BRPI0708582A2 - vedação mecánica com estabilidade de face acentuada - Google Patents

Abstract

VEDAçãO MECáNICA COM ESTABILIDADE DE FACE ACENTUADA. 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 anel de vedação. A interface da porção de pé com o anel de vedação define um diâmetro de interferência. é preferível que o comprimento axial da porção de pé é maior do que o comprimento axial da porção de canela. Também é preferível que a relação do comprimento axial da porção de pé interna em sua superfície de encaixe para o comprimento axial da porção de pé em sua superfície de encaixe é maior do que 0,5. Ainda é preferível que o diâmetro de interferência esteja dentro de + 10% e - 10% do diâmetro efetivo do fole em pressão diferencial de zero.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VEDAÇÃOMECÂNICA COM ESTABILIDADE DE FACE ACENTUADA".

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

Antecedentes da Invenção

A presente invenção refere-se a conjuntos de vedação de facede extremidade mecânica. Mais particularmente, refere-se a conjuntos devedação adequados para aplicações em uma ampla faixa de ambientes ope-racionais de temperatura e pressão.

Bombas, principalmente aquelas em refinarias e instalaçõesquímicas, freqüentemente, lidam com líquido difíceis de vedar, incluindo pro-pano, butano e outros líquidos instáveis, combustíveis ou tóxicos. Esses lí-quidos podem causar encurtamento da durabilidade da vedação e vazamen-to indesejável de produtos, estimulando o esquecimento da saúde púbiica edas regulamentações de segurança para emissão de bomba.

Conjuntos de vedação de face de extremidade mecânica sãoconhecidos e representam uma solução de sucesso para vazamento de pro-dutos. Conjuntos de vedação de face de extremidade mecânica encontramampla aplicação na vedação de líquidos em bombas tendo um alojamento eum eixo giratório que se estende. Os conjuntos de vedação usualmente in-cluem um par de anéis de vedação anulares que definem um par de facesde vedação anulares relativamente radiais impulsionadas juntas para definiruma interface de vedação. Esses anéis de vedação são suportados no eixoe no alojamento por componentes de montagem. Um anel de vedação, oanel primário, é móvel axialmente e é impelido por uma mola de compressãoou 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 devedação pode incluir uma vedação única ou uma vedação dupla, onde umapressão de fluido amortecedor é fornecida em uma pressão maior do que ado fluido de processo a ser vedado, a fim de impedir vazamento do fluido doprocesso através da face do anel de vedação. Essas vedações mecânicasestão disponíveis de John Crane, Inc. e são descritas nas patentes U.S. NQs5.901.965 e 5.954.341, cujas descrições são aqui incorporadas através dereferência. A presente invenção representa um refinamento nas vedaçõesmecânicas do tipo nas patentes U.S. NQs 5.901.965 e 5.954.341.

A figura 1 mostra um conjunto de anel primário convencional(técnica anterior) 510 de uma vedação mecânica. O conjunto de anel primá-rio 510 da vedação mecânica inclui um anel primário 514 encaixado contraum envoltório de anel primário 512, usando um encaixe por pressão ou umatécnica de encaixe por encolhimento térmico e um fole 516 anexado de umlado do envoltório do anel primário 512. O encaixe por pressão ou o encaixepor encolhimento térmico proporciona um encaixe por interferência muitoapertado entre o anel primário 514 e o envoltório de anel primário 512, emque o anel primário 514 é fixado, radial e axialmente, no envoltório de anelprimário 512. No encaixe por pressão, partes correspondentes, em que adimensão externa ao elemento interior é a mesma que, ou ligeiramente mai-or do que, a dimensão interior do elemento exterior, são forçadas juntas. Noencaixe por encolhimento, as partes são unidas por contração (encolhimen-to) da parte interior através de resfriamento e inserção da parte interior naparte exterior. A expansão subseqüente da parte interior através de seu re-torno à temperatura ambiente assegura um ajuste apertado. Alternativamen-te, as partes são unidas por meio de expansão da parte exterior através deaquecimento e inserção da parte interior na parte exterior. A contração sub-seqüente da parte exterior por meio de seu retorno à temperatura ambienteassegura um ajuste apertado.

O ajuste por interferência entre o anel primário 514 e o envoltó-rio de anel primário 512 atua como uma vedação estática secundária, proi-bindo o fluido do processo vedado de vazar entre o anel primário 514 e oenvoltório de anel primário 512. Também, o atrito de contato entre o anelprimário 514 e o envoltório de anel primário 512, causado pelo ajuste porinterferência, proíbe o movimento circunferencial relativo do anel primário514 com relação ao envoltório de anel primário 512.

A quantidade de interferência para um dado tamanho de veda-ção depende do diâmetro nominal de interferência, dos coeficientes de ex-pansão térmica diferencial do envoltório e dos materiais de construção doanel primário e da temperatura operacional máxima. Os valores representa-tivos do coeficiente de expansão térmica de alguns materiais típicos paraenvoltório e anel primário são apresentados na Tabela 1.

TABELA 1

Coeficientes de Expansão Térmica Típicos (X10~6 m/m K (in/in9F))Materiais de Envoltório Materiais de Anel Primário

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A Liga 718 e a Liga 42, materiais possíveis para formação doenvoltório, são bem-conhecidas e estão disponíveis comercialmente de di-versos fornecedores de material. Como visto, a Liga 42 tem um baixo coefi-ciente de expansão térmica, que corresponde intimamente àquele dos mate-riais do anel primário e, portanto, algumas vezes é uma boa escolha como omaterial de construção do envoltório. Infelizmente, as aplicações em altatemperatura, contendo ácidos orgânicos corrosivos e compostos com altoteor de enxofre, tendem a corroer prontamente o envoltório da Liga 42. Umaprática comum na indústria é aplicar um cromado ao componente do envol-tório da Liga 42 para protegê-lo do ataque corrosivo. Contudo, esse cromadonão é considerado ser efetivo, visto que serve apenas no prolongamento dainevitabilidade da invasão corrosiva.

