BR122019022399B1 - conjunto de vedação para uso com um eixo giratório - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um conjunto de vedação para uso com um eixo giratório. O conjunto de vedação compreende um anel de vedação, um envoltório de anel de vedação e fole. O anel de vedação define uma superfície anular que se estende axialmente e uma face de vedação que se estende radialmente. O envoltório de anel de vedação tem uma peça frontal e uma peça traseira presas juntas. A peça frontal inclui uma porção de pé definindo uma superfície de encaixe que se estende axialmente para encaixe de ajuste de interferência com a superfície anular do anel de vedação. A peça frontal ainda inclui uma porção de canela que se estende radialmente, conectada à porção de pé e localizada radialmente para fora da porção de pé. A porção de pé inclui uma porção de pé interna que se estende axialmente da conexão da porção de pé com a porção de canela. A porção de pé em sua superfície de encaixe tem um comprimento axial. A porção de pé interna em sua superfície de encaixe tem um comprimento axial. A porção de canela tem um comprimento axial. O fole define um diâmetro efetivo em pressão zero aplicada sobre o (...).

Description

[001] Dividido do PI0708582-6, depositado em 8 de março de 2007.

[002] O presente pedido reivindica prioridade de acordo com 35 U.S.C. § 119 para o Pedido Provisório U.S. N° 60/780.334, depositado em 8 de março de 2006 e Pedido de Patente U.S. N° 11/683.202, depositado em 7 de março de 2007, todos os quais são aqui incorporados através de referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] A presente invenção refere-se a conjuntos de vedação de face de extremidade mecânica. Mais particularmente, refere-se a conjuntos de vedação adequados para aplicações em uma ampla faixa de ambientes operacionais de temperatura e pressão.

[004] Bombas, principalmente aquelas em refinarias e instalações químicas, freqüentemente, lidam com líquido difíceis de vedar, incluindo propano, butano e outros líquidos instáveis, combustíveis ou tóxicos. Esses líquidos podem causar encurtamento da durabilidade da vedação e vazamento indesejável de produtos, estimulando o esquecimento da saúde pública e das regulamentações de segurança para emissão de bomba.

[005] Conjuntos de vedação de face de extremidade mecânica são conhecidos e representam uma solução de sucesso para vazamento de produtos. Conjuntos de vedação de face de extremidade mecânica encontram ampla aplicação na vedação de líquidos em bombas tendo um alojamento e um eixo giratório que se estende. Os conjuntos de vedação usualmente incluem um par de anéis de vedação anulares que definem um par de faces de vedação anulares relativamente radiais impulsionadas juntas para definir uma interface de vedação. Esses anéis de vedação são suportados no eixo e no alojamento por componentes de montagem. Um anel de vedação, o anel primário, é móvel axialmente e é impelido por uma mola de compressão ou um fole de metal em contato de face a face com o outro anel de vedação, o anel correspondente, que é fixado contra movimento axial. O conjunto de vedação pode incluir uma vedação única ou uma vedação dupla, onde uma pressão de fluido amortecedor é fornecida em uma pressão maior do que a do fluido de processo a ser vedado, a fim de impedir vazamento do fluido do processo através da face do anel de vedação. Essas vedações mecânicas estão disponíveis de John Crane, Inc. e são descritas nas patentes U.S. N°s 5.901.965 e 5.954.341, cujas descrições são aqui incorporadas através de referência. A presente invenção representa um refinamento nas vedações mecânicas do tipo nas patentes U.S. N°s 5.901.965 e 5.954.341.

[006] A figura 1 mostra um conjunto de anel primário convencional (técnica anterior) 510 de uma vedação mecânica. O conjunto de anel primário 510 da vedação mecânica inclui um anel primário 514 encaixado contra um envoltório de anel primário 512, usando um encaixe por pressão ou uma técnica de encaixe por encolhimento térmico e um fole 516 anexado de um lado do envoltório do anel primário 512. O encaixe por pressão ou o encaixe por encolhimento térmico proporciona um encaixe por interferência muito apertado entre o anel primário 514 e o envoltório de anel primário 512, em que o anel primário 514 é fixado, radial e axialmente, no envoltório de anel primário 512. No encaixe por pressão, partes correspondentes, em que a dimensão externa do elemento interior é a mesma que, ou ligeiramente maior do que, a dimensão interior do elemento exterior, são forçadas juntas. No encaixe por encolhimento, as partes são unidas por contração (encolhimento) da parte interior através de resfriamento e inserção da parte interior na parte exterior. A expansão subseqüente da parte interior através de seu retorno à temperatura ambiente assegura um ajuste apertado. Alternativamente, as partes são unidas por meio de expansão da parte exterior através de aquecimento e inserção da parte interior na parte exterior. A contração subseqüente da parte exterior por meio de seu retorno à temperatura ambiente assegura um ajuste apertado.

[007] O ajuste por interferência entre o anel primário 514 e o envoltório de anel primário 512 atua como uma vedação estática secundária, proibindo o fluido do processo vedado de vazar entre o anel primário 514 e o envoltório de anel primário 512. Também, o atrito de contato entre o anel primário 514 e o envoltório de anel primário 512, causado pelo ajuste por interferência, proibe o movimento circunferencial relativo do anel primário 514 com relação ao envoltório de anel primário 512.

