ПЛАВАЮЩЕЕ КОЛЬЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2021 года по МПК F16J15/44 

Изобретение касается плавающего кольцевого уплотнения для уплотнения вращающегося конструктивного элемента, в частности вращающегося вала, со значительно уменьшенным весом и упрощенным стопорением от вращения плавающего кольцевого уплотнения вместе с вращающимся конструктивным элементом.

Плавающие кольцевые уплотнения известны из уровня техники в различных вариантах осуществления. Плавающие кольцевые уплотнения применяются, например, для уплотнения насосных валов у насосов, имеющих высокие частоты вращения. При этом плавающие кольцевые уплотнения плавающим образом расположены на валу и могут, в частности, при радиальных отклонениях вала следовать соответствующему радиальному отклонению. При этом проблемной зоной у плавающих кольцевых уплотнений является постоянно имеющийся зазор между плавающим кольцевым уплотнением и вращающимся конструктивным элементом, через который возникает относительно высокая утечка. Поэтому обычно несколько плавающих кольцевых уплотнений располагаются последовательно друг за другом. Однако это приводит к существенным конструктивным издержкам и, в частности, необходимому большому конструктивному пространству в осевом направлении уплотняемого конструктивного элемента, из-за чего общая конструктивная длина насоса и т.п. увеличивается, чего изготовители таких насосов хотят по возможности избегать. Другая проблема у плавающих кольцевых уплотнений может заключаться в том, что при эксплуатации плавающее кольцевое уплотнение вращается вместе с вращающимся валом. Однако это приводит к повышенному износу, в частности на обращенных от вала сторонах плавающего кольцевого уплотнения. Поэтому было бы желательно избегать такого износа.

Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставить плавающее кольцевое уплотнение для уплотнения вращающегося конструктивного элемента, которое при простой и экономичной конструкции может, в частности, уменьшить осевую конструктивную длину уплотнения и может предотвратить совместное вращение плавающего кольцевого уплотнения при эксплуатации. Далее, задачей настоящего изобретения является предоставить систему конструктивного элемента, имеющего предлагаемое изобретением плавающее кольцевое уплотнение.

Эта задача решается с помощью плавающего кольцевого уплотнения с признаками п.1 формулы изобретения и системы конструктивного элемента с признаками п.13 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения показаны соответствующие предпочтительные усовершенствования изобретения.

Предлагаемое изобретением плавающее кольцевое уплотнение для уплотнения вращающегося конструктивного элемента, наряду с более простым монтажом/демонтажом, имеет также значительное преимущество в отношении веса. Также при эксплуатации можно избегать вращения плавающего кольцевого уплотнения вместе с вращающимся конструктивным элементом, в частности валом, на котором плавающее кольцевое уплотнение осуществляет уплотнение. В соответствии с изобретением это достигается за счет того, что плавающее кольцевое уплотнение имеет тело уплотнения, которое осуществляет уплотнение на вращающемся конструктивном элементе, и держатель уплотнительного кольца, который удерживает тело уплотнения. Далее, предусмотрен стопор, который расположен на держателе уплотнительного кольца и предназначен для того, чтобы удерживать держатель уплотнительного кольца на корпусе или т.п. При этом стопор предотвращает совместное вращение держателя уплотнительного кольца и соединенного с держателем уплотнительного кольца тела уплотнения. При этом между держателем уплотнительного кольца и телом уплотнения может быть предусмотрено, например, соединение с силовым замыканием.

Стопор для удерживания плавающего кольцевого уплотнения от совместного вращения включает в себя предпочтительно палец с головкой. При этом головка имеет больший диаметр, чем палец. Благодаря этому может предоставляться очень простой и экономичный стопор.

Предпочтительно палец зафиксирован в держателе уплотнительного кольца. Фиксация осуществляется предпочтительно посредством резьбового соединения. Таким образом, палец может просто ввертываться в держатель уплотнительного кольца, а головка выступает из держателя уплотнительного кольца и может прилегать к упорным поверхностям, чтобы избежать совместного вращения плавающего кольцевого уплотнения.

