CS197880B1

CS197880B1 - Mechanic seal

Info

Publication number: CS197880B1
Application number: CS331378A
Authority: CS
Inventors: Jiri Vyslouzil; Libor Divina
Original assignee: Jiri Vyslouzil; Libor Divina
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1980-05-30

Description

(54) Mechanická ucpávka(54) Mechanical seal

Vynález ae týká mechanické ucpávky, zejména ucpávky s dynamickým odlehčením těsnicích ploch funkčních kroužků.The invention relates to a mechanical seal, in particular a seal with dynamic relief of the sealing surfaces of functional rings.

V současné době se zvýšení provozní zatížitelnosti a životnosti hřídelové ucpávky, která pracuje na principu těsnění média v axiální rovinné spáře mezi dvěma funkčními kroužky, se dosahuje statickým odlehčením ploch těsnicího mezikruží. Přítlačnou sílu, vyvozenou tlakem těsněného média, která napomáhá dotlačovat axiálně pohyblivý těsnicí kroužek na protiplochu ucpávky, lze v určité míře měnit pomocí obecně známé konstrukční úpravy ucpávky. Statickým odlehčením ploch se zajistí pro stabilní provoz ucpávky ve spáře film těsněného média o nezbytné tloušťce, a to i za ztížených provozních podmínek. Pro speciální případy jsou ucpávky, z hlediska působící přítlačné síly od tlaku média, staticky zcela vyváženy. V takových případech zajišťuje vzájemné dotlačování těsnicích ploch pouze síla vyvozená přítlačnými pružinami. Y současné praxi se ale nejčastěji používá staticky odlehčeného typu mechanické ucpávky. Pro zvléěť obtížné provozní podmínky vysokých tlaků a teplot, nebo při zvlášť vysokých kluzných rychlostech v těsnicích plochách, se používá mechanických ucpávek s dodatečným odlehčením ploch dynamického charakteru. Řešení takových ucpávek vychází z poznatků teorie hydrodynamického mazání těsnicích spár. Při vysokém zatížení ucpávky bude spára dostatečně mazána jen tehdy, je-li zajištěno určité proudění média spárou ve směru tlakového spádu, které ale z hlediska požadavků maximál197 880At present, an increase in the working load and service life of the shaft seal, which operates on the principle of sealing the medium in the axial planar gap between two functional rings, is achieved by static relief of the surfaces of the sealing ring. The pressure force exerted by the pressure of the sealed medium, which helps to push the axially movable sealing ring against the seal surface, can be varied to some extent by the generally known design of the seal. Static strain relief ensures a sealed film of the necessary thickness for stable operation of the gland seal, even under difficult operating conditions. For special cases, the seals are statically completely balanced in terms of the applied pressure from the medium pressure. In such cases, only the force exerted by the compression springs ensures that the sealing surfaces are pressed together. In the current practice, however, the static lightweight type of mechanical seal is most often used. Mechanical seals with additional strain relief of a dynamic nature are used to withstand difficult operating conditions of high pressures and temperatures, or at particularly high sliding speeds in sealing surfaces. The solution of such seals is based on the theory of hydrodynamic lubrication of the sealing joints. At a high load on the seal, the joint will be sufficiently lubricated only if a certain flow of the medium through the joint in the direction of the pressure gradient is ensured, but with a maximum of 197,880 requirements