[008] A quantidade de interferência para um dado tamanho de vedação depende do diâmetro nominal de interferência, dos coeficientes de expansão térmica diferencial do envoltório e dos materiais de construção do anel primário e da temperatura operacional máxima. Os valores representativos do coeficiente de expansão térmica de alguns materiais típicos para envoltório e anel primário são apresentados na Tabela 1.

[009] A Liga 718 e a Liga 42, materiais possíveis para formação do envoltório, são bem-conhecidas e estão disponíveis comercialmente de diversos fornecedores de material. Como visto, a Liga 42 tem um baixo coeficiente de expansão térmica, que corresponde intimamente àquele dos materiais do anel primário e, portanto, algumas vezes é uma boa escolha como o material de construção do envoltório. Infelizmente, as aplicações em alta temperatura, contendo ácidos orgânicos corrosivos e compostos com alto teor de enxofre, tendem a corroer prontamente o envoltório da Liga 42. Uma prática comum na indústria é aplicar um cromado ao componente do envoltório da Liga 42 para protegê-lo do ataque corrosivo. Contudo, esse cromado não é considerado ser efetivo, visto que serve apenas no prolongamento da inevitabilidade da invasão corrosiva.

[0010] Há também uns poucos desafios associados com a construção do envoltório a partir da Liga 718, quando usado com um desenho convencional de anel primário ajustado por interferência. A figura 2 mostra um diagrama de um desenho convencional (técnica anterior), que tem um envoltório de anel primário 514 de peça única. Uma distribuição de pressão de contato típica PDz para essa vedação convencional também é mostrada na figura 2. Como visto na figura 2, a extensão do contato é confinada à região bastante estreita perto da peça em formato de calcanhar 540 da porção de pé de encaixe 530. Essa região de contato estreita cria uma folga pequena 543 perto da junta 542 da porção de pé de encaixe 530. A figura 3 mostra a distribuição de pressão de contato PDOD sob temperatura operacional total e pressão externa aplicada sobre o anel primário 514 pelo líquido do processo/barreira. A figura 4 mostra a distribuição de pressão de contato PDID sob temperatura operacional total e pressão interna aplicada sobre o anel primário pelo líquido do processo/barreira.

[0011] Outro desafio associado com a disposição do envoltório de anel primário 512 de uma peça, conforme mostrado na figura 1, é que, durante o ajuste por interferência do anel primário 514 com o envoltório de anel primário 512, altas tensões e momentos de curvatura são criados na área da articulação 513 do envoltório 512. Essas altas tensões de curvatura podem fazer com que o envoltório 512 quebre ou frature na articulação 513, durante o processo de ajuste por interferência.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A figura 1 é uma vista seccional transversal de um conjunto de anel primário convencional (técnica anterior) de uma vedação mecânica de fole.

[0013] A figura 2 é um diagrama seccional transversal de corpo livre do conjunto de anel primário convencional (técnica anterior) da figura 1, mostrando distribuição de pressão de contato sob temperatura ambiente e nenhuma pressão diferencial aplicada sobre o anel primário pelo líquido do processo/barreira.

[0014] A figura 3 é um diagrama seccional transversal de corpo livre do conjunto de anel primário convencional (técnica anterior) da figura 1, mostrando forças e distribuição de pressão de contato sob temperatura operacional total e pressão externa aplicada sobre o anel primário pelo líquido do processo/barreira.

[0015] A figura 4 é um diagrama seccional transversal de corpo livre do conjunto de anel primário convencional (técnica anterior) da figura 1, mostrando forças e distribuição de pressão de contato sob temperatura operacional total e pressão interna aplicada sobre o anel primário pelo líquido do processo/barreira.

[0016] A figura 5 é uma vista seccional transversal de um conjunto de anel primário de uma vedação mecânica de fole que concretiza os aspectos da presente invenção.

[0017] A figura 5A é uma vista seccional transversal de um anel primário e alternativo e um envoltório de anel primário alternativo que concretiza os aspectos da presente invenção.

[0018] A figura 6 é uma vista seccional transversal ampliada do anel primário e envoltório de anel primário do conjunto de anel primário da figura 5.

[0019] A figura 7 é um diagrama seccional transversal de corpo livre do conjunto de anel primário da figura 5, mostrando distribuição de pressão de contato sob temperatura ambiente e nenhuma pressão diferencial sobre o anel primário pelo líquido do processo/barreira.

[0020] A figura 8 é um diagrama seccional transversal de corpo livre do conjunto de anel primário da figura 5, mostrando forças de contato e distribuição de pressão de contato sob temperatura operacional completa e pressão externa aplicada pelo líquido do processo/barreira.

[0021] A figura 9 é um diagrama seccional transversal de corpo livre do conjunto de anel primário da figura 5, mostrando forças de contato e distribuição de pressão de contato sob temperatura operacional completa e pressão interna aplicada pelo líquido do processo/barreira.

[0022] A figura 10 é uma vista seccional transversal da unidade de anel primário da figura 5 usada em conjunto com uma unidade de anel correspondente convencional.

[0023] A figura 11 é uma vista seccional transversal da unidade de anel primário da figura 5 usada em conjunto com uma unidade de anel correspondente que concretiza os aspectos da presente invenção.

[0024] A figura 12 é uma vista seccional transversal de um conjunto de anel primário alternativo que concretiza os aspectos da presente invenção, com um anel primário simétrico, não equilibrado.

