СИСТЕМА КОНТАКТНОГО КОЛЬЦЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ НУЛЕВОЙ ЭМИССИИ Российский патент 2021 года по МПК F16J15/34 

Настоящее изобретение касается смазываемой газом системы контактного кольцевого уплотнения и нагнетателя с нулевой эмиссией, которая может полностью предотвращать выход уплотняемой среды.

Системы контактного кольцевого уплотнения известны из уровня техники в различных вариантах осуществления. Например, в DE 10 2015 226 444 A1 показана система контактного кольцевого уплотнения для токсичных сред, которая может ощутимо уменьшать утечку затворной текучей среды в направлении стороны продукта. При этом в контактной поверхности предусмотрен окружной паз, имеющий нагнетательные выемки, который очень трудоемок в изготовлении. Кроме того, системы контактного кольцевого уплотнения применяются, например, для уплотнения валов нагнетателей или компрессоров, которые нагнетают газообразный метан или природный газ или другой метансодержащий газ. Метан не является токсичной средой, однако метан представляет собой газ, который экспоненциально усиливает парниковый эффект по сравнению с двуокисью углерода. Поэтому утечка метана должна по возможности предотвращаться системой контактного кольцевого уплотнения. Далее, метансодержащие газы нагнетаются, в частности, по очень длинным магистральным трубопроводам из удаленных областей. При этом на магистральных трубопроводах расположены множество так называемых нагнетательных станций, в каждой из которых имеется нагнетатель или компрессор или тому подобное, ведущий вал которого должен уплотняться с помощью системы контактного кольцевого уплотнения. Из-за плохой доступности таких нагнетательных станций в отношении системы контактного кольцевого уплотнения должно обеспечиваться, чтобы она практически не требовала технического обслуживания, и было гарантировано, что метан не выйдет через систему контактного кольцевого уплотнения в атмосферу.

Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставить систему контактного кольцевого уплотнения и нагнетатель, которые при простой конструкции и простой, экономичной возможности изготовления с максимальной надежностью предотвратит попадание уплотняемой среды в атмосферу.

Эта задача решается с помощью системы контактного кольцевого уплотнения с признаками п.1 формулы изобретения и нагнетателя с признаками п.12 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения показаны предпочтительные усовершенствования изобретения.

При этом предлагаемая изобретением, смазываемая газом система контактного кольцевого уплотнения с признаками п.1 формулы изобретения может с максимальной надежностью предотвращать попадание в атмосферу уплотняемого продукта, в частности метансодержащего газа. При этом система контактного кольцевого уплотнения имеет, несмотря на это, относительно простую и экономичную конструкцию. В соответствии с изобретением это достигается благодаря тому, что система контактного кольцевого уплотнения включает в себя первое контактное кольцевое уплотнение, имеющее первое вращающееся и первое неподвижное контактное кольцо, которые задают между собой первый уплотнительный зазор. Первое неподвижное контактное кольцо имеет проходной канал, предпочтительно в виде проточки, для подачи затворной текучей среды. Причем этот проходной канал ведет от задней стороны первого неподвижного контактного кольца к контактной поверхности (поверхность скольжения) первого неподвижного контактного кольца. Кроме того, на первом вращающемся контактном кольце расположено первое вспомогательное уплотнение для уплотнения и центрирующее устройство для центрирования первого вращающегося контактного кольца. Таким образом, на вращающемся контактном кольце осуществляется разделение функции уплотнения и функции центрирования первого вращающегося контактного кольца путем применения двух отдельных конструктивных элементов. При этом первое вращающееся контактное кольцо может не иметь выемок или тому подобного.

Предпочтительным образом система контактного кольцевого уплотнения включает в себя второе контактное кольцевое уплотнение, имеющее второе вращающееся и второе неподвижное контактное кольцо, которые задают между собой второй уплотнительный зазор. Это второе контактное кольцевое уплотнение является, таким образом, предохранительным уплотнением, которое в случае отказа первого контактного кольцевого уплотнения предотвращает попадание продукта в атмосферу. Таким образом, система контактного кольцевого уплотнения представляет собой так называемую тандемную систему, имеющую два последовательно расположенных контактных кольцевых уплотнения.