Особенно предпочтительно тело уплотнения не имеет выемок. Благодаря этому можно избежать ослабления тела уплотнения, так что размеры и вес тела уплотнения могут значительно уменьшаться. Благодаря этому может предоставляться в целом очень компактное и имеющее низкий вес плавающее кольцевое уплотнение. При этом тело уплотнения имеет предпочтительно прямоугольное поперечное сечение без углублений, проточек, выемок или т.п.

Также предпочтительно плавающее кольцевое уплотнение имеет корпус с выемкой для плавающего приема тела уплотнения и держателя уплотнительного кольца. При этом предпочтительно в выемке выполнено боковое углубление для приема стопора. Таким образом, одна часть стопора выступает в боковое углубление в выемке, а другая часть стопора расположена на держателе уплотнительного кольца и жестко соединена с ним.

Боковое углубление в выемке представляет собой предпочтительно продольный паз или цилиндрическую выемку с диаметром, который больше размера стопора. Тем самым может гарантироваться, что плавающее кольцевое уплотнение, несмотря на стопор, который выступает в боковое углубление, может следовать за радиальными движениями вала. Такие радиальные отклонения вала могут вызываться при эксплуатации различными причинами. Если бы плавающее кольцевое уплотнение не могло следовать здесь таким радиальным движениям вала, это приводило бы к непосредственному контакту и при эксплуатации к высокому износу тела уплотнения.

Также предпочтительно плавающее кольцевое уплотнение включает в себя цельное тело уплотнения, имеющее первую и вторую направленную радиально внутрь дроссельную поверхность. Причем эти дроссельные поверхности отделены друг от друга посредством первого окружного паза на внутреннем периметре тела уплотнения. Паз расположен между первой и второй дроссельной поверхностью. За счет исполнения цельного (в виде одной части) тела уплотнения с двумя дроссельными поверхностями, которые направлены каждая к вращающемуся конструктивному элементу, и при этом между вращающимся конструктивным элементом и двумя дроссельными поверхностями имеется дроссельный зазор, получается заметное преимущество в отношении веса по сравнению с двумя отдельными плавающими кольцевыми уплотнениями, как в уровне техники. По сравнению с двумя отдельными плавающими кольцевыми уплотнениями общая масса предлагаемого изобретением плавающего кольцевого уплотнения может снижаться прибл. на 40%.

Предпочтительно ширина первой дроссельной поверхности в осевом направлении плавающего кольцевого уплотнения меньше или равна второй ширине дроссельной поверхности в осевом направлении плавающего кольцевого уплотнения. Благодаря этому дроссельное действие второй дроссельной поверхности увеличивается, вследствие чего в целом уменьшается утечка плавающего кольцевого уплотнения.

Другое большое преимущество предлагаемой изобретением системы, имеющей две дроссельные поверхности с расположенным между ними пазом, заключается в том, что поток утечки, который течет через первую дроссельную поверхность в направлении второй дроссельной поверхности, в пазу замедляется, так что тогда утечка через вторую дроссельную поверхность значительно уменьшается. При этом поток утечки может, в частности, образовывать встречное течение.

Особенно предпочтительно паз имеет ширину паза, которая меньше или равна первой ширине первой дроссельной поверхности и/или которая меньше или равна второй ширине второй дроссельной поверхности.

По другому предпочтительному варианту осуществления изобретения цельное тело уплотнения включает в себя также третью направленную радиально внутрь дроссельную поверхность. Причем эта третья дроссельная поверхность расположена последовательно после второй дроссельной поверхности. Также между второй и третьей дроссельной поверхностью на внутреннем периметре тела уплотнения расположен второй окружной паз.

Также предпочтительно цельное тело уплотнения включает в себя четвертую дроссельную поверхность. При этом между третьей и четвертой дроссельной поверхностью на внутреннем периметре цельного тела выполнен третий окружной паз. Таким образом, такое плавающее кольцевое уплотнение включает в себя четыре дроссельные поверхности и три окружных паза.