[0025] A figura 13 é uma vista seccional transversal de um conjunto de anel primário alternativo que concretiza os aspectos da presente invenção, com um anel primário simétrico, equilibrado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE ILUSTRADA

[0026] A corrosão de matérias brutas em alta temperatura está se tornando uma grande preocupação nas refinarias devido ao uso aumentado de matérias brutas ácidas contendo os ácidos orgânicos e compostos sulfurosos acima. Uma das modalidades da presente invenção chama atenção para a metalurgia completa da Liga 718, que é resistente ao ataque corrosivo, mesmo em alta temperatura. Além disso, a Liga 718 tratada pelo calor mantém sua resistência inerente muito melhor em altas temperaturas, por exemplo, 426,7°C (800°F) ou mais. Como visto na Tabela 2, a Liga 42 não só tem uma resistência relativa muito menor em temperatura ambiente, mas também sua resistência cai consideravelmente em temperaturas mais altas. Por outro lado, a Liga 718 não só é diversas vezes mais forte do que a Liga 42 em temperatura ambiente, mas também mantém a alta resistência muito melhor em temperatura mais alta do que a Liga 42.

[0027] Portanto, uma escolha natural do material de envoltório para aplicações corrosivas em alta temperatura é a Liga 718. Contudo, como visto na Tabela 1, o coeficiente de expansão térmica diferencial entre um envoltório da Liga 718 e um material de anel primário comumente usado é muito maior do que aquele com a Liga 42. Portanto, uma interferência muito maior é requerida entre eles a fim de manter o envoltório adequadamente preso em operações em alta temperatura. Tipicamente, dependendo do tamanho, a interferência diametral requerida para um envoltório de Liga 718 e um anel primário típico oscila de 0,25 - 0,76 milímetro (0,010 - 0,030 polegada), enquanto o mesmo para a Liga 42 está nas proximidades de 0,05 - 0,13 milímetro (0,002 - 0,005 polegada).

[0028] O desenho de vedação mecânica da presente invenção proporciona estabilidade de face altamente aperfeiçoada, comparado com desenhos de vedações mecânicas da técnica anterior porque ele é termicamente insensível e mantém tensões de contato axialmente constantes na região de ajuste por interferência do envoltório/adaptador. A vedação pode se adaptar a uma ampla faixa de extremos de temperatura encontrados em aplicações tais como bombas que operam em ambientes corrosivos em alta temperatura em unidades de destilação das refinarias. Essa estabilidade de face, bem como a integridade estrutural dos componentes, é mantida mesmo com uma quantidade relativamente alta do ajuste por interferência entre o envoltório e o anel primário. Esse alto nível de interferência é essencial para acomodar coeficientes de expansão térmica amplamente diferentes dos materiais do envoltório e do anel de vedação, os quais são ditados por uma aplicação demandante, descrita acima. Essa estabilidade de face excepcional resulta em vazamento reduzido e durabilidade potencialmente maior da vedação. Essa vedação pode ser projetada com dupla capacidade de pressão, a qual pode operar com líquido do processo/barreira de pressão mais alta na localização externa ou interna.

[0029] A invenção em questão do conjunto de anel de vedação pode ser presa estacionária no alojamento, que é capaz de lidar com aplicações em alta velocidade de eixo e alto desalinhamento de câmara de eixo para vedação, ou pode ser montada no eixo, destinada a aplicações onde uma vedação giratória, de alta resistência, confiável, é preferida. Alguns limites operacionais típicos são:

[0030] Limites de temperatura: -73,3°C (-100°F) a 426,7°C (800°F)

[0031] Limites de pressão: < 2,07 MPa (300 psid) com foles de dobra única

[0032] 2,07 MPa (300 psid) com foles de dobras múltiplas (capacidade de pressão externa ou interna).

[0033] Limites de velocidade de face: 50,8 m/s (10.000 fpm) (disposição estacionária).

[0034] 25,4 m/s (5.000 fpm) (disposição giratória).

[0035] Características do fluido: corrosivo ou não-corrosivo.

[0036] As figuras 5 e 6 ilustram uma modalidade de um conjunto de anel primário 10 que concretiza a presente invenção. O conjunto de anel primário 10 inclui um envoltório de anel primário 12, um anel primário 14 e fole 16. Um eixo giratório 18, centralizado em torno de um eixo geométrico longitudinal 20, se estende através do conjunto de anel primário 10. Deve ser notado que o termo axial e axialmente como usado na descrição das modalidades significa longitudinalmente ao longo do eixo geométrico 20 do eixo 18. Os termos radial e radialmente, conforme usados na descrição das modalidades, significam em um plano em geral perpendicular ao eixo geométrico 20 do eixo 18, em direção e para longe do eixo giratório.

[0037] O anel primário 14 define uma superfície anular externa, que se estende axialmente, 53 e uma face de vedação que se estende radialmente 52. A superfície anular externa 53 é uma seção da superfície externa do anel primário 14 adaptada para encaixe com o envoltório 12, a ser discutido mais abaixo. Deve ser notado que a superfície anular externa 53 não é, necessariamente, uma superfície radialmente externa, como evidenciado pela superfície anular adjacente à face de vedação 52, localizada mais radialmente para fora. A face de vedação 52 do anel primário 52 é adaptada para encaixe com uma face de vedação correspondente de um anel correspondente. Materiais possíveis para a construção do anel primário 14 incluem carbono, carbono impregnado, carboneto de tungstênio (WC), carboneto de silício (SiC), composto de grafita de silício/carbono e bronze.

