УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА СОПРЯЖЕНИЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2016 года по МПК F16J15/00 F16K1/44 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности, к уплотнительным прокладкам сопряжений нецилиндрических поверхностей трубопроводной арматуры, например плоских, конических, сферических и т.п.

Известны уплотнительные прокладки сопряжений затвора с применением неметаллических материалов (Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры, Ленинград, "Машиностроение", 1969, с. 353-354, 362). Однако, такие уплотнения, с течением времени, допускают утечки среды вследствие истирания и старения уплотнительных элементов, в т.ч. из-за недостаточного постоянства их свойств при изменении рабочей температуры.

Задачей изобретения является:

- обеспечение герметичности сопряжений поверхностей трубопроводной арматуры, например плоских, конических, сферических и т.п., как в предусмотренном направлении перепада давлений, так и при противоположном перепаде давлений рабочей среды,

- исключение утечки среды при различных рабочих температурах, вследствие температурной деформации деталей клапана, снижение влияния температуры на герметичность уплотнения сопряжения,

- повышение ресурса и срока эксплуатации уплотнения.

Поставленная задача решается тем, что уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей, расположенная в канавке, выполненной в одной из уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры, в соответствии с предлагаемым изобретением канавка имеет на обеих сторонах аксиально-выступающий выполненный по ее краю выступ; в канавке размещена уплотнительная прокладка, состоящая из расположенных рядом зеркально-симметрично аксиально двух уплотнительных колец, и в запирающем положении, под воздействием перепада давлений рабочей среды, уплотняющая поверхность расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижата к стенке канавки; также, под воздействием перепада давлений рабочей среды, уплотнительное плечо расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижато к выступу, аксиально выступающему у канавки и выполненному по ее краю; и уплотнительная манжета расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижата к прилегающей уплотнительной поверхности.

Кроме того, уплотнительные кольца имеют C-профиль, при этом, в запирающем положении, под воздействием перепада давлений рабочей среды, C-профиль уплотнительного кольца, расположенного на стороне с низким давлением, может расширяться.

Кроме того, уплотнительное кольцо имеет размер, превышающий расстояние между прилегающей уплотнительной поверхностью и основанием канавки, так что уплотнительное кольцо вдавливается в канавку с предварительным напряжением.

Кроме того, уплотнительная прокладка включает, по меньшей мере, один стабилизирующий элемент, который размещают вдоль канавки между уплотнительными кольцами.

Кроме того, стабилизирующий элемент представляет собой упругий элемент, например винтовую пружину.

Кроме того, витки стабилизирующего элемента, выполненного в виде винтовой пружины, наклонены на угол, например составляющий 10°, по отношению к продольной оси этой пружины.

Кроме того, уплотнительные кольца, с помощью стабилизирующего элемента, напряжены в направлении прилегающей уплотнительной поверхности.

Кроме того, в уплотнительной поверхности, в которой выполнена канавка, выполнена дополнительная канавка так, что уплотнительные манжеты находятся в приповерхностном слое при движении рабочей среды.

Кроме того, на прилегающей уплотнительной поверхности выполнен уплотнительный выступ.

Кроме того, между сопрягающимися уплотнительными поверхностями обеспечивается зазор.

Кроме того, канавки, выполненные в уплотнительных поверхностях затвора двухседельного клапана, размещаются так, что эффективная площадь затвора стремится к нулю.

Технический результат:

- обеспечение герметичности сопряжений поверхностей трубопроводной арматуры, например плоских, конических, сферических и т.п., как в предусмотренном направлении перепада давлений, так и при противоположном перепаде давлений рабочей среды,

- исключение утечки среды при различных рабочих температурах вследствие температурной деформации деталей клапана, снижение влияния температуры на герметичность уплотнения сопряжения,

- повышение ресурса и срока эксплуатации уплотнения.

