DE112009001735T5

DE112009001735T5 - Gegen Extrusion beständige Profilflachdichtung

Info

Publication number: DE112009001735T5
Application number: DE112009001735T
Authority: DE
Inventors: Justin Sanjay Cincinnati Rao; Scott Richard Milford Zearbaugh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-06-01
Also published as: GB2473977B; CA2730006C; CA2730006A1; GB2473977A; US8191933B2; JP2011528422A; WO2010019296A2; JP5416769B2; WO2010019296A3; GB201021506D0; US20100013220A1

Abstract

Dichtungsanordnung für eine Fluidkupplung, zu der gehören:
(a) ein allgemein ebener, im Wesentlichen starrer Dichtungshalter mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Stirnflächen, wobei in der ersten Stirnfläche eine ringförmige erste Nut ausgebildet ist;
(b) eine erste nachgiebige Dichtung, die in der ersten Nut angeordnet ist; und
(c) ein ringförmiger erster Stützring, der radial außerhalb der ersten nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der ersten nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der erste Stützring wesentlich härter ist als die erste nachgiebige Dichtung.

Description

ERKLÄRUNG BEZÜGLICH BUNDESSTAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG.
Dem Staat der USA stehen möglicherweise gemäß dem Kontrakt Nr. N00019-96-C-0176, erteilt durch die Abteilung der Navy, gewisse Rechte an der vorliegenden Erfindung zu.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Fluidkupplungen und speziell Dichtungseinrichtungen für Fluidkupplungen.
Einige Luftfahrtgasturbinen verwenden Fluidsysteme, die bei sehr hohen Drücken arbeiten und daher anfällig für Undichtigkeiten sind. Beispielsweise wird in einige Anwendungen Brennstoff bei einem Druck von 28 MPa (4000 psi) als eine Arbeitsfluid verwendet, um mehrere Triebwerksaktuatoren zu betätigen. Aufgrund der großen Drücke und hohen Brennstoffzuströme wird eine als 4-Bolzen-Flansch-Flachdichtung bekannte Verbindung verwendet, um die unterschiedlichen Komponenten strömungsmäßig zu verbinden. Um ein Ablösen des Flansches von der Dichtung zu verhindern, erfordert eine Standarddichtung gemäß Extrusionsanalysen gewöhnlich einen Flansch, der dicker ist, als derjenige der normalerweise in Niederdrucksystemen verwendetet wird. Dieser dickere Flansch steigert das Gewicht der Gesamtkonstruktion, während die Dichtung weiter zu Ausfällen neigt, falls der Flansch während des Zusammenbaus nicht einwandfrei eingeklemmt wird.
Bisher basieren Flanschflachdichtungen mit einem 4-Bolzenflansch gewöhnlich auf einer von zwei Arten von Dichtungskonstruktionen: (1) eine auf einer Kombination von Metall und Elastomer basierende Flanschdichtung, wie sie z. B. unter der Markenbezeichnung GASK-O-DICHTUNG von Parker Hannifin Company, Cleveland, OH 44124 USA verkauft wird; oder (2) eine lose Elastomerdichtung mit L-förmigem Querschnitt in Verbindung mit einem Gegenstützring. Die Standardflanschdichtung basiert auf einer Halteplatte aus Metall mit einer Elastomerdichtung auf jeder Seite. Die Dichtung ist dauerhaft an der Halteplatte angebracht, um die Wartung und den Zusammenbau zu erleichtern. Eine Seite der Dichtung wird gegen den Flansch zusammengedrückt und die andere Dichtung wird an der Gegenkomponente oder dem Gegenflansch zusammengedrückt. Der nachteilige Aspekt der Flanschdichtungskonstruktion basiert darauf, dass sie bei hohen Drücken beschränkt einsatzfähig ist und einen kleinen Toleranzspalt erfordert, der einzuhalten ist, um ein Extrusion der Dichtung zu verhindern. Diese erfordert eine dicke, steife Flanschverbindung, um eine Biegung des Flansches zu begrenzen.
Das lose L-förmige Elastomerelement sitzt in einer Dichtungsbuchse, die sich in der Gegenkomponente oder dem Flansch befindet. Anschließend wird ein Flansch über die Dichtung geklemmt, um eine Druckkraft auf die Dichtung auszuüben. Diese Konstruktion weist Nachteile für die Wartbarkeit auf, da kein sichtbares Zeichen vorhanden ist, das sicherstellt, dass die Dichtung in der Dichtungsbuchse eingebaut ist. Außerdem wird die Dichtung möglicherweise verkehrt eingebaut, mit der Folge, dass der Stützring auf dem Grund der Buchse zu liegen kommt, so dass er im Betrieb nutzlos ist. Für einen einwandfreien. Betrieb setzt diese Dichtungsbauart außerdem voraus, dass die Buchsen in dem Flansch mit hoher Genauigkeit spanabhebend hergestellt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Nachteile aus dem Stand der Technik werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die eine verschraubte/verbolzte Flanschprofildichtung schafft, die ein integrales Merkmal gegen Extrusion aufweist.