[0038] O envoltório 12 é composto de duas peças - uma peça frontal 22 e uma peça traseira 24, que são vedadas uma à outra em sua junção 26. Materiais possíveis para construção de peças de envoltório de anel primário 22 e 24 incluem Liga 718, Liga 625, Liga 620, Liga 20, Hastelloy, AM 350 e aço inoxidável. De preferência, o material para a construção de peças do envoltório do anel primário 22 e 24 é a Liga 718. O fole 16 é soldado ao envoltório de peça traseira 24 em sua junção 28. O fole 16 pode ser de uma construção de dobra única ou de múltiplas dobras. Materiais possíveis para a construção do fole 16 incluem a Liga 718, Hastelloy, AM350, Liga 20 e aço inoxidável. De preferência, o material para a construção do fole 16 é a Liga 718. Daqui em diante, esse novo desenho, o objeto da exposição da invenção corrente, será referido como vedação para aplicação em alta temperatura e corrosiva ou selo de "HTC", resumidamente.

[0039] Essa disposição de envoltório em duas peças utiliza uma forma geométrica otimizada que pode ser bastante intrincada, mas pode ser usinada na peça frontal 22. A meta final tem sido obter estabilidade de face de vedação ótima através das faixas operacionais de temperatura e pressão, tendo quantidade mínima de obstrução de face em ambas as direções, o que é conhecido comumente como "OD" ou "alto ID". Essa estabilidade de face acentuada, por sua vez, resulta em vazamento reduzido e maior durabilidade da vedação. O desenho otimizado, em duas peças, pode ser usado para anexar uma face de vedação aos desenhos de vedação mais tradicionais (isto é, impulsor) com benefícios de desempenho similares.

[0040] O envoltório de peça frontal 22 é mostrado para ter uma porção de pé de encaixe 30 em que o anel primário 14 é ajustado por interferência. A porção de pé de encaixe 30 define uma superfície de encaixe que se estende axialmente 32 para encaixe de ajuste por interferência com a superfície anular 53 do anel primário 14. A porção de pé 30 tem uma porção de pé interna 34, uma porção de pé média 36 e uma porção de pé externa 38. A região de contato da superfície de encaixe 32 na parte posterior da porção de pé de encaixe é a peça em formato de calcanhar 40 e sua parte frontal é a junta 42. Entre a porção de pé interna 34 e uma região de envoltório superior ou porção de coxa 44, existe um recesso 46, onde a região anular unindo a porção de coxa 44 e a porção de pé 30 é a porção de canela 48. A porção de canela 48 se estende radialmente da porção de pé 30. Pode haver também uma porção de cubo que se estende radialmente 50 acima da conexão da porção de canela 48 com a porção de coxa 44, conforme ilustrado na figura 6. Um envoltório frontal 22, com a porção de cubo omitida, é mostrado pela linha 51 na figura 5. A porção de canela 48 tem um comprimento axial Ls que permite que a porção de canela flexione no anel primário 14, ajustado por interferência no envoltório de peça frontal 22. A porção de pé interna 34 em sua superfície de encaixe, perto da peça em formato de calcanhar 40, tem um comprimento axial Lh. A porção de pé 30 em sua superfície de encaixe 32 tem um comprimento axial Lf. O comprimento axial Lf da porção de pé 30 em sua superfície de encaixe é, de preferência, maior do que o comprimento axial Ls da porção de canela. Essa região de contato aumentada entre a porção de pé 30 e o anel primário 14, quando comparado com os desenhos de vedações da técnica anterior, permite que a pressão de contato na interface seja menos concentrada em um ponto particular.

[0041] Para controlar a distribuição de pressão de contato, causada pelo ajuste por interferência entre a porção de pé e a superfície correspondente do anel de vedação, de preferência, a relação (Lh/Lf) do comprimento Lh da porção de pé interna em sua superfície de encaixe para o comprimento Lf da porção de pé em sua superfície de encaixe é maior do que 0,5. Mais preferivelmente, a relação (Lh/Lf) do comprimento Lh da porção de pé interna em sua superfície de encaixe para o comprimento Lf da porção de pé em sua superfície de encaixe está entre 0,556 e 0,625. É importante distribuir essa pressão de contato em torno do centro do corpo de rotação para obter um momento líquido perto de zero na vedação primária. Isso é necessário para manter a planura à medida que a pressão e a temperatura da aplicação mudam. Desenhos de envoltórios tradicionais, tendo uma relação de comprimento de porção interna de pé para comprimento da porção de pé em suas superfícies de encaixe mais perto de zero (0) não têm uma pressão de contato uniformemente distribuída e mostram dificuldade no controle da planura de face.