Há também uns poucos desafios associados com a construçãodo envoltório a partir da Liga 718, quando usado com um desenho conven-cional de anel primário ajustado por interferência. A figura 2 mostra um dia-grama de um desenho convencional (técnica anterior), que tem um envoltó-rio de anel primário 514 de peça única. Uma distribuição de pressão de con-tato típica PDz para essa vedação convencional também é mostrada na figu-ra 2. Como visto na figura 2, a extensão do contato é confinada à região bas-tante estreita perto da peça em formato de calcanhar 540 da porção de péde encaixe 530. Essa região de contato estreita cria uma folga pequena 543perto da junta 542 da porção de pé de encaixe 530. A figura 3 mostra a dis-tribuição de pressão de contato PD0d sob temperatura operacional total epressão externa aplicada sobre o anel primário 514 pelo líquido do proces-so/barreira. A figura 4 mostra a distribuição de pressão de contato PDid sobtemperatura operacional total e pressão interna aplicada sobre o anel primá-rio pelo líquido do processo/barreira.

Outro desafio associado com a disposição do envoltório de anelprimário 512 de uma peça, conforme mostrado na figura 1, é que, durante oajuste por interferência do anel primário 514 com o envoltório de anel primá-rio 512, altas tensões e momentos de curvatura são criados na área da arti-culação 513 do envoltório 512. Essas altas tensões de curvatura podem fa-zer com que o envoltório 512 quebre ou frature na articulação 513, durante oprocesso de ajuste por interferência.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é uma vista seccional transversal de um conjunto deanel primário convencional (técnica anterior) de uma vedação mecânica defole.

A figura 2 é um diagrama seccional transversal de corpo livre doconjunto de anel primário convencional (técnica anterior) da figura 1, mos-trando distribuição de pressão de contato sob temperatura ambiente e ne-nhuma pressão diferencial aplicada sobre o anel primário pelo líquido doprocesso/barreira.

A figura 3 é um diagrama seccional transversal de corpo livre doconjunto de anel primário convencional (técnica anterior) da figura 1, mos-trando forças e distribuição de pressão de contato sob temperatura opera-cional total e pressão externa aplicada sobre o anel primário pelo líquido doprocesso/barreira.

A figura 4 é um diagrama seccional transversal de corpo livre doconjunto de anel primário convencional (técnica anterior) da figura 1, mos-trando forças e distribuição de pressão de contato sob temperatura opera-cional total e pressão interna aplicada sobre o anel primário pelo líquido doprocesso/barreira.

A figura 5 é uma vista seccional transversal de um conjunto deanel primário de uma vedação mecânica de fole que concretiza os aspectosda presente invenção.

A figura 5A é uma vista seccional transversal de um anel primá-rio e alternativo e um envoltório de anel primário alternativo que concretizaos aspectos da presente invenção.

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

A figura 7 é um diagrama seccional transversal de corpo livre doconjunto de anel primário da figura 5, mostrando distribuição de pressão decontato sob temperatura ambiente e nenhuma pressão diferencial sobre oanel primário pelo líquido do processo/barreira.

A figura 8 é um diagrama seccional transversal de corpo livredo conjunto de anei primário da figura 5, mostrando forças de contato e dis-tribuição de pressão de contato sob temperatura operacional completa epressão externa aplicada pelo líquido do processo/barreira.

A figura 9 é um diagrama seccional transversal de corpo livre doconjunto de anel primário da figura 5, mostrando forças de contato e distribu-ição de pressão de contato sob temperatura operacional completa e pressãointerna aplicada pelo líquido do processo/barreira.

A figura 10 é uma vista seccional transversal da unidade de anelprimário da figura 5 usada em conjunto com uma unidade de anel corres-pondente convencional.

A figura 11 é uma vista seccional transversal da unidade de anelprimário da figura 5 usada em conjunto com uma unidade de anel corres-pondente que concretiza os aspectos da presente invenção.

A figura 12 é uma vista seccional transversal de um conjunto deanel primário alternativo que concretiza os aspectos da presente invenção,com um anel primário simétrico, não equilibrado.A figura 13 é uma vista seccional transversal de um conjunto deanel primário alternativo, que. concretiza os aspectos da presente invenção,com um anel primário simétrico, equilibrado.

Descrição Detalhada da Modalidade Ilustrada

A corrosão de matérias brutas em alta temperatura está se tor-nando uma grande preocupação nas refinarias devido ao uso aumentado dematérias brutas ácidas contendo os ácidos orgânicos e compostos sulfuro-sos acima. Uma das modalidades da presente invenção chama atenção paraa metalurgia completa da Liga 718, que é resistente ao ataque corrosivo,mesmo em alta temperatura. Além disso, a Liga 718 tratada pelo calor man-tém sua resistência inerente muito melhor em altas temperaturas, por exem-plo, 426,7°C (800°F) ou mais. Como visto na Tabela 2, a Liga 42 não só temuma resistência relativa muito menor em temperatura ambiente, mas tam-bém sua resistência cai consideravelmente em temperaturas mais altas. Poroutro lado, a Liga 718 não só é diversas vezes mais forte do que a Liga 42em temperatura ambiente, mas também mantém a alta resistência muito me-ihor em temperatura mais alta do que a Liga 42.

