладка выполнена в виде вышеописанного уплотнительного металлического пружинящего кольца, при этом U-образный профиль обращен вершиной наружу, сплошной стенкой перекрывает зазор по стыку фланцев, упираясь внешней средней ее частью в торец первого фланца и опираясь кромкой стенки на заходную часть второго фланца, кромки отогнутых лепестков профиля при этом упираются в буртик второго фланца;

- по второму варианту - первый фланец выполнен с внутренним уширением, второй фланец с заходной частью, прокладка выполнена в виде вышеописанного уплотнительного металлического пружинящего кольца, при этом U-образный профиль обращен вершиной внутрь, сплошной стенкой перекрывает зазор по стыку фланцев, упираясь внешней средней ее частью в торец второго фланца и опираясь кромкой стенки на заходную часть первого фланца, кромки отогнутых лепестков профиля при этом упираются в выступ первого фланца. Дополнительно заходная часть второго фланца выполнена из металла с бóльшим температурным коэффициентом линейного расширения, чем у металла, из которого выполнено уплотнительное металлическое пружинящее кольцо;

- по третьему варианту - прокладка выполнена в виде двух вышеописанных расположенных одно в другом с перекрытием вырезов между отогнутыми лепестками уплотнительных металлических пружинящих колец, при этом наружное кольцо упирается внешней стороной сплошной стенки в торец одного фланца, а оба кольца кромками лепестков упираются в торец другого фланца; в пространстве между кромками лепестков внутреннего и наружного колец и торцом фланца установлено уплотнение. Дополнительно уплотнительные металлические пружинящие кольца могут быть выполнены из листового металла различной толщины.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий результат - обеспечивается заданная степень герметичности фланцевых торцевых соединений с компенсацией угловых, радиальных и осевых смещений стыкуемых поверхностей соединения, обеспечивается также компенсация температурных линейных расширений в соединении, упрощение технологии изготовления.

Данное техническое решение может найти применение в качестве уплотнительного устройства при стыковке воздуховодов с различными агрегатами или между собой, например в пневмозернопогрузчиках при стыковке газотурбинных двигателей с воздухозаборными устройствами.

Изобретение поясняется фиг.1-8.

На фиг.1 представлено уплотнительное металлическое пружинящее кольцо по п.1 формулы в изометрии.

На фиг.2 представлено уплотнительное устройство по п.2 формулы, когда первый фланец выполнен с внутренним уширением, второй фланец выполнен с заходной частью и буртиком.

На фиг.3 представлено уплотнительное устройство по п.3 формулы, когда первый фланец выполнен с внутренним уширением, второй фланец выполнен с заходной частью.

На фиг.4 представлено уплотнительное устройство по п.2 формулы в рабочем состоянии, когда второй фланец имеет угловое и осевое смещение относительно первого фланца.

На фиг.5 представлено уплотнительное устройство по п.5 и п.6 формулы, когда уплотнение выполнено в виде двойного уплотнительного металлического пружинящего кольца и расположено между торцами фланцев. На фиг.7 и 8 выноска I и II на фиг.5.

На фиг.6 представлено уплотнительное устройство по п.5 и п.6 формулы в рабочем состоянии, когда второй фланец имеет угловое и осевое смещение относительно первого фланца.

Изображенное на фиг.1 уплотнительное металлическое пружинящее кольцо 1 состоит из сплошной стенки 2, вырезов 3 и отогнутых лепестков 4.

Изображенное на фиг.2 уплотнительное устройство состоит из первого фланца 5 с внутренним уширением 11, второго фланца 6 с заходной частью 12 и буртиком 13 и уплотнительного металлического пружинящего кольца 1.

Изображенное на фиг.3 уплотнительное устройство состоит из первого фланца 5 с внутренним уширением 11, второго фланца 6 с заходной частью 12 и уплотнительного металлического пружинящего кольца 1 с U-образным профилем, обращенным вершиной внутрь.

Изображенное на фиг.4 уплотнительное устройство показано в рабочем состоянии, когда второй фланец 6 имеет угловое и осевое смещение относительно первого фланца 5, отогнутые лепестки 4 уплотнительного металлического пружинящего кольца 1 имеют разную степень поджатия по его периметру.

Изображенное на фиг.5 уплотнительное устройство состоит из двух торцевых фланцев 8 и 9 и установленной между ними прокладки в виде двух расположенных одно в другом с перекрытием вырезов 3 между отогнутыми лепестками 4 уплотнительных металлических пружинящих колец 1 и 7, при этом наружное кольцо 1 упирается внешней стороной сплошной стенки 2 в торец одного фланца 8, а оба кольца 1 и 7 кромками лепестков 4 упираются в торец другого фланца 9. В пространстве между кромками лепестков 4 внутреннего и наружного колец 1 и 7 и торцом фланца 9 установлено уплотнение 10.

Изображенное на фиг.8 уплотнительное устройство показано в рабочем состоянии, когда второй фланец 9 имеет угловое и осевое смещение относительно первого фланца 8, отогнутые лепестки 4 уплотнительных металлических пружинящих колец 1 и 7 имеют разную степень поджатия по их периметру.

Уплотнительное металлическое пружинящее кольцо, изображенное на фиг.1…4, работает следующим образом.

Усилие прижатия сплошной части стенки 2 кольца 1 к первому фланцу 5 достигается за счет поджатия лепестков 4 буртиком 13 второго фланца 6, угловое смещение стыкуемых фланцев 5 и 6 компенсируется за счет наличия радиального минимально необходимого зазора между кромкой сплошной стенки 2 кольца 1 и заходной части 11 второго фланца 6 (от величины зазора также зависит величина углового смещения стыкуемых фланцев 5 и 6) и неравномерного поджатия лепестков 4 по периметру стыка, поджатием лепестков 4 также компенсируется осевое смещение стыкуемых фланцев 5 и 6. При необходимости при стыковке фланцев 5 и 6 предварительное прижатие сплошной стенки 2 кольца 1 к торцу первого фланца 5 обеспечивается специальным приспособлением, например разъемным кольцом, притягиваемым к первому фланцу 5.