Предпочтительно второе центрирующее устройство для центрирования первого вращающегося контактного кольца расположено при этом на радиально внутренней поверхности и/или радиально наружной поверхности первого вращающегося контактного кольца.

Предпочтительным образом первое вспомогательное уплотнение для уплотнения расположено на задней стороне первого вращающегося контактного кольца. Предпочтительно первое вспомогательное уплотнение расположено при этом в пазу в держателе контактного кольца для вращающегося контактного кольца.

Также предпочтительно на задней стороне первого неподвижного контактного кольца расположено второе и третье вспомогательное уплотнение. При этом путь текучей среды к проходному каналу в первом неподвижном контактном кольце расположен между вторым и третьим вспомогательным уплотнением. Это значит, затворная текучая среда течет от задней стороны первого неподвижного контактного кольца в области между вторым и третьим вспомогательным уплотнением в проходной канал и оттуда к уплотнительному зазору.

При этом особенно предпочтительно эта система такова, что первый радиус R1 первого вспомогательного уплотнения лежит между вторым радиусом R2 третьего вспомогательного уплотнения и третьим радиусом R3 четвертого вспомогательного уплотнения. При этом радиусы определяются, начиная от средней оси системы контактного кольцевого уплотнения. Другими словами, выполняется неравенство R2 < R1 < R3. Тем самым обеспечено предотвращение перекашивания первого неподвижного контактного кольца относительно второго неподвижного контактного кольца.

Особенно предпочтительно первый радиус R1 лежит посредине между вторым радиусом R2 и третьим радиусом R3. Т.е. R1 = (R2+R3)/2.

Также предпочтительно система контактного кольцевого уплотнения включает в себя, кроме того, источник азота (источник N2). Этот источник азота предпочтительно представляет собой бак для азота. Также предпочтительно система контактного кольцевого уплотнения включает в себя также генератор азота. Благодаря этому из окружающего воздуха может генерироваться азот и временно накапливаться в баке для азота. Затем из бака для азота азот в виде газообразной затворной текучей среды для системы контактного кольцевого уплотнения может направляться к проходному каналу на первом неподвижном контактном кольце.

Также предпочтительно система контактного кольцевого уплотнения включает в себя расходомер, который расположен в подводящем трубопроводе для подачи затворной текучей среды к проходному каналу, а также блок управления и клапан перепада давления, который расположен в подводящем трубопроводе. Кроме того, на камере для продукта расположен сенсор давления для передачи в блок управления текущего давления продукта. Причем этот блок управления предназначен для того, чтобы управлять клапаном перепада давления, в частности, базируясь на давлении продукта.

Также предпочтительно система контактного кольцевого уплотнения включает в себя, кроме того, контрольное устройство, расположенное в отводящем трубопроводе, который отходит от области между первым и вторым контактным кольцевым уплотнением, и при отказе контактного кольцевого уплотнения посылает сигнал о неисправности, например, в пункт управления или т.п.

Ниже один предпочтительный пример осуществления изобретения описывается в деталях со ссылкой на сопроводительные чертежи. Показано:

фиг.1: схематичный вид сечения системы контактного кольцевого уплотнения по первому предпочтительному примеру осуществления изобретения, и

фиг.2: схематичный вид сечения системы контактного кольцевого уплотнения по второму предпочтительному примеру осуществления изобретения.

На фиг.1 показан схематичный вид сечения смазываемой газом системы 1 контактного кольцевого уплотнения по первому примеру осуществления изобретения.

Система 1 контактного кольцевого уплотнения включает в себя первое контактное кольцевое уплотнение 2 и второе контактное кольцевое уплотнение 3. Эти два контактных кольцевых уплотнения расположены последовательно на валу 8 и уплотняют камеру 40 для продукта от области 41 атмосферы. При этом речь идет о так называемой тандемной системе, у которой первое и второе контактное кольцевое уплотнение 2, 3 расположены последовательно.