TABELA 2

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Portanto, uma escolha natural do material de envoltório para a-plicações corrosivas em alta temperatura é a Liga 718. Contudo, como vistona Tabela 1, o coeficiente de expansão térmica diferencial entre um envoltó-rio da Liga 718 e um material de anel primário comumente usado é muitomaior do que aquele com a Liga 42. Portanto, uma interferência muito maioré requerida entre eles a fim de manter o envoltório adequadamente presoem operações em alta temperatura. Tipicamente, dependendo do tamanho,a interferência diametral requerida para um envoltório de Liga 718 e um anelprimário típico oscila de 0,25 - 0,76 milímetro (0,010 - 0,030 polegada), en-quanto o mesmo para a Liga 42 está nas proximidades de 0,05 - 0,13 milí-metro (0,002 - 0,005 polegada).

O desenho de vedação mecânica da presente invenção propor-ciona estabilidade de face altamente aperfeiçoada, comparado com dese-nhos de vedações mecânicas da técnica anterior porque ele é termicamenteinsensível e mantém tensões de contato axialmente constantes na região deajuste por interferência do envoltório/adaptador. A vedação pode se adaptara uma ampla faixa de extremos de temperatura encontrados em aplicaçõestais como bombas que operam em ambientes corrosivos em alta temperatu-ra em unidades de destilação das refinarias. Essa estabilidade de face, bemcomo a integridade estrutural dos componentes, é mantida mesmo com umaquantidade relativamente alta do ajuste por interferência entre o envoltório eo anel primário. Esse alto nível de interferência é essencial para acomodarcoeficientes de expansão térmica amplamente diferentes dos materiais doenvoltório e do anel de vedação, os quais são ditados por uma aplicaçãodemandante, descrita acima. Essa estabilidade de face excepcional resultaem vazamento reduzido e durabilidade potencialmente maior da vedação.

Essa vedação pode ser projetada com dupla capacidade de pressão, a qualpode operar com líquido do processo/barreira de pressão mais alta na locali-zação externa ou interna.

A invenção em questão do conjunto de anel de vedação podeser presa estacionária no alojamento, que é capaz de lidar com aplicaçõesem alta velocidade de eixo e alto desalinhamento de câmara de eixo paravedação, ou pode ser montada no eixo, destinada a aplicações onde umavedação giratória, de alta resistência, confiável, é preferida. Alguns limitesoperacionais típicos são:

Limites de temperatura: -73,3°C (-100°F) a 426,7°C (800°F)Limites de pressão: < 2,07 MPa (300 psid) com foles de dobra única

> 2,07 MPa (300 psid) com foles de dobras múltiplas (capacida-de de pressão externa ou interna).

Limites de velocidade de face: 50,8 m/s (10.000 fpm) (disposi-ção estacionária).25,4 m/s (5.000 fpm) (disposição giratória).

Características do fluido: corrosivo ou não-corrosivo.

As figuras 5 e 6 ilustram uma modalidade de um conjunto deanel primário 10 que concretiza a presente invenção. O conjunto de anelprimário 10 inclui um envoltório de anel primário 12, um anel primário 14 efole 16. Um eixo giratório 18, centralizado em torno de um eixo geométricolongitudinal 20, se estende através do conjunto de anel primário 10. Deveser notado que o termo axial e axialmente como usado na descrição dasmodalidades significa longitudinalmente ao longo do eixo geométrico 20 doeixo 18. Os termos radial e radialmente, conforme usados na descrição dasmodalidades, significam em um plano em geral perpendicular ao eixo geo-métrico 20 do eixo 18, em direção e para longe do eixo giratório.

O anel primário 14 define uma superfície anular externa, que seestende axialmente, 53 e uma face de vedação que se estende radialmente52. A superfície anular externa 53 é uma seção da superfície externa do anelprimário 14 adaptada para encaixe com o envoltório 12, a ser discutido maisabaixo. Deve ser notado que a superfície anuiar externa 53 não é, necessa-riamente, uma superfície radialmente externa, como evidenciado pela super-fície anular adjacente à face de vedação 52, localizada mais radialmentepara fora. A face de vedação 52 do anel primário 52 é adaptada para encai-xe 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.

O envoltório 12 é composto de duas peças - uma peça frontal22 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 primário22 e 24 incluem Liga 718, Liga 625, Liga 620, Liga 20, Hastelloy, AM 350 eaço inoxidável. De preferência, o material para a construção de peças doenvoltório do anel primário 22 e 24 é a Liga 718. O fole 16 é soldado ao en-voltório de peça traseira 24 em sua junção 28. O fole 16 pode ser de umaconstrução de dobra única ou de múltiplas dobras. Materiais possíveis paraa construção do fole 16 incluem a Liga 718, Hastelloy, AM350, Liga 20 e açoinoxidável.. De preferência, o material para a construção do fole 16 é a Liga718. Daqui em diante, esse novo desenho, o objeto da exposição da inven-ção corrente, será referido como vedação para aplicação em alta temperatu-ra e corrosiva ou selo de "HTC", resumidamente.

Essa disposição de envoltório em duas peças utiliza uma formageométrica otimizada que pode ser bastante intrincada, mas pode ser usina-da na peça frontal 22. A meta final tem sido obter estabilidade de face devedação ótima através das faixas operacionais de temperatura e pressão,tendo quantidade mínima de obstrução de face em ambas as direções, oque é conhecido comumente como "OD" ou "alto ID". Essa estabilidade deface acentuada, por sua vez, resulta em vazamento reduzido e maior durabi-lidade da vedação. O desenho otimizado, em duas peças, pode ser usadopara anexar uma face de vedação aos desenhos de vedação mais tradicio-nais (isto é, impulsor) com benefícios de desempenho similares.