[0042] As dimensões (por exemplo, comprimentos e espessuras) de todas essas regiões supracitadas descritas nos parágrafos anteriores, incluindo as dimensões do anel primário, são tratadas como parâmetros para o processo de otimização e são desenhadas iterativamente para obter características ótimas de desempenho. Esses parâmetros de controle permitem o ajuste preciso para controlar a pressão de contato de interferência, a tensão de contato e estabilidade de face para uma variedade de geometrias de anéis primários através de uma ampla faixa de temperaturas e pressões operacionais ou um conjunto específico de temperaturas e pressões. O desenho otimizado é termicamente insensível e tem uma distribuição de tensão de contato axialmente constante na região de ajuste por interferência. Os parâmetros de controle: porção interna de pé 34, porção externa de pé 38, porção de canela 48, porção de cubo 50 e porção de coxa 44 podem ser ajustados em espessura e comprimento para acomodar geometrias de anel primário variáveis. Geometrias de vedação primária que tendem a ser mais assimétricas em torno do centro seccional transversal de gravidade/rotação requererão mais assimetria nos comprimentos e espessuras desses parâmetros de controle. A localização relativa do envoltório de peça frontal com relação à vedação primária também é um parâmetro de controle de desenho para gerenciar melhor a obstrução da face devido ao relaxamento do ajuste por interferência, causado por mudanças na temperatura.

[0043] O desenho com ajuste por interferência entre o envoltório 12 e o anel primário 14 elimina a necessidade de quaisquer componentes de vedação secundários, tais como a grafita flexível descrita na patente U.S. N° 4.971.337, o que pode ser problemático porque sua superfície desigual está em contato com a parte posterior do envoltório, a marca da qual pode ser transmitida, parcialmente, para a face de vedação. O envoltório de peça frontal 22 é unido ao envoltório de peça traseira 24, após o ajuste por interferência inicial do envoltório de peça frontal 22 com o anel primário 14. Esse processo elimina tensões e momentos de curvatura na área da articulação, que estão presentes nas disposições tradicionais de peça única, como o conjunto de vedação mostrado na figura 1.

[0044] Nesta modalidade, o diâmetro nominal de interferência Ds, que também é chamado de o diâmetro de vedação, é projetado para ficar muito perto do Diâmetro Medido Efetivo EDz do fole, conforme mostrado na figura 5. O Diâmetro Efetivo ou "ED" de um fole é um diâmetro fictício superior no qual a pressão aplicada penetra efetivamente para exercer uma força de fechamento sobre a vedação. Isso é parecido com o "diâmetro de equilíbrio" de uma vedação do tipo impulsor. O Diâmetro Médio Efetivo é um diâmetro efetivo teórico em pressão diferencial zero aplicada sobre o anel de vedação 14, que é tomado para ser a média aritmética dos diâmetros externo e interno do núcleo do fole. A face de vedação 52 do anel primário 14 é desenhada de modo que a posição do Diâmetro Médio Efetivo dá origem a um equilíbrio inicial em pressão diferencial zero, em que a linha central radial da face de vedação 52 está perto do Diâmetro Médio Efetivo EDz, conforme mostrado na figura 5.

[0045] O anel primário 14 desta modalidade particular é assimétrico e equilibrado. Esse anel primário 14 é considerado assimétrico porque os dois lados do anel primário 14, localizados axialmente de seu centro de gravidade CG, não são simétricos. Esse anel primário é considerado equilibrado porque a linha central radial da face de vedação 52 está localizada perto do diâmetro efetivo EDz do fole 16 em pressão diferencial zero.

[0046] Quando o diferencial de pressão externa total é aplicado, o diâmetro efetivo do fole se desloca para baixo, para um valor menor EDOD, conforme mostrado nas figuras 5 e 8. Mais uma vez, a face de vedação foi desenhada de modo que o desvio de ED acima aumenta a relação de equilíbrio para um nível adequado, o qual está baseado na experiência anterior com vedações convencionais, de modo que o vazamento é minimizado com desgaste ótimo.

[0047] A figura 8 mostra a pressão externa atuando sobre o anel primário 14. Como visto, enquanto a pressão externa total atua sobre a porção que se projeta do anel primário 14 fora a porção de extremidade de ponta 30 do envoltório 12, na face 52, contudo, a pressão diminui para um nível diferencial zero no ID. Embora, o perfil de pressão de face seja mostrado como sendo linear, que é o caso com interface de vedação paralela, na realidade, ele poderia ser curvado para dentro ou para fora, dependendo da obstrução da face operacional.

[0048] A força axial líquida que atua sobre o anel primário está tendendo a causar deslizamento axial entre o anel primário 14 e o envoltório 12 na região de contato e empurra o anel primário 14 em direção ao envoltório de peça traseira 24. Além disso, a face do anel correspondente, não mostrada na figura 8, tende a causar deslizamento rotacional na região de contato devido à carga de contato de face e ao atrito de interface correspondente. A força líquida de deslizamento axial pode ser mostrada como sendo aproximadamente igual à pressão externa vezes a área anular entre o diâmetro de vedação em pressão externa total mais a carga de mola inicial do fole. O nível da interferência inicial entre o envoltório 12 e o anel primário 14 é escolhido de modo que, na pressão externa total e na temperatura operacional máxima, o nível médio da pressão de contato é mais do que adequado para resistir ao deslizamento do anel primário na direção axial bem como rotacional.

[0049] Similarmente, quando a pressão diferencial interna total é aplicada, o diâmetro efetivo do fole se desloca para cima de EDz para EDID, conforme mostrado nas figuras 5 e 9. Similar à situação da pressão externa, o desenho da face de vedação assegura que a nova relação de equilibro na pressão interna total satisfaz à exigência do desenho.