197 880 ní těsnosti, mé být co nejmenší. Určitý pohyb média se vyskytuje i ve zdánlivě rovinné spáře statický odlehčených i neodlehčených ucpávek, který je vyvolán mikronerovnostmi, skutečnou nerovinností, případně vzájemnou neeouosostí ploch. U dynamicky odlehčených ucpávek jsou odchylky od ideálního tvaru nebo polohy ploch záměrně připravovány. Nejčaetěji ee narušuje souměrnost rovinných ploch úpravou funkční plochy jednoho z těsnicích kroužků, obvykle rotujícího kroužku, tvarově různorodým drážkováním, a to formou zápichů, obloukovitých kanálků, obloukovitých úsečí a podobně. Rovnoměrné zahloubení drážek ve funkčním mezikruží zasahuje obvykle asi do 1/3 šířky mezikruží, a to ze strany těsněného média. Obvykle se tyto typy drážkování realizují v ploše toho kroužku, který je vyroben z tvrdšího materiálu. Jejich společnou nevýhodou je, že jsou ukončeny na jediné vrcholové kružnici, což má za následek postupně se opakující změny v geometrii ploch.197 880 tightness, I should be as small as possible. Certain movement of the medium occurs even in the seemingly plane joint of static and unloaded seals, which is caused by micronerities, real non-flatness, or mutual non-ossity of surfaces. In the case of dynamically unloaded seals, deviations from the ideal shape or position of the surfaces are intentionally prepared. Most often, it disrupts the symmetry of planar surfaces by modifying the functional surface of one of the sealing rings, usually a rotating ring, with a variety of grooves in the form of recesses, arcuate channels, arcuate sections and the like. The uniform recess of the grooves in the functional annulus usually extends to about 1/3 of the width of the annulus from the side of the medium to be sealed. Usually, these types of grooves are realized in the area of the ring which is made of a harder material. Their common disadvantage is that they are terminated on a single apex circle, resulting in gradually repeating changes in surface geometry.

Tak během dlouhodobého provozu ucpávky s výše popsaným prostorovým rozmístěním drážek dochází postupně k opotřebení rovinné plochy mezi drážkami kroužku, a to vlivem kavitačně - erozivního působení těsněného média. Toto poškozování rovinné plochy ae koncentruje v pásmu po obou stranách pomyslné vrcholové kružnice drážek. Podle huatoty drážek a podle konkrétních provozních podmínek ucpávky se po určité době provozu ucpávky projeví tato poškození jako souvislý pás opotřebené plochy mezi dvěma sousedními drážkami, nebo jako lokální vytrhání materiálu z ploch v pravidelných vzdálenostech za drážkami. Míra opotřebení plochy kroužku s drážkami, který je proveden obvykle z velmi tvrdé slitiny nebo z keramiky, není nijak zvlášt velká, má věak velmi negativní vliv na opotřebení protiplochy, tj. kroužku zhotoveného z mnohem měkčího, samomazného materiálu. Kavitačně - erozivní působení těsněného média spolu s abrazivním působením zplodin opotřebení tvrdého materiálu značně poškozuje plochu protikroužku, zejména v pásu mezi vrcholovou kružnicí a patní kružnicí drážek, kterou obvykle představuje obvodová kružnice mezikruží a která je ve styku s těsněným médiem. Tak se původně rovinná spára mění na spáru přibližně konvergentní a působiště hlavního namáhání těsnicích ploch ee vychýlí z polohy stanovené výpočtem, tedy k vnitřnímu průměru těsnicího mezikruží. Ucpávka začíná pracovat jako staticky vysoce odlehčená, se zvýšenou netěsností. Dochází k přetěžování zbývající úzké části těsnicího mezikruží, která se rychle opotřebovává. Těsnicí plocha měkčího kroužku se poněkud vyrovná a výše popsaný proces přesouváni působiště hlavního namáháni se opakuje, tentokrát v opačném směru. Rychlost opotřebení je vysoká, je na úrovni záběhu ucpávky a intervaly se zvýšenou netěsností jsou pravidelné.· Původně kontaktní mechanická ucpávka s tvarovou úpravou pro dynamické odlehčení těsnicích ploch ztrácí rychle evou původní funkci, cyklicky se mění až v bezkontaktní hydrostatickou ucpávku, kdy se pro určený provoz stává nezpůsobilou.Thus, during the long-term operation of the seal with the above-described spatial arrangement of the grooves, the plane surface between the grooves of the ring gradually wears out due to cavitation-erosive action of the sealed medium. This deterioration of the planar surface ae concentrates in the zone on both sides of the imaginary peak circle of the grooves. Depending on the groove density and the specific operating conditions of the gland, after a period of gland operation these damages will appear as a continuous strip of worn surface between two adjacent grooves or as a local tear of material from the surfaces at regular intervals beyond the grooves. The wear rate of the groove ring surface, which is usually made of very hard alloy or ceramic, is not particularly great, but has a very negative effect on the wear of the counter surface, i.e. a ring made of a much softer, self-lubricating material. The cavitation-erosive action of the sealed medium together with the abrasive action of the wear of the hard material greatly damages the counter-ring surface, especially in the strip between the apex circle and the heel circle of grooves, usually represented by the peripheral circle of the annular and in contact with the sealed medium. Thus, the originally planar joint becomes approximately convergent to the joint and the point of principal stress of the sealing surfaces is deflected from the position determined by calculation, that is to the inner diameter of the sealing ring. The seal starts to work as a statically highly lightened, with increased leakage. The remaining narrow part of the sealing ring is overloaded and wears out quickly. The sealing surface of the softer ring is somewhat aligned and the process of shifting the main stressing point described above is repeated, this time in the opposite direction. · Originally contact mechanical seal with shape for dynamic lightening of sealing surfaces loses fast original function, cyclically changes to contactless hydrostatic seal, when it is designed for operation becomes ineligible.