Первое контактное кольцевое уплотнение 2 включает в себя первое вращающееся контактное кольцо 21 и первое неподвижное контактное кольцо 22, которые задают между своими контактными поверхностями (поверхностями скольжения) первый уплотнительный зазор 23. При этом первое вращающееся контактное кольцо 21 имеет контактную поверхность 21a, а первое неподвижное контактное кольцо 22 контактную поверхность 22a. Кроме того, первое контактное кольцевое уплотнение 2 имеет первый предварительно напрягающий элемент 24, который оказывает предварительное напряжение на первое неподвижное контактное кольцо 22 в направлении средней оси X-X системы контактного кольцевого уплотнения. Первое неподвижное контактное кольцо 22 зафиксировано на корпусе 9.

Второе контактное кольцевое уплотнение 3 включает в себя второе вращающееся контактное кольцо 31 и второе неподвижное контактное кольцо 32, которые задают между своими контактными поверхностями второй уплотнительный зазор 33. При этом второе вращающееся контактное кольцо 31 закреплено на валу 8 посредством второго держателя 36 контактного кольца. Второй предварительно напрягающий элемент 34 оказывает предварительное напряжение на второе стационарное контактное кольцо 32 в направлении второго вращающегося контактного кольца 31.

Система 1 контактного кольцевого уплотнения является смазываемой газом системой контактного кольцевого уплотнения, при этом предусмотрена затворная текучая среда в виде азота. Для этого система 1 контактного кольцевого уплотнения включает в себя источник 13 азота, который по подводящему трубопроводу 11 подает азот к первому контактному кольцевому уплотнению 2.

Как явствует из фиг.1, в первом неподвижном контактном кольце 22 предусмотрен проходной канал 25, который ведет от задней стороны 22b к контактной поверхности 22a первого неподвижного контактного кольца 22. Этот проходной канал 25 прямолинеен и параллелен средней оси X-X.

Ссылочная позиция 14 обозначает генератор азота, который может забирать азот из воздуха и подавать в источник 13 азота, который представляет собой, например, бак для азота.

На фиг.1 путь потока затворной текучей среды изображен стрелками и ведет от источника 13 азота по подводящему трубопроводу 11 к проходному каналу 25. При этом давление затворной текучей среды несколько выше, чем давление уплотняемой среды в камере 40 для продукта, так что даже небольшая доля азота в виде утечки L течет к камере 40 для продукта. Так как продукт является здесь содержащим метан газом, возникающим из-за азота загрязнением этого уплотняемого продукта можно пренебречь, в частности, потому что речь идет при этом об очень малых количествах.

Основная часть затворной текучей среды выходит на радиальной внутренней стороне первого контактного кольцевого уплотнения 2 у первого уплотнительного зазора 23 и затем течет в направлении второго контактного кольцевого уплотнения 3 и оттуда в отводящий трубопровод 12. Затем затворная текучая среда может выпускаться из отводящего трубопровода 12 в атмосферу.

Как явствует из фиг.1, на первом вращающемся контактном кольце 21 расположено первое вспомогательное уплотнение 4 и центрирующее устройство 5. Первое вспомогательное уплотнение 4 расположено на задней стороне 21b первого вращающегося контактного кольца 21. При этом первое вращающееся контактное кольцо 21 закреплено на валу 8 посредством первого держателя 26 контактного кольца. В первом держателе 26 контактного кольца предусмотрен паз 27, в котором расположено первое вспомогательное уплотнение 4. Первое вспомогательное уплотнение 4 представляет собой в этом примере осуществления круглое кольцо, имеющее круглое поперечное сечение, которое служит исключительно для уплотнения на задней стороне 21b первого вращающегося контактного кольца 21.

Центрирующее устройство 5 представляет собой кольцевую натяжную пружину. Центрирующее устройство 5 расположено на радиально внутренней поверхности 21c первого вращающегося контактного кольца 21. Центрирующее устройство 5 служит для центрирования первого вращающегося контактного кольца 21. Таким образом, центрирующее устройство 5 имеет не функцию уплотнения, а только функцию центрирования. Так как при этом осуществляется центрирование первого вращающегося контактного кольца с помощью центрирующего устройства 5, первое вспомогательное уплотнение 4 может оптимально рассчитываться в отношении его задачи уплотнения на задней стороне 21b.