[0050] Através da localização do diâmetro de interface Ds muito perto do diâmetro efetivo EDz do fole em pressão diferencial zero, a força líquida axial na direção axial é minimizada sob pressão interna e pressão externa como proporcionado acima. De preferência, o diâmetro de interface Ds está dentro de mais ou menos 10% (+10% e -10%) do diâmetro efetivo EDz do fole, em pressão diferencial zero. Mais preferivelmente, o diâmetro de interferência Ds está dentro de +6% e - 6% do diâmetro efetivo EDz do fole em pressão zero. É importante minimizar as forças hidráulicas que atuam em uma direção axial para mover a vedação primária em relação ao envoltório. À medida que essas forças aumentam, a quantidade de força de contato proporcionada pelo ajuste por interferência deve ser aumentada para impedir o movimento.

[0051] Como discutido acima, embora o diâmetro do ajuste por interferência não mude, o diâmetro efetivo varia com a pressão do sistema. Dependendo da aplicação, pode ser desejável impulsionar o diâmetro de interferência em direção ao extremo da faixa de desvio de diâmetro efetivo.

[0052] Mais uma vez, como antes, a força axial líquida sobre o anel primário 14 que está tendendo a causar deslizamento axial é aproximadamente igual à pressão interna vezes a área anular entre o diâmetro efetivo e o diâmetro de vedação mais a carga de mola inicial do fole. Mais uma vez, o nível de interferência inicial é escolhido de modo que a magnitude média da pressão de contato na pressão interna total e na temperatura operacional máxima é mais do que adequada para resistir a qualquer deslizamento do anel primário.

[0053] Portanto, esse desenho é capaz de lidar com aplicações em pressão externa ou pressão interna com um único fole, ao passo que alguns desenhos anteriores requeriam dois foles de tamanhos diferentes para obter a mesma tarefa. Muitos testes bem-sucedidos foram feitos no laboratório para confirmar essa capacidade.

[0054] A figura 5 mostra uma configuração viável do envoltório de peça frontal, há outras modalidades que podem ser especializadas a partir dessa forma geral. Essas formas incluem, mas não estão limitadas a isso, a porção de pé interna 34 sendo mais curta e/ou mais espessa do que a porção de pé externa 38, a porção de canela 40 mais curta e/ou mais espessa do que aquilo que é mostrado, ausência da porção de cubo 50, ausência de porção de pé interna 34 ou da porção de pé externa 38 e similares.

[0055] Além disso, duas configurações de nariz de anel primário possíveis são mostradas nas figuras 5 e 6, uma tendo um nariz embotado 54, conforme mostrado na figura 5, e a outra tendo um nariz escalonado 56, conforme mostrado na figura 6. A configuração de nariz embotado 54 é usada, tipicamente, com os materiais rígidos de anel primário, por exemplo, carbonetos de silício e tungstênio, enquanto a configuração de nariz escalonado 56 é usada, tipicamente, com os materiais mais macios como carbono. Também, as figuras 5 e 6 mostram duas configurações possíveis do envoltório de peça traseira 24. Na configuração convencional, conforme mostrado na figura 5, esse diâmetro interno (ID) de envoltório de peça traseira 24 é estendido para baixo, em 58, em direção ao diâmetro interno do anel primário 14. Na segunda configuração, conforme mostrado na figura 6, o envoltório de peça traseira 24 é truncado em 60 para ter um ID maior.

[0056] Para montar o conjunto de anel primário 10, conforme mostrado na figura 5, o anel primário 14 é primeiro ajustado por interferência no envoltório de peça frontal 22, que é, então, soldado no envoltório de peça traseira 24 e no fole 16. A forma do envoltório de peça frontal 22 foi otimizada de tal maneira que a extensão da região de contato entre sua porção de pé de encaixe 30 e o anel primário 14 é quase 100%, estendendo-se de sua porção de calcanhar 40 até a junta 42, conforme ilustrado pela distribuição de pressão de contato PDZ na figura 7. Em contraste, um conjunto de anel primário 510, convencionalmente ajustado por interferência, terá um contato relativamente concentrado perto da porção de calcanhar 540, estendendo-se através de cerca de 20% do comprimento da porção de pé correspondente, conforme ilustrado na figura 2. Em conseqüência, a pressão máxima de contato do desenho de HTC, conforme mostrado na figura 7, é diversas vezes menor do que aquela de um desenho convencional para o mesmo nível da interferência mostrada na figura 2.

[0057] O anel primário 14 é posicionado em uma profundidade ótima com relação à porção de pé de envoltório 30, de modo a ter um momento líquido perto de zero em torno de seu centro da gravidade/rotação, devido à distribuição de pressão de contato PDZ acima. Essa situação deixará a face de vedação 52 permanecer quase plana, sem qualquer obstrução perceptível. Essa descoberta analítica tem sido verificada repetidamente no laboratório. Isso significa que o anel primário posicionado otimamente, que está em um "estado livre de tensões"antes da operação de ajuste por interferência, permanecerá livre de qualquer momento de torção devido à pressão de contato em seu "estado completamente tensionado", após a operação de ajuste por interferência. Em conseqüência, a face de vedação de anel primário 52, que, inicialmente, estava plana, permanecerá plana após o ajuste por interferência no envoltório de peça frontal na posição ótima. Esse é um comportamento sem precedentes, não observado com um desenho de vedação tradicionalmente encaixada por interferência.