Je tedy úkolem vynálezu vyřešit novou konstrukci dynamického odlehčení těsnicích ploch funkčních kroužků mechanické ucpávky, která by v podstatě odstraňovala nevýhody a nedostatky známých řešení a zvýšila podstatně životnost funkčních kroužků při zachování výrobní jednoduchosti známých řešení.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the invention to provide a new design of dynamic relief of the sealing faces of the mechanical seal functional rings, which substantially eliminates the disadvantages and drawbacks of known solutions and substantially increases the service ring life while maintaining the manufacturing simplicity of the known solutions.

197 880197 880

Tento úkol řeší vynález, kterým je mechanická ucpávka β dynamickým odlehčením těsnicích ploch, sestávající z řady drážek v těsnicí ploše alespoň jednoho z funkčních kroužků, v tom, že obloukové drážky jsou na ploše těsnicího mezikruží funkčního kroužku rozmístěny v radiálním směru nerovnoměrně, zejména na dvě vrcholové kružnice.This object is solved by the invention, which is a mechanical seal β by dynamic relief of sealing surfaces, consisting of a series of grooves in the sealing surface of at least one of the functional rings, in that the arcuate grooves are unevenly distributed in the radial direction on the sealing ring surface. apex circle.

Taká je podstatou vynálezu, že poloměr obloukových drážek je různý podle míry zahloubení v radiálním směru.Thus, it is the essence of the invention that the radius of the arch grooves varies according to the degree of recess in the radial direction.

Další podstatou vynálezu je, že rozteč obloukových drážek na obvodu funkčního kroužku je menší než čtyřnásobek tětivy, vytknuté patní kružnicí na obvodě největší drážky.It is a further object of the invention that the pitch of the arc grooves at the periphery of the functional ring is less than four times the chord set by the heel circle at the periphery of the largest groove.

Vyšší účinek vynálezu se projevuje podstatným zvýšením provozní spolehlivosti a životnosti funkčních kroužků ucpávky.The higher effect of the invention results in a substantial increase in the operational reliability and service life of the gland functional rings.

Příklad provedení vynálezu je schematicky znázorněn na připojenýoh výkresech, kde obr. 1 představuje pohled na funkční kroužek ucpávky s obloukovými drážkami podle vynálezu, obr. 2 je příčný řez dvojicí funkčních kroužků a obr. 3 a 4 jsou alternativní provedení funkčních kroužků s uplatněným vynálezem.An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the accompanying drawings, wherein Fig. 1 is a view of a functional ring of an arcuate groove of the invention, Fig. 2 is a cross-section of a pair of functional rings, and Figs. 3 and 4 are alternative embodiments of functional rings with the present invention.