На задней стороне 22b первого неподвижного контактного кольца 22 расположено второе вспомогательное уплотнение 6 и третье вспомогательное уплотнение 7. Как явствует из фиг.1, при этом на задней стороне 22b предусмотрено удерживающее кольцо 18, которое имеет по одному пазу для помещения второго и третьего вспомогательного уплотнения 6, 7. При этом второе и третье вспомогательное уплотнение расположены таким образом, что путь затворной текучей среды ведет между вторым вспомогательным уплотнением 6 и третьим вспомогательным уплотнением 7. При этом также в удерживающем кольце расположено проходное отверстие 18a.

Как явствует из фиг.1, первое вспомогательное уплотнение 4 имеет первый радиус R1, измеренный от средней оси X-X системы контактного кольцевого уплотнения. Второе вспомогательное уплотнение 6 имеет второй радиус R2, а третье вспомогательное уплотнение 7 имеет третий радиус R3. Как явствует из фиг.1, первый радиус R1 лежит при этом между вторым радиусом R2 и третьим радиусом R3. Благодаря этому выполнено неравенство R2 ˂ R1 ˂ R3. Благодаря этому может, в частности, предотвращаться перекашивание контактных колец первого контактного кольцевого уплотнения 2 друг относительно друга. Поэтому при эксплуатации первый уплотнительный зазор 23 может быть постоянным и сохранять малый размер, так что утечка L затворной текучей среды в продукт может минимизироваться.

Система 1 контактного кольцевого уплотнения включает в себя, кроме того, блок 10 управления, а также клапан 17 перепада давления в подводящем трубопроводе 11. Кроме того, в подводящем трубопроводе 11 расположен сенсор 15 расхода, который измеряет протекающее через подводящий трубопровод 11 количество. Сенсор 19 давления расположен на камере 40 для продукта и передает давление продукта в блок 10 управления. Блок 10 управления предназначен для того, чтобы настраивать уровень давления в первой камере 50 перед первым контактным кольцевым уплотнением 2 на базе давления в камере 40 продукта. При этом автоматически получается давление во второй камере 60 между первым контактным кольцевым уплотнением 2 и вторым контактным кольцевым уплотнением 3, которое ниже, чем давление в первой камере 50. При этом блок 10 управления может управлять степенью открытия, соответственно, закрытия клапана 17 перепада давления. При этом степень открытия, соответственно, закрытия клапана 17 перепада давления определяется на базе давления продукта. При этом давление в первой камере 50 настраивается с помощью регулируемого клапана 17 перепада давления таким образом, что давление в первой камере 50 всегда больше, чем давление продукта в камере 40 для продукта. Благодаря дросселированию пути затворной текучей среды, давление в первой камере 50 также всегда больше, чем во второй камере 60.

Таким образом может обеспечиваться нулевая эмиссия продукта из камеры 40 для продукта в направлении атмосферы 41. Благодаря этому смазываемая газом тандемная система контактного кольцевого уплотнения может, в частности, уплотнять природный газ и метансодержащий газ. Благодаря простой и надежной конструкции системы 1 контактного кольцевого уплотнения достигается эксплуатация, не требующая технического обслуживания. При этом второе контактное кольцевое уплотнение 3 служит в качестве предохранительного уплотнения, в случае если первое контактное кольцевое уплотнение 2 будет повреждено или выйдет и строя по другим причинам. При этом с помощью второго контактного кольцевого уплотнения 3, несмотря на продолжающий вращаться вал 8, может обеспечиваться уплотнение относительно атмосферы 41.