Особенно предпочтительно цельное тело уплотнения представляет собой угольное уплотнение. Тем самым может достигаться значительное уменьшение затрат.

Далее, настоящее изобретение касается системы конструктивного элемента, включающей в себя предлагаемое изобретением плавающее кольцевое уплотнение, а также вращающийся конструктивный элемент, в частности вал. Этот вал особенно предпочтительно является насосным валом или компрессорным валом.

Система конструктивного элемента включает в себя первый дроссельный зазор между первой дроссельной поверхностью цельного тела плавающего кольцевого уплотнения и вращающимся конструктивным элементом, а также второй дроссельный зазор между второй дроссельной поверхностью цельного тела уплотнения и вращающимся конструктивным элементом. Также предпочтительно дроссельные поверхности и поверхность вращающегося конструктивного элемента выполнены таким образом, что высота первого дроссельного зазора и/или второго дроссельного зазора в осевом направлении остается постоянной. При этом высота первого дроссельного зазора предпочтительно равна высоте второго дроссельного зазора.

Система конструктивного элемента предпочтительно представляет собой насос или компрессор или турбину. При этом система конструктивного элемента предпочтительно эксплуатируется с очень высокими частотами вращения.

Ниже со ссылкой на чертежи описываются в деталях предпочтительные примеры осуществления систем конструктивного элемента, имеющих плавающие кольцевые уплотнения. Показано:

фиг.1: схематичный вид сечения системы конструктивного элемента, имеющей плавающее кольцевое уплотнение по первому примеру осуществления изобретения;

фиг.2: схематичный вид в перспективе системы конструктивного элемента, имеющей плавающее кольцевое уплотнение по второму примеру осуществления изобретения, и

фиг.3: схематичный вид в перспективе системы конструктивного элемента, имеющей плавающее кольцевое уплотнение по третьему примеру осуществления изобретения.

Ниже со ссылкой на фиг.1 описывается в деталях система 1 конструктивного элемента, имеющая плавающее кольцевое уплотнение 2 по первому примеру осуществления изобретения.

Как явствует из фиг.1, плавающее кольцевое уплотнение 2 включает в себя цельное (выполненной в виде одной части) тело 20 уплотнения и держатель 6 уплотнительного кольца. Держатель 6 уплотнительного кольца предназначен для того, чтобы удерживать цельное тело 20 уплотнения. Предпочтительно при этом между держателем 6 уплотнительного кольца и телом 20 уплотнения предусмотрено соединение с силовым замыканием.

Цельное тело 20 уплотнения включает в себя первую дроссельную поверхность 21 и вторую дроссельную поверхность 22. Первая дроссельная поверхность 21 расположена радиально на направленной внутрь области цельного тела 20 уплотнения. Также вторая дроссельная поверхность 22 расположена на направленной радиально внутрь области цельного тела 20 уплотнения.

Как явствует из фиг.1, плавающее кольцевое уплотнение 2 уплотняет при этом на валу 3 область 10 продукта от области 11 атмосферы. При этом между первой дроссельной поверхностью 21 и поверхностью вала 3 выполнен первый дроссельный зазор 8, а между второй дроссельной поверхностью 22 и поверхностью вала 3 выполнен второй дроссельный зазор 9.

В осевом направлении X-X плавающего кольцевого уплотнения 2 между первой дроссельной поверхностью 21 и второй дроссельной поверхностью 22 расположен паз 23. Этот паз 23 предусмотрен по кругу на внутреннем периметре цельного тела 20 уплотнения.

При этом первая ширина B1 первой дроссельной поверхности 21 в осевом направлении X-X меньше второй ширины B2 второй дроссельной поверхности 22. Также ширина N1 паза 23 в осевом направлении X-X меньше первой ширины B1 и второй ширины B2.