Podle vynálezu je rotační funkční kroužek 1 opatřen řadou obloukových drážek 2,, 2*. které zasahuji střídavě nebo postupně do různé hloubky těsnicí mezikružné plochy J funkčního kroužku 1. Tato hloubka je určena alespoň dvěma vrcholovými kružnicemi 4, 4*. přičemž celkové zahloubení obloukových drážek 2, 2 *. měřeno od obvodu rotačního funkčního kroužku 1, který je v daném případě ve styku s těsněným médiem - podle obr. 1 - vnější obvod, je menší nebo rovno poloměru obloukové drážky 2, 2*. Tento poloměr obloukových drážek 2, 2 může být stejný pro všechny obloukové drážky, nebo různý, a to střídavě u drážky s větším zahloubením větší než u drážky s menším zahloubením, jak je znázorněno v levé polovině obr. 1. Středy obloukových drážek 2, 2' mohou ležet na jediné roztečné kružnici, jejíž průměr je roven nebo větší než průměr obvodové kružnice která je ve styku s těsněným médiem. Rozteč drážek 2, 2' určovaná na patní kružnici 13. totožné s vnější obvodovou kružnici 5' funkčního kroužku 1*. se měří mezi body 11. 11* a je vždy menší než čtyřnásobek tětivy 12, kterou vytiná patní kružnice 13 na obloukové drážce 2 největšího průměru. Délka tětivy 12 je tedy určena spojnicí mezi průsečíky patní kružnice 13 a obloukové drážky 2.According to the invention, the rotary functional ring 1 is provided with a series of arcuate grooves 2, 2 '. which extend alternately or sequentially to different depths of the sealing annular surface J of the functional ring 1. This depth is determined by at least two apex circles 4, 4 *. wherein the total recess of the arch grooves 2, 2 *. measured from the periphery of the rotary function ring 1, which in this case is in contact with the sealed medium - according to FIG. 1 - the outer circumference, is less than or equal to the radius of the arc groove 2, 2 *. This radius of the arcuate grooves 2, 2 may be the same for all arcuate grooves, or different, alternately for a groove with a larger recess larger than a groove with a smaller recess, as shown in the left half of Fig. 1. They may lie on a single pitch circle whose diameter is equal to or greater than the diameter of the circumferential circle in contact with the sealed medium. The pitch of the grooves 2, 2 'determined on the heel circle 13 identical to the outer circumferential circle 5' of the functional ring 1 '. is measured between points 11. 11 * and is always less than four times the chord 12 which is formed by the heel circle 13 on the arc groove 2 of the largest diameter. The length of the chord 12 is thus determined by the connection between the intersections of the heel circle 13 and the arc groove 2.