В отводящем трубопроводе 12 расположено, кроме того, также контрольное устройство 16, которое контролирует функционирование системы контактного кольцевого уплотнения и при отказе или повреждении системы контактного кольцевого уплотнения может подавать соответствующий сигнал о неисправности, например, в пункт управления. Тем самым гарантировано, что при отказе первого контактного кольцевого уплотнения 2 может осуществляться наиболее быстрый возможный ремонт первого контактного кольцевого уплотнения 2. Контрольное устройство 16 может определять повреждение первого контактного кольцевого уплотнения 2, например, по уровню давления в отводящем трубопроводе 12 и/или по протекающему количеству затворной текучей среды. Кроме того, предлагаемая изобретением система контактного кольцевого уплотнения может обходиться без промежуточного уплотнения, например, в виде лабиринтного уплотнения, между первым контактным кольцевым уплотнением 2 и вторым контактным кольцевым уплотнением 3. Благодаря этому может дополнительно упрощаться изготовление и, в частности, благодаря этому также снижаются затраты на изготовление. Другим преимуществом предлагаемой изобретением системы 1 контактного кольцевого уплотнения является ее компактная конструкция. Благодаря этому эта система 1 контактного кольцевого уплотнения пригодна, в частности, также для замены уже смонтированных, например, в нагнетательных станциях магистральных трубопроводов, систем контактного кольцевого уплотнения. В частности, предлагаемая изобретением система 1 контактного кольцевого уплотнения пригодна для очень высоких давлений прибл. до 160∙10^-5 Па.

На фиг.2 показана смазываемая газом система 1 контактного кольцевого уплотнения по второму примеру осуществления изобретения, при этом одинаковые, соответственно, функционально одинаковые части обозначены, как в первом примере осуществления.

В отличие от первого примера осуществления, во втором примере осуществления центрирующее устройство 5 расположено на радиально наружной поверхности 21d первого вращающегося контактного кольца 21. При этом предусмотрен паз 20 в первом держателе 26 контактного кольца, в котором помещается центрирующее устройство 5. И в этом примере осуществления первое контактное кольцо 21 может выполняться без мешающих и затратных выемок или углублений или тому подобного.

Применительно к этим двум примерам осуществления следует заметить, что возможно также, чтобы на первом контактном кольце 21 было предусмотрено два центрирующих устройства 5, а именно, первое центрирующее устройство на радиально внутренней поверхности 21c, как в первом примере осуществления, а второе центрирующее устройство 5 на радиально наружной поверхности 21d, как во втором примере осуществления.

Применительно к примерам осуществления следует, кроме того, заметить, что в качестве центрирующего устройства вместо кольцевой натяжной пружины может также применяться кольцевая окружная натяжная полоса, альтернативно, также круглое кольцо, которое, однако, не должно оптимизироваться в отношении уплотняющих свойств, так как уплотнение осуществляется на первом контактном кольце 21 с помощью первого вспомогательного уплотнения 4.

Наряду с вышестоящим письменным описанием изобретения для его дополняющего раскрытия настоящим непосредственно ссылаемся на графическое изображение изобретения на фигурах.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Система контактного кольцевого уплотнения