При этом первая высота первого дроссельного зазора 8 в осевом направлении X-X остается постоянной. Также вторая высота второго дроссельного зазора 9 в осевом направлении остается постоянной. Высоты первого и второго дроссельных зазоров предпочтительно выбраны таким образом, что вторая высота второго дроссельного зазора 9 равна первой высоте первого дроссельного зазора 8.

При этом плавающее кольцевое уплотнение 2 расположено в выемке 5 в корпусе 4. Корпус 4 выполнен составным (в виде нескольких частей), чтобы обеспечивать возможность монтажа в осевом направлении вала 3. Как явствует из фиг.1, плавающее кольцевое уплотнение 2 расположено при этом плавающим образом в выемке 5. Благодаря этому плавающее кольцевое уплотнение 2 при радиальных отклонениях вала 3, которые могут возникать при эксплуатации, может следовать движению вала. Причем при радиальном движении вала может происходить короткий контакт между валом 3 и цельным телом 20 уплотнения.

Плавающее кольцевое уплотнение 2 включает в себя также стопор 7, чтобы обеспечивать возможность фиксации в корпусе 4. Стопор 7 включает в себя палец 70 с головкой 71. Как явствует из фиг.1, палец 70 расположен в держателе 6 уплотнительного кольца. Головка 71 выступает в осевом направлении X-X и расположена в боковом углублении в выемке 5. При этом в боковом углублении 50 для головки 71 предусмотрен радиальный зазор, чтобы плавающее кольцевое уплотнение 2 могло совместно совершать вышеописанные радиальные отклонения вала. Это обозначено двойной стрелкой A.

Боковое углубление 50 представляет собой предпочтительно радиально проходящий паз. Альтернативно боковое углубление 50 представляет собой цилиндрическую выемку, имеющую больший диаметр, чем диаметр головки 71 стопора 7. При этом благодаря этой цилиндрической, большей, чем головка 71, выемке плавающее кольцевое уплотнение 2 может несколько двигаться в окружном направлении относительно корпуса 4, чтобы уменьшать нагрузки на стопор 7 при относительном движении между плавающим кольцевым уплотнением и корпусом 4.

Чтобы при вышеописанных радиальных отклонениях обеспечить возможность направления плавающего кольцевого уплотнения 2, на корпусе 4 выполнен выступающий в осевом направлении X-X выступ 40. При этом плавающее кольцевое уплотнение может надежно направляться в выемке 5. Далее, при этом выступ 40 препятствует тому, чтобы среда обходила дроссельные зазоры 8, 9 по пути позади плавающего кольцевого уплотнения 2.

Выступ 40 предусмотрен в окружном направлении, проходя по всей окружности.

Таким образом, предлагаемым изобретением плавающим кольцевым уплотнением 2 может предотвращаться вращение плавающего кольцевого уплотнения 2 вместе с вращающимся валом 3. При этом, благодаря исполнению пальца 70 с головкой 71 может предоставляться очень простой и экономичный стопор 7. Так как стопор 7 расположен на держателе 6 уплотнительного кольца, а боковое углубление 50 выполнено в корпусе, держатель 6 уплотнительного кольца может иметь очень малую конструктивную высоту в радиальном направлении. Таким образом может уменьшаться размер держателя 6 уплотнительного кольца, благодаря чему дополнительно достигается уменьшение веса.

Кроме того, предлагаемым изобретением плавающим кольцевым уплотнением 2, благодаря цельному исполнению тела 20 уплотнения, можно заменять два отдельных плавающих кольцевых уплотнения, применявшихся до сих пор в уровне техники. При этом, в частности, может получаться значительное уменьшение веса в пределах прибл. до 40%. Далее, благодаря цельности тела 20 уплотнения заметно упрощен монтаж и демонтаж при необходимой замене плавающего кольцевого уплотнения 2. Так как также стопор 7 предусмотрен исключительно в держателе 6 уплотнительного кольца, цельное тело 20 уплотнения плавающего кольцевого уплотнения может выполняться без ослабляющих выемок, пазов или т.п. для приема стопора. Благодаря этому вес тела 20 уплотнения дополнительно уменьшается, и срок службы цельного тела 20 уплотнения заметно продлевается.