[0058] Com o aumento na temperatura, à medida que a interferência efetiva entre o envoltório 12 e o anel primário 14 diminui por causa de suas características de expansão térmica diferencial, o nível da pressão de contato na região de ajuste por interferência diminui, igualmente. Em conseqüência, o envoltório 12 e o anel primário 14 relaxarão, gradualmente, do "estado completamente tensionados", relativamente, para um "estado menos tensionados". Contudo, no desenho otimizado, o momento líquido devido à distribuição de pressão de contato correspondente (embora em um nível reduzido) em torno do centro de rotação de anel primário permanece quase zero, durante esse processo de relaxamento de tensão e, como um resultado, a face de vedação 52 tende a permanecer em condição de planura quase perfeita através de toda a faixa de operação de temperatura.

[0059] Quando pressão externa total é aplicada sobre o anel primário 14, a magnitude e a distribuição da pressão de contato mudam e o envoltório 12 e o anel primário 14 tendem a se separar perto da junta 42. O grau dessa separação depende da interferência inicial e da temperatura e da pressão aplicadas. A figura 8 mostra uma distribuição de pressão de contato PDOD, com o contato se estendendo através de cerca de 70% do comprimento da porção de pé. Essa extensão de contato é muito maior do que aquela com um conjunto de anel primário 510 convencional da técnica anterior para o qual ela é cerca de 15% sob circunstâncias similares, conforme mostrado na figura 3. Esse suporte de contato relativamente maior, de modo inerente, dá origem à estabilidade de face relativa maior, visto que o anel primário 14 é inibido de rotação devido a qualquer momento líquido desequilibrado, causado pela aplicação de pressão.

[0060] Por outro lado, quando pressão interna é aplicada ao anel primário 14, a região de contato, mais uma vez, tende a se estender através de 100% da porção de pé de encaixe 30, conforme mostrado pela distribuição de pressão de contato PDID representativa na figura 9, dando suporte acionado ao anel primário 14 e transmitindo estabilidade de face relativamente acentuada sob essa condição de pressão, como antes.

[0061] Através do processo de otimização, o envoltório de peça frontal 22 e o anel primário 14 são desenhados de maneira a obter deflexão nominal de face de quase zero, quando o anel primário 14 é ajustado por interferência no envoltório 12, de modo que a planura de face mudará muito pouco (por exemplo, umas poucas bandas leves de Hélio) com temperatura até a temperatura operacional e qualquer de suas excursões. Em segundo lugar, o desenho é ainda otimizado de modo que magnitudes de obstrução de face, devido às condições de pressões externa e interna, não são apenas minimizadas, mas também bastante iguais em magnitude, de modo que um comportamento simétrico é obtido com as direções de aplicação de pressão. Tipicamente, com a pressão externa, a obstrução de face está na direção de "OD alto", enquanto com a pressão interna está na direção de "ID alto". As magnitudes da obstrução de face para as pressões externa e interna não são apenas feitas quase iguais através do processo de otimização, mas também esses valores são apreciavelmente menores do que aqueles para uma vedação de ajuste por interferência convencional. Pode ser notado que alta obstrução de face pode ser responsável por vazamentos maiores, bem como desgaste de face acelerado.

[0062] Há diversas vantagens com esse novo desenho de vedação de HTC que concretiza a presente invenção quando comparado com uma vedação convencional. O desenho de vedação que concretiza a presente invenção proporciona contato completo ou quase completo através da região de ajuste por interferência e leva à estabilidade de face altamente acentuada, com temperatura e pressão operacionais em comparação com uma vedação de ajuste por interferência convencional. Além disso, por causa de um comprimento de contato estendido e distribuição de pressão de contato relativamente uniforme, nível muito maior de interferência é possível entre o envoltório e o anel primário, sem tensionar indevidamente o anel primário localmente e causar o seu rompimento.

[0063] Deve ser notado que, embora a modalidade acima descreva os princípios de desenho de vedação de HTC em associação com um conjunto de anel primário, os princípios do desenho da vedação de HTC são igualmente aplicáveis a um conjunto de anel correspondente, conforme discutido abaixo. O conjunto de anel primário 10 da presente invenção, descrito acima, pode ter um conjunto de anel correspondente 70A de um desenho convencional, conforme mostrado na figura 10 ou um conjunto de anel correspondente 70B, incorporando os princípios de vedação de HTC da presente invenção, conforme mostrado na figura 11.

[0064] O conjunto de anel correspondente 70B, incorporando os princípios de HTC, inclui um envoltório de anel correspondente 72 e um anel correspondente 74. Materiais possíveis para a construção do anel correspondente 74 incluem carbono, carbono impregnado, carboneto de tungstênio, carboneto de silício, composto de grafita de carbono/silício e bronze. O envoltório de anel correspondente 72 é composto de duas peças - uma peça frontal 76 e uma peça traseira 78, que são soldadas uma à outra em sua junção 80. Materiais possíveis para a construção de peças de envoltório 76 e 78 de anel correspondente incluem Liga 718, Liga 625, Liga 620, Liga 20, Hastelloy, AM 350 e aço inoxidável. De preferência, o material para a construção de peças de envoltório de anel correspondente 76 e 78 é liga 718. Similar à peça frontal 22 do envoltório de anel primário 12, a peça frontal 76 do envoltório de anel correspondente 72 tem uma porção de pé de encaixe 82 em que o anel correspondente 74 é ajustado por interferência. A porção de pé de encaixe 82 do envoltório de anel correspondente 72 define uma superfície de encaixe 84 para encaixe de ajuste por interferência com o anel correspondente 74. A porção de pé 82 tem uma porção de pé interna 86, uma porção média de pé 88 e uma porção externa de pé 90. A região de contato da superfície de encaixe 84 na peça traseira da porção de pé de encaixe é a porção de calcanhar 92 e sua parte frontal é a junta 94. Entre a porção interna de pé 86 e a região de envoltório superior ou porção de coxa 96, há uma reentrância 98, em que a região anular unida à porção de coxa 96 e à porção de pé 82 é a porção de canela 100.