В соединениях, работающих в условиях высоких температур, заходная часть 12 второго фланца 6, выполненная из металла с бóльшим температурным коэффициентом линейного расширения, чем у металла, из которого выполнено уплотнительное металлическое пружинящее кольцо 1, расширяясь, выбирает радиальный зазор между кромкой сплошной стенки 2 кольца 1 и заходной частью 12 второго фланца 6, чем обеспечивается высокая степень герметичности соединения.

Известны стали, например сталь марки 12X18Н9Т и СН-2 или ЭИ904, имеющие существенно различные коэффициент термического линейного расширения (α=18,5·10^-6 и α=12,7·10^-6 соответственно). В зависимости от условий применения уплотнения, размеров уплотняемого соединения подбором материала кольца 1 и заходной части второго фланца 6 определяется необходимый радиальный зазор между кромкой сплошной стенки 2 кольца 1 и заходной частью 12 второго фланца 6.

В разъемном фланцевом уплотнительном устройстве, представленном на фиг.5, 6, герметичность соединения обеспечивается за счет перекрытия вырезов 3 между лепестками наружного кольца 1 лепестками внутреннего кольца 7 и наличием уплотнения 10 между кромками внутреннего 7 и наружного 1 профилей и торцом фланца 9. Усилие прижима колец 1 и 7 и уплотнения 10 к торцам фланцев 8 и 9 складывается из усилия от поджатия лепестков 4 колец 1 и 7 и сил от внутреннего давления передаваемой среды. Для обеспечения плотного прилегания внутреннего кольца 7 к наружному кольцу 1 внутреннее кольцо 7 имеет толщину, меньшую, чем толщина наружного кольца 1. Угловое смещение стыкуемых фланцев 8 и 9 компенсируется за счет неравномерного поджатия лепестков 4 по периметру стыка, поджатием лепестков 4 также компенсируется осевое смещение стыкуемых фланцев 8 и 9.

Изобретение относится к уплотнительным устройствам для неподвижных фланцевых торцевых соединений и может быть использовано в пневмосистемах для стыковки воздуховодов в различных областях техники, в том числе авиационной, работающих как в нормальных условиях, так и в условиях высоких температур. Уплотнительное металлическое пружинящее кольцо выполнено из пружинистого листового металла и имеет в поперечном сечении U-образный профиль с одной наклоненной наружу стенкой. Ненаклоненная стенка профиля по всему кольцу выполнена сплошной, а вторая стенка и радиальная часть по всему кольцу имеет вырезы по поперечному сечению, образующие на кольце отогнутые лепестки. Описаны три варианта реализации разъемного фланцевого уплотнительного устройства на базе данного уплотнительного металлического пружинящего кольца. Изобретение повышает герметичность фланцевых торцевых соединений с компенсацией угловых, радиальных и осевых смещений стыкуемых поверхностей соединения и упрощает технологию изготовления. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Уплотнительное металлическое кольцо, характеризующееся тем, что оно выполнено из пружинистого листового металла и имеет в поперечном сечении U-образный профиль с одной наклоненной наружу стенкой, при этом ненаклоненная стенка профиля по всему кольцу выполнена сплошной, а остальная часть профиля по всему кольцу имеет вырезы по поперечному сечению, образующие на кольце отогнутые лепестки.

2. Разъемное фланцевое уплотнительное устройство, характеризующееся тем, что содержит первый фланец с внутренним уширением, второй фланец с заходной частью и буртиком, их взаимно поджимающие элементы и прокладку в виде уплотнительного металлического пружинящего кольца по п.1, при этом U-образный профиль обращен вершиной наружу, сплошной стенкой перекрывает зазор по стыку фланцев, упираясь внешней средней ее частью в торец первого фланца и опираясь кромкой стенки на заходную часть второго фланца, кромки отогнутых лепестков профиля при этом упираются в буртик второго фланца.

3. Разъемное фланцевое уплотнительное устройство по п.2, отличающееся тем, что заходная часть второго фланца выполнена из металла с большим температурным коэффициентом линейного расширения, чем у металла, из которого выполнено уплотнительное металлическое пружинящее кольцо.

4. Разъемное фланцевое уплотнительное устройство, характеризующееся тем, что содержит первый фланец с внутренним уширением, второй фланец с заходной частью, их взаимно поджимающие элементы и прокладку в виде уплотнительного металлического пружинящего кольца по п.1, при этом U-образный профиль обращен вершиной внутрь, сплошной стенкой перекрывает зазор по стыку фланцев, упираясь внешней средней ее частью в торец второго фланца и опираясь кромкой стенки на заходную часть первого фланца, кромки отогнутых лепестков профиля при этом упираются в выступ первого фланца.

5. Разъемное фланцевое уплотнительное устройство, характеризующееся тем, что содержит два фланца, их взаимно поджимающие элементы и установленную между фланцами прокладку в виде двух расположенных одно в другом с перекрытием вырезов между отогнутыми лепестками уплотнительных металлических пружинящих колец по п.1, при этом наружное кольцо упирается внешней стороной сплошной стенки в торец одного фланца, а оба кольца кромками лепестков упираются в торец другого фланца; в пространстве между кромками лепестков внутреннего и наружного колец и торцом фланца установлено уплотнение.

6. Разъемное фланцевое уплотнительное устройство по п.5, отличающееся тем, что листовой металл внутреннего кольца имеет меньшую толщину, чем листовой металл наружного кольца.