Правда, при эксплуатации возникает некоторая утечка через первый дроссельный зазор 8, однако благодаря наличию окружного паза 23 скорость течения утечки в области паза 23 заметно замедляется. Благодаря этому дальнейшая утечка через второй дроссельный зазор 9 в направлении области 11 атмосферы еще раз заметно уменьшается, соответственно, может при необходимости полностью предотвращаться.

При этом глубина паза 23 выбирается таким образом, что в области паза 23 осуществляется по меньшей мере частичное обратное течение C утечки, которая попала в паз 23 через первый дроссельный зазор 8. Благодаря этому дополнительно уменьшается скорость течения утечки через плавающее кольцевое уплотнение и минимизируется дальнейшая утечка через второй дроссельный зазор 9.

На фиг.2 показана система 1 конструктивного элемента по второму примеру осуществления изобретения, при этом одинаковые, соответственно, функционально одинаковые части обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Как явствует из фиг.2, система 1 конструктивного элемента включает в себя два отдельных предлагаемых изобретением плавающих кольцевых уплотнения 2. При этом принципиальная конструкция плавающих кольцевых уплотнений 2 такая же, как и в первом примере осуществления. Однако, как явствует из фиг.2. плавающие кольцевые уплотнения 2 расположены на валу 3 зеркально-симметрично друг другу. Таким образом, предусмотрено всего четыре дроссельных зазора от области 10 продукта до области 11 атмосферы. Кроме того, как явствует из фиг.2, в корпусе 4 в области между первым и вторым плавающим кольцевым уплотнением 2 предусмотрен окружной паз 41. В этом окружном пазу 41 собирается утечка, поступившая через первое плавающее кольцевое уплотнение 2, и образует обратное течение C и дополнительно уменьшает утечку к области 11 атмосферы, возникающую через второе плавающее кольцевое уплотнение. Также каждое из плавающих кольцевых уплотнений имеет стопор 7 в виде пальца 70 с головкой 71. Как явствует из фиг.2, стопоры 7 обоих плавающих кольцевых уплотнений тоже расположены зеркально-симметрично. Благодаря этому конструкция системы конструктивного элемента второго примера осуществления может значительно упрощаться, так как два указанных боковых углубления 50 выполнены каждое в части корпуса между двумя плавающими кольцевыми уплотнениями.

На фиг.3 показана система конструктивного элемента по третьему примеру осуществления изобретения. Как явствует из фиг.3, плавающее кольцевое уплотнение 2 третьего примера осуществления включает в себя третью дроссельную поверхность 25. При этом между первой и второй дроссельной поверхностью 21, 22 предусмотрен первый паз 23, а между второй дроссельной поверхностью 22 и третьей дроссельной поверхностью 25 предусмотрен второй паз 26. Как и в первом примере осуществления, первый паз 23 и второй паз 26 выполнены, проходя по всей окружности. Благодаря этому предоставляется цельное тело 20 уплотнения, имеющее три дроссельные поверхности, поэтому дополнительно уменьшается утечка от области 10 продукта к области 11 атмосферы. При этом показанный на фиг.3 стопор выполнен, как в первом примере осуществления.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 Система конструктивного элемента