Изобретение поясняется с помощью одного из примеров реализации. На чертежах изображены:

фиг. 1 - разрез запорно-регулирующего двухседельного клапана с уплотнительной прокладкой плоского сопряжения затвора;

фиг. 2 - местный вид уплотнительной прокладки плоского сопряжения затвора;

фиг. 3 - раздвинутый разрез уплотнительной прокладки плоского сопряжения затвора;

фиг. 4 - стабилизирующий элемент уплотнительной прокладки плоского сопряжения затвора;

фиг. 5 - местный вид уплотнительной прокладки плоского сопряжения затвора, при открытом плунжере;

фиг. 6 - местный вид уплотнительной прокладки плоского сопряжения затвора, в запертом положении при нормальных условиях;

фиг. 7 - местный вид уплотнительной прокладки плоского сопряжения затвора, в запертом положении при противоположном перепаде давлений, по отношению к нормальным условиям.

Запорно-регулирующий двухседельный клапан (см. фиг. 1) содержит корпус 1, входной патрубок 2, выходной патрубок 3, крышку 4, съемный узел затвора, включающий в себя корпус 5, плунжер, состоящий из штока 6, верхней тарелки 7, нижней тарелки 8 и поршневого привода 9, неподвижное седло 10 и подпружиненное пружинным узлом 11 подвижное седло 12.

Обеспечение плотности сопряжений тарелка 7 - седло 12 и тарелка 8 - седло 10 осуществляется уплотнительной прокладкой 13, при этом эффективная площадь затвора стремится к нулю.

Направление движения рабочей среды клапана указано стрелками.

Остальные элементы уплотнений, монтажа клапана и его конструктивных элементов не показаны.

Плунжер клапана всегда находится в равновесии сил вследствие разгруженности как по давлению, так и по воздействию истекающей рабочей среды клапана в конечных и любых промежуточных положениях, а поршневой привод воздействует на плунжер непосредственно и без люфта, что приводит к единственному ограничению - по скорости перемещения, из-за инерции его массы.

При перемещении плунжера на закрытие тарелки сопрягаются с седлами и запирают поток рабочей среды через затвор. При этом пружинный узел 11 обеспечивает передачу на сопряжение тарелка 7 - седло 12 половину усилия, развиваемого поршневым приводом 9, а вторая половина усилия, развиваемого поршневым приводом 9, передается непосредственно на сопряжение тарелка 8 - седло 10. Дополнительно пружинный узел 11 обеспечивает автоматическую компенсацию теплового расширения/сжатия элементов клапана с сохранением пропорции разделения усилия от поршневого привода 9 между верхним и нижним сопряжениями затвора.

Конструкция уплотнительной прокладки 13, обеспечивающей герметичность сопряжений тарелка 7 - седло 12 и тарелка 8 - седло 10, одинакова, вследствие чего далее будет описано уплотнение сопряжения тарелка 7 - седло 12.

Уплотнительная прокладка 13 сопряжения тарелка 7 - седло 12 (см. фиг. 2) находится в канавке 14, которую формируют:

- внутренней боковой поверхностью канавки 14 является проточка, выполненная в наружной поверхности тарелки 7;

- основанием канавки 14 является поверхность опорного диска 15, навернутого и зафиксированного на наружной поверхности тарелки 7 (фиксация не показана);

- наружной боковой поверхностью канавки 14 является проточка, выполненная во внешнем диске 16, навернутого на наружную поверхность опорного диска 15 и зафиксированного в этом положении (фиксация не показана).

С помощью стандартного уплотнения 17 кольцевого зазора, установленного в проточке, 18 выполненной в опорном диске 15, обеспечивается герметичность между тарелкой 7 и опорным диском 15.