O envoltório de peça frontal 22 é mostrado para ter uma porçãode 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 es-tende axialmente 32 para encaixe de ajuste por interferência com a superfí-cie anular 53 do anel primário 14. A porção de pé 30 tem uma porção de péinterna 34, uma porção de pé média 36 e uma porção de pé externa 38. Aregião de contato da superfície de encaixe 32 na parte posterior da porçãode pé de encaixe é a peça em formato de calcanhar 40 e sua parte frontal éa junta 42. Entre a porção de pé interna 34 e uma região de envoltório supe-rior ou porção de coxa 44, existe um recesso 46, onde a região anular unin-do a porção de coxa 44 e a porção de pé 30 é a porção de canela 48. A por-ção de canela 48 se estende radialmente da porção de pé 30. Pode havertambém uma porção de cubo que se estende radialmente 50 acima da co-nexão da porção de canela 48 com a porção de coxa 44, conforme ilustradona figura 6. Um envoltório frontal 22, com a porção de cubo omitida, é mos-trado pela linha 51 na figura 5. A porção de canela 48 tem um comprimentoaxial 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 péinterna 34 em sua superfície de encaixe, perto da peça em formato de cal-canhar 40, tem um comprimento axial Lh. A porção de pé 30 em sua superfí-cie de encaixe 32 tem um comprimento axial Lf. O comprimento axial Lf daporção de pé 30 em sua superfície de encaixe é, de preferência, maior doque o comprimento axial Ls da porção de canela. Essa região de contatoaumentada entre a porção de pé 30 e o anel primário 14, quando comparadocom os desenhos de vedações da técnica anterior, permite que a pressão decontato na interface seja menos concentrada em um ponto particular.

Para controlar a distribuição de pressão de contato, causada pe-lo ajuste por interferência entre a porção de pé e a superfície correspondentedo anel de vedação, de preferência, a relação (U/Lf) do comprimento Lh daporção de pé interna em sua superfície de encaixe para o comprimento Lf daporção de pé em sua superfície de encaixe é maior do que 0,5. Mais preferi-velmente, a relação (Lh/Lf) do comprimento Lh da porção de pé interna emsua superfície de encaixe para o comprimento Lf da porção de pé em suasuperfície de encaixe está entre 0,556 e 0,625. É importante distribuir essapressão de contato em torno do centro do corpo de rotação para obter ummomento líquido perto de zero na vedação primária. Isso é necessário paramanter a planura à medida que a pressão e a temperatura da aplicação mu-dam. Desenhos de envoltórios tradicionais, tendo uma relação de compri-mento de porção interna de pé para comprimento da porção de pé em suassuperfícies de encaixe mais perto de zero (0) não têm uma pressão de con-tato uniformemente distribuída e mostram dificuldade no controle da planurade face.

As dimensões (por exemplo, comprimentos e espessuras) detodas essas regiões supracitadas descritas nos parágrafos anteriores, inclu-indo as dimensões do anel primário, são tratadas como parâmetros para oprocesso de otimização e são desenhadas iterativamente para obter caracte-rísticas ótimas de desempenho. Esses parâmetros de controle permitem oajuste preciso para controlar a pressão de contato de interferência, a tensãode contato e estabilidade de face para uma variedade de geometrias de a-néis primários através de uma ampla faixa de temperaturas e pressões ope-racionais ou um conjunto específico de temperaturas e pressões. O desenhootimizado é termicamente insensível e tem uma distribuição de tensão decontato axialmente constante na região de ajuste por interferência. Os parâ-metros de controle: porção interna de pé 34, porção externa de pé 38, por-ção de canela 48, porção de cubo 50 e porção de coxa 44 podem ser ajus-tados em espessura e comprimento para acomodar geometrias de anel pri-mário variáveis. Geometrias de vedação primária que tendem a ser mais as-simétricas em torno do centro seccional transversal de gravidade/rotaçãorequererão mais assimetria nos comprimentos e espessuras desses parâme-tros de controle. A localização relativa do envoltório de peça frontal com re-lação à vedação primária também é um parâmetro de controle de desenhopara gerenciar melhor a obstrução da face devido ao relaxamento do ajustepor interferência, causado por mudanças na temperatura.

O desenho com ajuste por interferência entre o envoltório 12 e oanel primário 14 elimina a necessidade de quaisquer componentes de veda-ção secundários, tais como a grafita fiexívei descrita na patente U.S. Nq4.971.337, o que pode ser problemático porque sua superfície desigual estáem contato com a parte posterior do envoltório, a marca da qual pode sertransmitida, parcialmente, para a face de vedação. O envoltório de peçafrontal 22 é unido ao envoltório de peça traseira 24, após o ajuste por interfe-rência inicial do envoltório de peça frontal 22 com o anel primário 14. Esseprocesso elimina tensões e momentos de curvatura na área da articulação,que estão presentes nas disposições tradicionais de peça única, como oconjunto de vedação mostrado na figura 1.

Nesta modalidade, o diâmetro nominal de interferência Ds, quetambém é chamado de o diâmetro de vedação, é projetado para ficar muitoperto do Diâmetro Medido Efetivo EDz do fole, conforme mostrado na figura5. O Diâmetro Efetivo ou "ED" de um fole é um diâmetro fictício superior noqual a pressão aplicada penetra efetivamente para exercer uma força defechamento sobre a vedação. Isso é parecido com o "diâmetro de equilíbrio"de uma vedação do tipo impulsor. O Diâmetro Médio Efetivo é um diâmetroefetivo teórico em pressão diferencial zero aplicada sobre o anel de vedação14, que é tomado para ser a média.aritmética.dps diâmetros externo e inter-no do núcleo do fole. A face de vedação 52 do anel primário 14 é desenhadade modo que a posição do Diâmetro Médio Efetivo dá origem a um equilíbrioinicial em pressão diferencial zero, em que a linha central radial da face devedação 52 está perto do Diâmetro Médio Efetivo EDz, conforme mostradona figura 5.