2 Первое контактное кольцевое уплотнение

3 Второе контактное кольцевое уплотнение

4 Первое вспомогательное уплотнение

5 Центрирующее устройство

6 Второе вспомогательное уплотнение

7 Третье вспомогательное уплотнение

8 Вал

9 Корпус

10 Блок управления

11 Подводящий трубопровод

12 Отводящий трубопровод

13 Источник азота

14 Генератор азота

15 Сенсор расхода

16 Контрольное устройство

17 Регулируемый клапан перепада давления

18 Удерживающее кольцо

18a Проходное отверстие

19 Сенсор давления

20 Паз

21 Первое вращающееся контактное кольцо

21a Контактная поверхность

21b Задняя сторона

21c Радиально внутренняя поверхность

21d Радиально наружная поверхность

22 Первое неподвижное контактное кольцо

22a Контактная поверхность

22b Задняя сторона

23 Первый уплотнительный зазор

24 Первый предварительно напрягающий элемент

25 Проходной канал

26 Первый держатель контактного кольца

27 Паз

31 Второе вращающееся контактное кольцо

32 Второе неподвижное контактное кольцо

33 Второй уплотнительный зазор

34 Второй предварительно напрягающий элемент

36 Второй держатель контактного кольца

40 Камера для продукта

41 Атмосфера

50 Первое пространство

60 Второе пространство

L Утечка

R1 Первый радиус

R2 Второй радиус

R3 Третий радиус

X-X Средняя ось

Изобретение относится к смазываемой газом системе (1) контактного кольцевого уплотнения, включающей в себя первое контактное кольцевое уплотнение (2), имеющее первое вращающееся контактное кольцо (21) и первое неподвижное контактное кольцо (22), которые задают между контактными поверхностями (21a, 22a) первый уплотнительный зазор (23), при этом первое неподвижное контактное кольцо (22) имеет проходной канал (25) для подвода затворной текучей среды к первому уплотнительному зазору (23), причем этот проходной канал (25) ведет от задней стороны (22b) к контактной поверхности (22a) первого неподвижного контактного кольца (22), и при этом на первом вращающемся контактном кольце (21) расположено первое вспомогательное уплотнение (4) для уплотнения и второе вспомогательное уплотнение (5) для центрирования первого вращающегося контактного кольца (21). Изобретение повышает надежность уплотнения и предотвращает попадание уплотняемой среды в атмосферу. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Смазываемая газом система (1) контактного кольцевого уплотнения, включающая в себя

первое контактное кольцевое уплотнение (2) с первым вращающимся контактным кольцом (21) и первым неподвижным контактные кольцом (22), которые задают между контактными поверхностями (21a, 22a) первый уплотнительный зазор (23),

причем первое неподвижное контактное кольцо (22) имеет проходной канал (25) для подвода затворной текучей среды к первому уплотнительному зазору (23), причем этот проходной канал (25) ведет от задней стороны (22b) к контактной поверхности (22a) первого неподвижного контактного кольца (22),

причем на первом вращающемся контактном кольце (21) расположено первое вспомогательное уплотнение (4) для уплотнения и центрирующее устройство (5) для центрирования первого вращающегося контактного кольца (21),

причем на задней стороне (22b) первого неподвижного контактного кольца (22) расположены второе вспомогательное уплотнение (6) и третье вспомогательное уплотнение (7), при этом путь затворной текучей среды к проходному каналу (25) в первом неподвижном контактном кольце (22) проходит между вторым и третьим вспомогательным уплотнением, и

причем первый радиус (R1) первого вспомогательного уплотнения (4) лежит между вторым радиусом (R2) второго вспомогательного уплотнения (6) и третьим радиусом (R3) третьего вспомогательного уплотнения (7).

2. Система контактного кольцевого уплотнения по п. 1, включающая в себя также второе контактное кольцевое уплотнение (3) со вторым вращающимся контактным кольцом (31) и вторым неподвижным контактным кольцом (32), которые задают между контактными поверхностями второй уплотнительный зазор (33).

3. Система контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов, при этом центрирующее устройство (5) расположено на радиально внутренней поверхности (21c) первого вращающегося контактного кольца (21) и/или радиально наружной поверхности (21d) первого вращающегося контактного кольца (21).

4. Система контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов, при этом первое вспомогательное уплотнение (4) расположено на задней стороне (21b) первого вращающегося контактного кольца (21).

5. Система контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов, при этом центрирующее устройство (5) представляет собой окружную натяжную пружину или окружную натяжную полосу или круглое кольцо.

6. Система контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов, при этом затворная текучая среда представляет собой азот, и система контактного кольцевого уплотнения включает в себя также источник (13) азота.

7. Система контактного кольцевого уплотнения по п. 6, дополнительно включающая в себя генератор (14) азота.

8. Система контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов, включающая в себя, кроме того, блок (10) управления, клапан (17) перепада давления в подводящем трубопроводе (11) и сенсор (19) давления для определения давления продукта в камере (40) для продукта, при этом блок (10) управления предназначен для того, чтобы управлять клапаном (17) перепада давления, базируясь на давлении продукта.

9. Система контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов, включающая в себя также контрольное устройство (16), которое расположено в отводящем трубопроводе (12).

10. Нагнетатель или компрессор для газообразных сред, включающий в себя систему контактного кольцевого уплотнения по одному из предыдущих пунктов.