2 Плавающее кольцевое уплотнение

3 Вал

4 Корпус

5 Выемка

6 Держатель уплотнительного кольца

7 Стопор

8 Первый дроссельный зазор

9 Второй дроссельный зазор

10 Область продукта

11 Область атмосферы

20 Цельное тело уплотнения

21 Первая дроссельная поверхность

22 Вторая дроссельная поверхность

23 Первый паз

24 Выступ

25 Третья дроссельная поверхность

26 Второй паз

40 Выступ

41 Паз

50 Боковое углубление

70 Палец

71 Головка

A Двойная стрелка

B1 Первая ширина

B2 Вторая ширина

C Обратное течение

N1 Ширина первого паза 23

X-X Осевое направление

Изобретение касается плавающего кольцевого уплотнения для уплотнения вращающегося конструктивного элемента, которое включает в себя тело (20) уплотнения, держатель (8) уплотнительного кольца, который удерживает тело (20) уплотнения, и стопор (7) включает в себя палец (70) с головкой (71), причем этот палец (70) зафиксирован в держателе (6) уплотнительного кольца, и предназначен для того, чтобы удерживать держатель (6) уплотнительного кольца на корпусе. Изобретение упрощает монтаж соединения. 2 н. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плавающее кольцевое уплотнение для уплотнения вращающегося конструктивного элемента, включающее в себя:

- тело (20) уплотнения,

- держатель (6) уплотнительного кольца, который удерживает тело (20) уплотнения, и

- стопор (7), который расположен на держателе (6) уплотнительного кольца и предназначен для того, чтобы удерживать держатель (6) уплотнительного кольца на корпусе,

отличающееся тем, что стопор (7) включает в себя палец (70) с головкой (71), причем этот палец (70) зафиксирован в держателе (6) уплотнительного кольца.

2. Плавающее кольцевое уплотнение по п.1, в котором палец (70) зафиксирован в держателе (6) уплотнительного кольца посредством резьбового соединения.

3. Плавающее кольцевое уплотнение по одному из предыдущих пунктов, которое включает в себя также выполненную в корпусе (4) выемку (5) для плавающего приема тела (20) уплотнения и держателя (6) уплотнительного кольца.

4. Плавающее кольцевое уплотнение по п.3, в котором в выемке (5) выполнено боковое углубление (50) для приема стопора (7).

5. Плавающее кольцевое уплотнение по п.4, в котором боковое углубление (50) представляет собой продольный паз или цилиндрическую выемку с диаметром, который больше размера стопора, в частности диаметра головки (71) стопора (7).

6. Плавающее кольцевое уплотнение по одному из предыдущих пунктов, в котором тело (20) уплотнения выполнено цельно и имеет первую направленную радиально внутрь дроссельную поверхность (21), вторую направленную радиально внутрь дроссельную поверхность (22) и первый окружной паз (23) на внутреннем периметре, причем этот первый паз (23) расположен в осевом направлении (X-X) плавающего кольцевого уплотнения между первой дроссельной поверхностью (21) и второй дроссельной поверхностью (22).

7. Плавающее кольцевое уплотнение по п.6, в котором первая ширина (B1) первой дроссельной поверхности (21) меньше или равна второй ширине (B2) второй дроссельной поверхности (22).

8. Плавающее кольцевое уплотнение по п.7, в котором первый паз (23) имеет ширину (N1) паза, которая меньше или равна первой ширине (B1) и которая меньше или равна второй ширине (B2).

9. Плавающее кольцевое уплотнение по одному из пп.6-8, в котором цельное тело (20) уплотнения включает в себя также третью направленную радиально внутрь дроссельную поверхность (25), при этом в осевом направлении (X-X) плавающего кольцевого уплотнения между третьей дроссельной поверхностью (25) и второй дроссельной поверхностью (22) расположен второй паз (26).

10. Система для уплотнения вращающегося конструктивного элемента, включающая в себя по меньшей мере одно плавающее кольцевое уплотнение (2) по одному из предыдущих пунктов и вращающийся конструктивный элемент (3).

11. Система по п.10, в которой первая высота первого дроссельного зазора (8) между первой дроссельной поверхностью (21) и поверхностью вращающегося конструктивного элемента (3) остается постоянной и/или при этом вторая высота второго дроссельного зазора (9) между второй дроссельной поверхностью (22) и поверхностью вращающегося конструктивного элемента (3) остается постоянной.

12. Система по п.11, в которой первая высота зазора равна второй высоте зазора.