O anel primário 14 desta modalidade particular é assimétrico eequilibrado. Esse anel primário 14 é considerado assimétrico porque os doislados do anel primário 14, localizados axialmente de seu centro de gravidadeCG, não são simétricos. Esse anel primário é considerado equilibrado por-que a linha central radial da face de vedação 52 está localizada perto do di-âmetro efetivo EDz do fole 16 em pressão diferencial zero.

Quando o diferencial de pressão externa total é aplicado, o diâ-metro efetivo do fole se desloca para baixo, para um valor menor EDod, con-forme mostrado nas figuras 5 e 8. Mais uma vez, a face de vedação foi de-senhada de modo que o desvio de ED acima aumenta a relação de equilíbriopara um nível adequado, o qual está baseado na experiência anterior comvedações convencionais, de modo que o vazamento é minimizado com des-gaste ótimo.

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

A força axial líquida que atua sobre o anel primário está tenden-do a causar deslizamento axial entre o anel primário 14 e o envoltório 12 naregião de contato e empurra o anel primário 14 em direção ao envoltório depeça traseira 24. Além disso, a face do anel correspondente, não mostradana figura 8, tende a causar deslizamento rotacional na região de contato de-vido à carga de contato de face e ao atrito de interface correspondente. A for-ça líquida de deslizamento axial pode ser mostrada como sendo aproximada-mente igual à pressão externa vezes a área anular entre o diâmetro de veda-ção em pressão externa total mais a carga de mola inicial do fole. O nível dainterferência inicial entre o envoltório 12 e o anel primário 14 é escolhido demodo que, na pressão externa total e na temperatura operacional máxima, onível médio da pressão de contato é mais do que adequado para resistir aodeslizamento do anel primário na direção axial bem como rotacional.

Similarmente, quando a pressão diferencial interna total é apli-cada, o diâmetro efetivo do fole se desloca para cima de EDz para EDi0, con-forme mostrado nas figuras 5 e 9. Similar à situação da pressão externa, odesenho da face de vedação assegura que a nova relação de equilibro napressão interna total satisfaz à exigência do desenho.

Através da localização do diâmetro de interface Ds muito pertodo diâmetro efetivo ED2 do fole em pressão diferencial zero, a força líquidaaxial na direção axial é minimizada sob pressão interna e pressão externacomo proporcionado acima. De preferência, o diâmetro de interface Ds estádentro de mais ou menos 10% (+10% e -10%) do diâmetro efetivo EDz dofole, em pressão diferencial zero. Mais preferivelmente, o diâmetro de inter-ferência Ds está dentro de +6% e -6% do diâmetro efetivo EDz do fole empressão zero. É importante minimizar as forças hidráulicas que atuam emuma direção axial para mover a vedação primária em relação ao envoltório.À medida que essas forças aumentam, a quantidade de força de contatoproporcionada pelo ajuste por interferência deve ser aumentada para impediro movimento.

Como discutido acima, embora o diâmetro do ajuste por interfe-rência não mude, o diâmetro efetivo varia com a pressão do sistema. De-pendendo da aplicação, pode ser desejável impulsionar o diâmetro de inter-ferência em direção ao extremo da faixa de desvio de diâmetro efetivo.

Mais uma vez, como antes, a força axial líquida sobre o anelprimário 14 que está tendendo a causar deslizamento axial é aproximada-mente igual à pressão interna vezes a área anular entre o diâmetro efetivo eo ,diâmetro de vedação mais a carga de mola inicial do fole. Mais uma vez, onível de interferência inicial é escolhido de modo que a magnitude média dapressão de contato na pressão interna total e na temperatura operacionalmáxima é mais do que adequada para resistir a qualquer deslizamento doanel primário.

Portanto, esse desenho é capaz de lidar com aplicações empressão externa ou pressão interna com um único fole, ao passo que algunsdesenhos anteriores requeriam dois foles de tamanhos diferentes para obtera mesma tarefa. Muitos testes bem-sucedidos foram feitos no laboratóriopara confirmar essa capacidade.

A figura 5 mostra uma configuração viável do envoltório de peçafrontal, há outras modalidades que podem ser especializadas a partir dessaforma geral. Essas formas incluem, mas não estão limitadas a isso, a porçãode pé interna 34 sendo mais curta e/ou mais espessa do que a porção de péexterna 38, a porção de canela 40 mais curta e/ou mais espessa do que a-quiio que é mostrado, ausência da porção de cubo 50, ausência de porçãode pé interna 34 ou da porção de pé externa 38 e similares.

Além disso, duas configurações de nariz de anel primário possí-veis 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 usa-da, tipicamente, com os materiais rígidos de anel primário, por exemplo, car-bonetos de silício e tungstênio, enquanto a configuração de nariz escalonado56 é usada, tipicamente, com os materiais mais macios como carbono.

Também, as figuras 5 e 6 mostram duas configurações possíveis do envoltó-rio de peça traseira 24. Na configuração convencional, conforme mostradona figura 5, esse diâmetro interno (ID) de envoltório de peça traseira 24 éestendido para baixo, em 58, em direção ao diâmetro interno do anel primá-rio 14. Na segunda configuração, conforme mostrado na figura 6, o envoltó-rio de peça traseira 24 é truncado em 60 para ter um ID maior.