U mechanické ucpávky, u které je použito funkčního kroužku 1 podle vynálezu, je zbývající rovinná těsnicí plocha J mezi drážkami 2., 2* během provozu opotřebována rovnoměrně v celé šířce těsnicího mezikruží J. To má za následek i rovnoměrnější opotřebení protiplochy funkčního kroužku 1*. který je vyroben obvykle z měkčího, samomazného materiálu. Déle to má za následek podstatné snížení samovolného přetváření původní těsnicí spáry s rovinnými rovnoběžnými těsnicími plochami ve spáru klínovou. Provedením funkčních kroužků χ s drážkami 2 podle vynálezu je odstraněno, nebo v podstatné míře sníženo cyklické Dřesouvání oůsobiště hlavního namáhání těsnicího mezikruží. čímž .ie zabráněno cvk197. 880 liekým změnám v netěsnosti ucpávky. Tyto výhody se dále umocňují zvýšením počtu vrcholových kružnic £, 4*. 4. 4'. kde podle obr. 3 jsou obloukové drážky 2 stejného poloměru, nebo obloukové drážky 2^. jejichž poloměr se mění β mírou jejich zahloubení, na čtyřech vrcholových kružnicích £, 4. 4. 4S výhodou je použito takového rozmístění obloukových drážek 2, 2\ kde hloubka dvou sousedních drážek 2, 2’ se mění vždy jen o rozdíl poloměrů dvou po sobě následujících vrcholových kružnic £, £2· 4. 4''Pomyslná spojnice vrcholů takto rozmístěných drážek 2, 2' v těsnicím mezikruží tvoři nepravidelný víceúhelník, který se tvarem blíží elipae.In the mechanical seal in which the functional ring 1 according to the invention is used, the remaining planar sealing surface J between the grooves 2, 2 * is worn evenly over the entire width of the sealing ring J during operation. This results in a more even wear of the counter ring surface 1 *. . which is usually made of a softer, self-lubricating material. In the longer term, this results in a substantial reduction in the spontaneous deformation of the original sealing joint with the planar parallel sealing surfaces in the wedge joint. By providing the functional rings χ with grooves 2 according to the invention, the cyclic shearing of the place of main stress of the sealing ring is eliminated or substantially reduced. thereby preventing cvk197. 880 a slight change in the seal leak. These advantages are further enhanced by an increase in the number of apex circles. 4. 4 '. wherein according to FIG. 3 the arcuate grooves 2 are of the same radius or the arcuate grooves 2. the radius of which varies β by the extent of their counterbore, on the four apex circles 4, 4, 4, 4. Preferably, such an arrangement of the arc grooves 2, 2 'is used, where the depth of two adjacent grooves 2, 2' 4 '' The imaginary connection of the vertices of the grooves 2, 2 'so disposed in the sealing ring forms an irregular polygon, which is close to ellipse in shape.

Na obr. 4 je znázorněno alternativní provedení vynálezu, kde jsou obloukové drážky 2,Fig. 4 shows an alternative embodiment of the invention where the arcuate grooves 2,

2' zahloubeny do rotujícího funkčního kroužku £ z vnitřního obvodu 6. Tím je určen i směr tlakového spádu těsněného média na těsnicím mezikruží J, a to od vnitřního průměru k vnějšímu. Drážky 2, 2* v ploše funkčního kroužku 1 jsou zde rovněž ukončeny na čtyřech vrcholových kružnicích £, 4*. 4 *4' s využitím drážky nulového průměru s nulovým zahloubením. Je-li znám směr rotace funkčního kroužku 1 ucpávky, využije se s výhodou rozmístění obloukových drážek 2, 2' po obvodě funkčního kroužku 1, které má vždy bud stoupající, nebo klesající tendenci.The direction of the pressure drop of the medium to be sealed on the sealing ring is determined from the inner diameter to the outer diameter. The grooves 2, 2 * in the surface of the functional ring 1 are also terminated here on the four apex circles 4, 4 *. 4 * 4 'using a zero-diameter groove with a zero counterbore. If the direction of rotation of the gland functional ring 1 is known, it is advantageous to use an arrangement of arcuate grooves 2, 2 'around the periphery of the gland functional ring 1, which always has either an upward or downward tendency.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Mechanical seal and dynamic relief of sealing surfaces, comprising a series of grooves in the sealing surface of at least one of the functional rings, with grooves of an arcuate recess on the side of the sealed medium, characterized in that the arcuate grooves (2, 2 ') are on the sealing ring surface (3) of the functional ring (1) arranged non-uniformly in the radial direction, to at least two apex circles (4, 4 ').

Mechanical seal according to Claim 1, characterized in that the radius of the arch grooves (2, 2 ') is dependent on the size of the recess in the radial direction.

Mechanical seal according to Claims 1 and 2, characterized in that the spacing of the arch grooves (2, 2 ') on the circumference of the functional ring (1) is less than four times the chord set by the heel circle (13) on the circumference of the largest groove (2). .