Уплотнительная прокладка 13 сопряжения тарелка - седло в разрезе и раздвинутом виде (см. также фиг. 3) содержит одно, по отношению к оси вращения этой прокладки, внутреннее уплотнительное кольцо 19 и одно установленное по отношению к нему зеркально-симметрично внешнее уплотнительное кольцо 20, которые, например, состоят из полипропилена, и их форма стабилизируется с помощью стабилизирующего элемента 21. Каждое уплотнительное кольцо 19 и 20 имеет уплотнительную манжету 22, которая в положении закрытия сопряжения тарелка - седло прижимается к уплотнительной поверхности седла 12 непроницаемо для текущей среды. К уплотнительной манжете 22 примыкает C-профиль 23, наружная уплотнительная поверхность 24 которого согласуется по форме с боковой поверхностью стенки 25 канавки 14 и может быть прижата к ней непроницаемо для текущей среды клапана. C-профиль 23 образует выше уплотнительной манжеты 22 плечо уплотнения 26, которое подогнано к форме выступа 27, аксиально выступающего из канавки 14 и выполненного по ее краю, и может быть непроницаемо для текущей среды прижато к нему. C-профиль 23 заканчивается верхней уплотнительной кромкой 28, которая может быть прижата к основанию 29 канавки 14.

Стабилизирующий элемент 21 в виде изогнутой винтовой пружины заложен между C-профилями 23 уплотнительных колец 19 и 20.

Циклы винтовой пружины, см. фиг. 4, наклонены на угол α, составляющий примерно 10°, по отношению к продольной оси винтовой пружины. Таким образом, винтовую пружину можно радиально, по отношению к тарелке 7, осадить между уплотнительными кольцами 19 и 20, что приводит к предварительному напряжению уплотнительных колец 19 и 20 в осевом направлении. Внутрь винтовой пружины, для монтажных целей, вложено монтажное кольцо 30, показанное только на фиг. 3.

Уплотнительные манжеты 22 при открытом затворе клапана 1 слегка выступают из канавки 14, находясь при этом в канавке 31, которую формирует проточка в тарелке 7 и проточка, выполненная во внешнем диске 16, вследствие чего выступающие части уплотнительных манжет 22 находятся в приповерхностном слое движения рабочей среды, что минимизирует их износ.

При нормальном течении рабочей среды указанное стрелками (см. фиг. 5) давление P₁ во входном патрубке 2 клапана 1 выше, чем давление Р₂ в выходном патрубке 3.

При закрытии затвора клапана 1 тарелка 7 (см. фиг. 6) сопрягается с опорной поверхностью 32 седла 12, при этом уплотнительные манжеты 22, выступающие из канавки 14, приходят в контакт с уплотнительной поверхностью 33 седла 12 настолько, что обеспечивается герметичность сопряжения тарелка 7 - седло 12. В закрытом положении затвора (см. фиг. 6 и фиг.7) любое повышение перепада давлений P₁ и Р₂ вызывает самоусиление действия герметизации уплотнительной прокладки 13.

Вследствие наличия перепада давлений на уплотнительных кольцах 19 и 20 происходит падение давления в промежуточном объеме 34 между C-профилями 23 и возникает давление, среднее между давлением на стороне с высоким давлением P₁ и давлением на стороне с низким давлением Р₂.

Под влиянием перепада давлений деформируются уплотнительные кольца 19 и 20:

- наружное уплотнительное кольцо 20 сплющивается, сжимая стабилизирующий элемент 21, в связи с тем, что давление P₁ выше среднего давления, при этом возникает щелевой зазор 35. Кроме того, щелевой зазор 35 облегчает выравнивание давления между стороной с высоким давлением и промежуточным объемом 34 между C-профилями 23;

- внутреннее уплотнительное кольцо 19 расширяется и ложится своей наружной уплотнительной поверхностью 24 на стенку 25 канавки, в частности уплотнительным плечом 26 на выступ 27, сформированный по краю канавки 14, в связи с тем, что под воздействием среднего давления, более высокого, чем давление со стороны низкого давления Р₂, соответственно, среднее давление позднее становится равным высокому давлению P₁. Кроме того, внутреннее уплотнительное кольцо 19, под воздействием все более возрастающего перепада давлений, увеличивает силу прижима своей кромки 28 к основанию 29 канавки 14. Дополнительно, в результате расширения повышается давление уплотнительной манжеты 22 внутреннего уплотнительного кольца 19 на уплотнительную поверхность 33 седла 12. В результате возрастает эффект непроницаемости уплотнительной прокладки 13 затвора клапана.