Para montar o conjunto de anel primário 10, conforme mostradona figura 5, o anel primário 14 é primeiro ajustado por interferência no envol-tório_de peça frontal 22, que é, então, soldado no envoltório de peça traseira24 e no fole 16. A forma do envoltório de peça frontal 22 foi otimizada de talmaneira que a extensão da região de contato entre sua porção de pé de en-caixe 30 e o anel primário 14 é quase 100%, estendendo-se de sua porçãode calcanhar 40 até a junta 42, conforme ilustrado pela distribuição de pres-são de contato PDz na figura 7. Em contraste, um conjunto de anel primário510, convencionalmente ajustado por interferência, terá um contato relativa-mente concentrado perto da porção de calcanhar 540, estendendo-se atra-vés de cerca de 20% do comprimento da porção de pé correspondente, con-forme ilustrado na figura 2. Em conseqüência, a pressão máxima de contatodo desenho de HTC, conforme mostrado na figura 7, é diversas vezes menordo que aquela de um desenho convencional para o mesmo nível da interfe-rência mostrada na figura 2.

O anel primário 14 é posicionado em uma profundidade ótimacom relação à porção de pé de envoltório 30, de modo a ter um momentoiíquido perto de zero em torno de seu centro da gravidade/rotação, devido àdistribuição de pressão de contato PDz acima. Essa situação deixará a facede vedação 52 permanecer quase plana, sem qualquer obstrução perceptí-vel. Essa descoberta analítica tem sido verificada repetidamente no laborató-rio. Isso significa que o anel primário posicionado otimamente, que está emum "estado livre de tensões" antes da operação de ajuste por interferência,permanecerá livre de qualquer momento de torção devido à pressão de con-tato em seu "estado completamente tensionado", após a operação de ajustepor interferência. Em conseqüência, a face de vedação de anel primário 52,que, inicialmente, estava plana, permanecerá plana após o ajuste por interfe-rência no envoltório de peça frontal na posição ótima. Esse é um comporta-mento sem precedentes, não observado com um desenho de vedação tradi-cionalmente encaixada por interferência.

Com o aumento na temperatura, à medida que a interferênciaefetiva entre o envoltório 12 e o anel primário 14 diminui por causa de suascaracterísticas de expansão térmica diferencial, o nível da pressão de conta-to na região de ajuste por interferência diminui, igualmente. Em conseqüên-cia, o envoltório 12 e o anel primário 14 relaxarão, gradualmente, do "estadocompletamente tensionados", relativamente, para um "estado menos tensio-nados". Contudo, no desenho otimizado, o momento líquido devido à distri-buição de pressão de contato correspondente (embora em um nível reduzi-do) em torno do centro de rotação de anel primário permanece quase zero,durante esse processo de relaxamento de tensão e, como um resultado, aface de vedação 52 tende a permanecer em condição de planura quase per-feita através de toda a faixa de operação de temperatura.

Quando pressão externa total é aplicada sobre o anel primário14, a magnitude e a distribuição da pressão de contato mudam e o envoltório12 e o anel primário 14 tendem a se separar perto da junta 42. O grau dessaseparação depende da interferência inicial e da temperatura e da pressãoaplicadas. A figura 8 mostra uma distribuição de pressão de contato PDod,com o contato se estendendo através de cerca de 70% do comprimento daporção de pé. Essa extensão de contato é muito maior do que aquela comum conjunto de anel primário 510 convencional da técnica anterior para oqual ela é cerca de 15% sob circunstâncias similares, conforme mostrado nafigura 3. Esse suporte de contato relativamente maior, de modo inerente, dáorigem à estabilidade de face relativa maior, visto que o anel primário 14 éinibido de rotação devido a qualquer momento líquido desequilibrado, cau-sado pela aplicação de pressão.

Por outro lado, quando pressão interna é aplicada ao anel pri-mário 14, a região de contato, mais uma vez, tende a se estender através de100% da porção de pé de encaixe 30, conforme mostrado pela distribuiçãode pressão de contato PDid representativa na figura 9, dando suporte acio-nado ao anel primário 14 e transmitindo estabilidade de face relativamenteacentuada sob essa condição de pressão , como antes.

Através do processo de otimização, o envoltório de peça frontal22 e o anel primário 14 são desenhados de maneira a obter deflexão nomi-nal de face de quase zero, quando o anel primário 14 é ajustado por interfe-rência no envoltório 12, de modo que a planura de face mudará muito pouco(por exemplo, umas poucas bandas leves de Hélio) com temperatura até atemperatura operacional e qualquer de suas excursões. Em segundo lugar, odesenho é ainda otimizado de modo que magnitudes de obstrução de face,devido às condições de pressões externa e interna, não são apenas minimi-zadas, mas também bastante iguais em magnitude, de modo que um com-portamento simétrico é obtido com as direções de aplicação de pressão. Ti-picamente, com a pressão externa, a obstrução de face está na direção deOD alto", enquanto com a pressão interna está na direção de "ID alto". Asmagnitudes da obstrução de face para as pressões externa e interna nãosão apenas feitas quase iguais através do processo de otimização, mastambém esses valores são apreciavelmente menores do que aqueles parauma vedação de ajuste por interferência convencional. Pode ser notado quealta obstrução de face pode ser responsável por vazamentos maiores, bemcomo desgaste de face acelerado.

Há diversas vantagens com esse novo desenho de vedação deHTC que concretiza a presente invenção quando comparado com uma ve-dação convencional. O desenho de vedação que concretiza a presente in-venção proporciona contato completo ou quase completo através da regiãode ajuste por interferência e leva à estabilidade de face altamente acentua-da, com temperatura e pressão operacionais em comparação com uma ve-dação de ajuste por interferência convencional. Além disso, por causa de umcomprimento de contato estendido e distribuição de pressão de contato rela-tivamente uniforme, nível muito maior de interferência é possível entre o en-voltório e o anel primário, sem tensionar indevidamente o anel primário Io-calmente e causar o seu rompimento.