[0065] As dimensões (por exemplo, comprimentos espessuras) de todas essas regiões supracitadas, descritas nos parágrafos anteriores, incluindo as dimensões do anel correspondente, são tratadas como parâmetros para o processo de otimização. A localização do anel correspondente com relação à porção de pé também é um parâmetro de otimização. Através da variação da espessura e do comprimento desses parâmetros, a tensão de contato e a estabilidade de face são controladas, resultando em um conjunto específico de temperatura e pressões.

[0066] A figura 12 ilustra um conjunto alternativo de anel primário 210 de acordo com a presente invenção. O anel primário 214 dessa modalidade alternativa é simétrico e desequilibrado. Esse anel primário é considerado simétrico porque os dois lados do anel primário 214, localizado axialmente de seu centro de gravidade CG, são essencialmente simétricos. Esse anel primário é considerado em desequilíbrio porque a linha central radial da face de vedação 252 não está localizada perto do diâmetro efetivo EDz do fole em pressão diferencial de zero. Deve ser notado que a forma da porção de canela 248 e da porção de pé 230 do envoltório 212 é diferente da forma da porção de canela 48 e da porção de pé 30 do conjunto de anel primário 10 ilustrado na figura 5.

[0067] A figura 13 ilustra um segundo conjunto alternativo de anel primário 310 de acordo com a presente invenção. O anel primário 314 dessa segunda modalidade alternativa é simétrico e equilibrado. Esse anel primário é considerado simétrico porque os dois lados do anel primário 314, localizados axialmente de seu centro de gravidade CG, são essencialmente simétricos. Esse anel primário é considerado em equilíbrio porque a linha central radial da face de vedação 352 está localizada perto do diâmetro de efeito EDz do anel-O 316 em pressão diferencial zero. Deve ser notado que a forma da porção de canela 348 e da porção de pé 350 do envoltório 312 é diferente da forma das porções de canela 48 e 248 e das porções de pé 30 e 230 dos conjuntos de anel primário 10 e 210, ilustrados nas figuras 5 e 12.

[0068] Diferenças nas formas das porções de canela e das porções de pé das modalidades ilustradas nas figuras 5, 12 e 13 mostram que as dimensões geométricas ótimas da porção de canela e da porção de pé variam devido à forma do anel primário e da linha central radial da face de vedação em relação ao diâmetro efetivo EDz do fole/anel-O em pressão diferencial zero.

[0069] Vários aspectos da presente invenção foram explicados com referência às modalidades mostradas e descritas. Deve ser compreendido que numerosas modificações podem ser feitas sem afastamento do espírito e do escopo da invenção, como definido pelas reivindicações anexas.

Claims (4)

1. Conjunto de vedação para uso com um eixo giratório, o conjunto de vedação que compreende: um anel de vedação anular (14) definindo um elemento interior que tem uma superfície anular que se estende axialmente (53) e uma face de vedação que se estende radial (52), cuja área transversal tem um centro de gravidade (CG); um fole (16) definindo um diâmetro efetivo em pressão diferencial de zero aplicada no referido anel de vedação (14); e um envoltório de anel de vedação anular (12) tendo uma peça frontal (22) e uma peça traseira (24) presas juntas, a referida peça traseira (24) fixada a uma extremidade do referido fole (16), a referida peça frontal (22) definindo um elemento exterior, uma porção de pé (30) definindo uma superfície de encaixe que se estende axialmente (32), caracterizado pelo fato de a referida superfície anular que se estende axialmente do referido anel de vedação anular em encaixe de interferência direto ao longo de um diâmetro de interferência Ds entre a referida superfície de encaixe que se estende axialmente da referida porção de pé e a referida superfície anular que se estende axialmente do referido anel de vedação anular, sendo que a referida superfície de encaixe é posicionada de modo a ter um momento próximo a zero ao redor do referido centro de gravidade devido a tal encaixe, em que a interface da referida porção de pé (30) com o referido anel de vedação (14) define um diâmetro de interferência (Ds), em que o diâmetro de interferência (Ds) está dentro de +10% e -10% do referido diâmetro efetivo do referido fole (16) em pressão diferencial de zero.

2. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro de interferência (Ds) está dentro de + 6% e - 6% do referido diâmetro efetivo do referido fole (16) em pressão diferencial de zero (Edz).

3. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido envoltório de anel de vedação (12) ainda inclui uma junta soldada prendendo a referida peça frontal (22) na referida peça traseira (24).

4. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido envoltório de anel de vedação (12) é formado de Liga 718.

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