На фиг. 7 представлен случай, когда перепад давлений на затворе клапана меняется на противоположный и рабочая среда пытается переместиться в противоположном направлении по отношению к предусмотренному. В связи с зеркально-симметричным построением уплотнительной прокладки 13 в этом случае сплющивается внутреннее уплотнительное кольцо 19, а наружное уплотнительное кольцо 20 расширяется, обеспечивая эффект непроницаемости уплотнительной прокладки 13 затвора клапана, как и при нормальном перепаде давлений на затворе.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к уплотнительным прокладкам сопряжений нецилиндрических поверхностей трубопроводной арматуры. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей расположена в канавке, выполненной в одной из уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры. Канавка имеет на обеих сторонах аксиально-выступающий выполненный по ее краю выступ. Уплотнительная прокладка состоит из расположенных рядом зеркально-симметрично аксиально двух уплотнительных колец. В запирающем положении, под воздействием перепада давлений рабочей среды, уплотняющая поверхность расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижата к стенке канавки. Также, под воздействием перепада давлений рабочей среды, уплотнительное плечо расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижато к выступу, аксиально выступающему у канавки и выполненному по ее краю. Уплотнительная манжета расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижата к прилегающей уплотнительной поверхности. Изобретение обеспечивает герметичность сопряжений поверхностей трубопроводной арматуры в обоих направлениях перепада давлений рабочей среды и при различных рабочих температурах. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей, расположенная в канавке, выполненной в одной из уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры, отличающаяся тем, что канавка имеет на обеих сторонах аксиально-выступающий выполненный по ее краю выступ; в канавке размещена уплотнительная прокладка, состоящая из расположенных рядом зеркально-симметрично аксиально двух уплотнительных колец, и в запирающем положении, под воздействием перепада давлений рабочей среды, уплотняющая поверхность расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижата к стенке канавки; также под воздействием перепада давлений рабочей среды уплотнительное плечо расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижато к выступу, аксиально выступающему у канавки и выполненному по ее краю; и уплотнительная манжета расположенного на стороне с низким давлением уплотнительного кольца герметично для текучей среды прижата к прилегающей уплотнительной поверхности.

2. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительные кольца имеют C-профиль, при этом в запирающем положении под воздействием перепада давлений рабочей среды C-профиль уплотнительного кольца, расположенного на стороне с низким давлением, может расширяться.

3. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо имеет размер, превышающий расстояние между прилегающей уплотнительной поверхностью и основанием канавки так, что уплотнительное кольцо вдавливается в канавку с предварительным напряжением.

4. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительная прокладка включает по меньшей мере один стабилизирующий элемент, который размещают вдоль канавки между уплотнительными кольцами.

5. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 4, отличающаяся тем, что стабилизирующий элемент представляет собой винтовую пружину.

6. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 5, отличающаяся тем, что витки стабилизирующего элемента, выполненного в виде винтовой пружины, наклонены на угол, например составляющий 10°, по отношению к продольной оси этой пружины.

7. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по любому из пп. 5-6, отличающаяся тем, что уплотнительные кольца с помощью стабилизирующего элемента напряжены в направлении прилегающей уплотнительной поверхности.

8. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что в уплотнительной поверхности, в которой выполнена канавка, выполнена дополнительная канавка так, что уплотнительные манжеты находятся в приповерхностном слое при движении рабочей среды.

9. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что на прилегающей уплотнительной поверхности выполнен уплотнительный выступ.

10. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что между сопрягающимися уплотнительными поверхностями обеспечивается зазор.

11. Уплотнительная прокладка сопряжения нецилиндрических уплотнительных поверхностей по п. 1, отличающаяся тем, что канавки, выполненные в уплотнительных поверхностях затвора двухседельного клапана, размещаются так, что эффективная площадь затвора стремится к нулю.