Deve ser notado que, embora a modalidade acima descreva osprincípios de desenho de vedação de HTC em associação com um conjuntode anel primário, os princípios do desenho da vedação de HTC são igual-mente aplicáveis a um conjunto de anel correspondente, conforme discutidoabaixo. O conjunto de anel primário 10 da presente invenção, descrito aci-ma, pode ter um conjunto de anel correspondente 70A de um desenho con-vencional, conforme mostrado na figura 10 ou um conjunto de anel corres-pondente 70Β, incorporando os princípios de vedação de HTC da presenteinvenção, conforme,mostrado na figura 11.

O conjunto de anel correspondente 70B, incorporando os princí-pios de HTC, inclui um envoltório de anel correspondente 72 e um anel cor-respondente 74. Materiais possíveis para a construção do anel correspon-dente 74 incluem carbono, carbono impregnado, carboneto de tungstênio,carboneto de silício, composto de grafita de carbono/silício e bronze. O en-voltório de anel correspondente 72 é composto de duas peças - uma peçafrontal 76 e uma peça traseira 78, que são soldadas uma à outra em suajunção 80. Materiais possíveis para a construção de peças de envoltório 76 e78 de anel correspondente incluem Liga 718, Liga 625, Liga 620, Liga 20,Hastelloy, AM 350 e aço inoxidável. De preferência, o material para a cons-trução 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 76do envoltório de anel correspondente 72 tem uma porção de pé de encaixe82 em que o anel correspondente 74 é ajustado por interferência. A porçãode pé de encaixe 82 do envoltório de anel correspondente 72 define umasuperfície de encaixe 84 para encaixe de ajuste por interferência com o anelcorrespondente 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 decontato da superfície de encaixe 84 na peça traseira da porção de pé de en-caixe é a porção de calcanhar 92 e sua parte frontal é a junta 94. Entre aporção interna de pé 86 e a região de envoltório superior ou porção de coxa96, há uma reentrância 98, em que a região anular unida à porção de coxa96 e à porção de pé 82 é a porção de canela 100.

As dimensões (por exemplo, comprimentos espessuras) de to-das essas regiões supracitadas, descritas nos parágrafos anteriores, incluin-do as dimensões do anel correspondente, são tratadas como parâmetrospara o processo de otimização. A localização do anel correspondente comrelação à porção de pé também é um parâmetro de otimização. Através davariação da espessura e do comprimento desses parâmetros, a tensão decontato e a estabilidade de face são controladas, resultando em um conjuntoespecífico de temperatura e pressões.

A figura 12_ilustra um conjunto alternativo de. anel primário 210de acordo com a presente invenção. O anel primário 214 dessa modalidadealternativa é simétrico e desequilibrado. Esse anel primário é consideradosimétrico porque os dois lados do anel primário 214, localizado axialmentede seu centro de gravidade CG, são essencialmente simétricos. Esse anelprimário é considerado em desequilíbrio porque a linha central radial da facede vedação 252 não está localizada perto do diâmetro efetivo EDz do fole empressão diferencial de zero. Deve ser notado que a forma da porção de ca-nela 248 e da porção de pé 230 do envoltório 212 é diferente da forma daporção de canela 48 e da porção de pé 30 do conjunto de anel primário 10ilustrado na figura 5.

A figura 13 ilustra um segundo conjunto alternativo de anel pri-mário 310 de acordo com a presente invenção. O anel primário 314 dessasegunda modalidade alternativa é simétrico e equilibrado. Esse anel primárioé considerado simétrico porque os dois lados do anel primário 314, localiza-dos axialmente de seu centro de gravidade CG, são essencialmente simétri-cos. Esse anel primário é considerado em equilíbrio porque a linha centralradial da face de vedação 352 está localizada perto do diâmetro de efeitoED2 do anel-0 316 em pressão diferencial zero. Deve ser notado que a for-ma da porção de canela 348 e da porção de pé 350 do envoltório 312 é dife-rente da forma das porções de canela 48 e 248 e das porções de pé 30 e230 dos conjuntos de anel primário 10 e 210, ilustrados nas figuras 5 e 12.

Diferenças nas formas das porções de canela e das porções depé das modalidades ilustradas nas figuras 5, 12 e 13 mostram que as dimen-sões geométricas ótimas da porção de canela e da porção de pé variam devi-do à forma do anel primário e da linha central radial da face de vedação emrelação ao diâmetro efetivo EDz do fole/anel-0 em pressão diferencial zero.

Vários aspectos da presente invenção foram explicados com re-ferência às modalidades mostradas e descritas. Deve ser compreendido quenumerosas modificações podem ser feitas sem afastamento do espírito e doescopo da invenção, como definido pelas reivindicações anexas.

Claims (23)

1. Conjunto de vedação para uso com um eixo giratório, o con-junto de vedação compreendendo:um anel de vedação definindo uma superfície anular que se es-tende axialmente e uma face de vedação que se estende radialmente; eum envoltório de anel de vedação tendo uma porção de pé defi-nindo uma superfície de encaixe que se estende axialmente para encaixe deajuste de interferência com a referida superfície anular do referido anel devedação, o referido envoltório de anel de vedação ainda inclui uma porçãode canela que se estende radialmente, conectada à referida porção de pé elocalizada radialmente para fora da referida porção de pé, a referida porçãode pé em sua superfície de encaixe tem um comprimento axial maior do queo comprimento axial da referida porção de canela.

2. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, emque a referida porção de pé ainda inclui uma porção de pé interna que seestende axialmente da conexão da referida porção de pé com a referida por-ção de canela.

3. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 2, emque a referida porção de pé interna em sua superfície de encaixe tem umcomprimento axial, a relação do comprimento da porção de pé interna emsua superfície de encaixe para o comprimento da porção de pé em sua su-perfície de encaixe é maior do que 0,5.

4. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 3, emque a referida porção de pé interna se estende axialmente da conexão dareferida porção de pé com a referida porção em uma direção para longe dareferida face de vedação do referido anel de vedação.

5. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 2, emque a referida porção de pé ainda inclui uma porção de pé externa que seestende axialmente da conexão da referida porção de pé com a referida por-ção de canela em uma direção para longe da referida porção de pé interna.

6. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, emque o referido envoltório de anel de vedação ainda inclui uma porção decoxa que se estende axialmente, conectada à referida porção de canela elocalizada radialmente para fora da referida porção de canela.

7. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 6, emque o referido envoltório de anel de vedação ainda inclui um cubo que seestende radialmente para fora da conexão da referida porção de canela coma referida porção de coxa.

8. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, emque o referido envoltório de anel de vedação tem uma peça frontal e umapeça traseira presas juntas.

9. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 8, emque o referido envoltório de anel de vedação ainda inclui uma junta soldadaprendendo a referida peça frontal à referida peça traseira.

10. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 9, ain-da compreendendo fole preso à referida peça traseira do referido envoltório.

11. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 5, ain-da compreendendo um fole e em que o referido envoltório de anel de veda-ção ainda inclui uma peça traseira presa à referida porção de coxa, o referi-do fole preso à referida peça traseira.

12. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, emque o referido envoltório de anel de vedação é formado de Liga 718.

13. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 1, emque o referido anel de vedação é um anel primário axialmente móvel com umeixo, a referida vedação ainda compreendendo um anel de acasalamentofixado contra movimento axial e um envoltório de anel de acasalamento, oreferido acasalamento define uma face de vedação para encaixe com a refe-rida face de vedação do referido anel primário, o referido envoltório de anelde acasalamento tendo uma porção de pé definindo uma superfície de en-caixe para encaixe de ajuste de interferência com o referido anel de acasa-lamento, o referido envoltório de anel de acasalamento ainda inclui uma por-ção de canela conectada à referida porção de pé e localizada radialmentepara fora da referida porção de pé, a referida porção de pé do referido envol-tório de anel de acasalamento inclui uma porção de pé interna que se esten-de axialmente da conexão da referida porção de pé com a referida porção decanela.

14. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 13, emque a referida porção de pé do referido envoltório de anel de acasalamentoainda inclui uma porção de pé externa que se estende axialmente da cone-xão da referida porção de pé com a referida porção de canela em uma dire-ção para longe da referida porção de pé interna do referido envoltório de a-nel de acasalamento.

15. Conjunto de vedação para uso com um eixo giratório, o con-junto de vedação compreendendo:um anel de vedação definindo uma superfície anular que se es-tende axialmente e uma face de vedação que se estende radial;um fole definindo um diâmetro efetivo em pressão diferencial dezero aplicada no referido anel de vedação; eum envoltório de anel de vedação tendo um peça frontal e umapeça traseira presas juntas, a referida peça frontal inclui uma porção de pédefinindo uma superfície de encaixe que se estende axialmente para encaixede ajuste de interferência com a referida superfície anular do referido anel devedação, a interface da referida porção de pé com o referido anel de veda-ção define um diâmetro de interferência, o diâmetro de interferência estádentro de + 10% e - 10% do referido diâmetro efetivo do referido fole empressão diferencial de zero.

16. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 15, emque o diâmetro de interferência está dentro de + 6% e - 6% do referido diâ-metro efetivo do referido fole em pressão diferencial de zero.

17. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 15, emque o referido envoltório de anel de vedação ainda inclui uma junta soldadaprendendo a referida peça frontal na referida peça traseira.

18. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 15, emque o referido envoltório de anel de vedação é formado de Liga 718.

19. Conjunto de vedação para uso com um eixo giratório, o refe-rido conjunto de vedação compreendendo:um anel de vedação definindo uma superfície anular que se es-tende axialmente e uma face de vedação que se estende radialmente; eum envoltório de anel de vedação inclui uma porção de pé defi-nindo uma superfície de encaixe que se estende axialmente para encaixe deajuste de interferência com a referida superfície anular do referido anel devedação, o referido envoltório de anel de vedação ainda inclui uma porçãode canela que se estende radialmente, conectada à referida porção de pé elocalizada radialmente para fora da referida porção de pé, a referida porçãode pé inclui uma porção de pé interna que se estende axialmente da cone-xão da referida porção de pé com a referida porção de canela, a referidaporção de pé em sua superfície de encaixe tem um comprimento axial, a re-ferida porção de pé interna em sua superfície de encaixe tem um compri-mento axial, a relação do comprimento da porção de pé interna em sua su-perfície de encaixe no comprimento da porção de pé em sua superfície deencaixe é maior do que 0,5.

20. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 19, emque a relação do comprimento da porção de pé interna em sua superfície deencaixe para o comprimento da porção de pé em sua superfície de encaixefica entre 0,556 e 0,625.

21. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 19, emque a referida porção de pé ainda inclui uma porção de pé externa que seestende axialmente da conexão da referida porção de pé com a referida por-ção de canela em uma direção para longe da referida porção de pé interna.

22. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 19, emque o referido envoltório de anel de vedação tem uma peça frontal e umaporção traseira presas juntas.

23. Conjunto de vedação, de acordo com a reivindicação 19, emque o referido envoltório de anel de vedação é formado de Liga 718.