Gemäß einem Aspekt gehören zu einer Dichtungsanordnung für eine Fluidkupplung: (a) ein allgemein ebener, im Wesentlichen starrer Dichtungshalter mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Stirnflächen, wobei in der ersten Stirnfläche eine ringförmige erste Nut ausgebildet ist; (b) eine erste nachgiebige Dichtung, die in der ersten Nut angeordnet ist; und (c) ein ringförmiger erster Stützring, der radial außerhalb der ersten nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der ersten nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der erste Stützring wesentlich härter ist als die erste nachgiebige Dichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung gehören zu einer Fluidkupplung: (a) eine erste Pressklemme, die eine durch sie hindurchführende Öffnung und eine Dichtungsfläche aufweist, die an einem Ende davon angeordnet ist; (b) eine zweite Pressklemme, die eine durch sie hindurchführende Öffnung und eine Dichtungsfläche aufweist, die an einem Ende davon angeordnet ist; (c) ein allgemein ebener, im Wesentlichen starrer Dichtungshalter, der zwischen die Dichtflächen der Pressklemmen geklemmt ist, wobei der Dichtungshalter gegenüberliegende erste und zweite Stirnflächen aufweist, wobei in jeder Stirnfläche eine Ringnut ausgebildet ist; und (d) ein in jeder der Nuten angeordneter Dichtungsring, zu dem gehören: (i) eine nachgiebige ringförmige Dichtung; und (ii) ein ringförmiger Stützring, der radial außerhalb der nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der Stützring wesentlich härter ist als die nachgiebige Dichtung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN.
Die Erfindung wird nach dem Lesen der Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres verständlich:
1 zeigt in einer Seitenansicht eine Fluidkupplung, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 zeigt in einer auseinandergezogenen Halbschnittansicht die Fluidkupplung nach 1;
3 veranschaulicht eine in 1 dargestellte Dichtungsanordnung in einer perspektivischen Ansicht;
4 zeigt eine Halbschnittansicht der Dichtungsanordnung nach 3; und
5 zeigt eine vergrößerte Halbschnittansicht der Rohrverbindung in einem zusammengebauten Zustand.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen übereinstimmende Elemente über die unterschiedlichen Ansichten hinweg mit identischen Bezugszeichen versehen sind, veranschaulicht 1 eine Fluidverbindungsanordnung 10, die eine erste Leitung 12, die mit einer ersten Pressklemme 14 verbunden ist, und eine zweite Leitung 16 aufweist, die mit einer zweiten Pressklemme 18 verbunden ist. Zwischen den Pressklemmen 14 und 18 ist eine Dichtungsanordnung 20 angeordnet. Die Pressklemmen 14 und 18 sind zwischen einem Paar plattenförmiger Flansche 22 und 24 zusammengeklemmt, die mit Klemmmitteln, beispielsweise mittels der veranschaulichten Schrauben 26, gesichert sind. In dem veranschaulichten Beispiel basieren die erste und zweite Leitung 12 und 16 auf metallischen Rohren, die ein Fluid führen, das in einer Gasturbine beispielsweise mit einem Druck von etwa 28 MPa (4000 psi) als ein hydraulisches Hochdruckarbeitsfluid eingesetzt wird. Die Grundzüge der vorliegenden Erfindung lassen sich allgemein nutzen, wo immer eine zuverlässige Fluidflachdichtung erforderlich ist.
2 zeigt eine auseinandergezogene Halbschnittansicht der Komponenten der Fluidkupplung 10. Die erste Pressklemme 14 ist im Wesentlichen starr und kann aus einem Material hergestellt sein, das beispielsweise auf einer Stahl- oder Aluminiumlegierung basiert. Die Pressklemme weist einen im Wesentlichen zylindrischen Körper 28 mit einem ersten und zweiten Ende 30 und 32 und einem durch sie hindurchführende zentrale Öffnung 34 auf. An dem ersten Ende 30 ist eine Dichtungsfläche 36 angeordnet. Ein ringförmiger Rand 38 erstreckt sich von dem Körper 28 radial nach außen. Die erste Leitung 12, die ein Rohr bekannter Bauart sein kann, weist ein offenes Ende 40 auf, das mit dem zweiten Ende 32 der ersten Pressklemme 14, beispielsweise mittels Befestigungsmitteln, Klebstoffen, oder thermischen oder Ultraschall Klebetechniken, in Form einer fluiddichten Verbindung vereinigt ist. In dem veranschaulichten Beispiel sind die erste Leitung 12 und die erste Pressklemme 14 durch eine Stumpfschweißnaht vereinigt.
Die zweite Pressklemme 18 und die zweite Leitung 16 sind konstruktionsmäßig mit der ersten Pressklemme 14 bzw. der ersten Leitung 12 identisch und sie sind in einer ähnlichen Weise miteinander vereinigt.
3 und 4 veranschaulichen die Konstruktion der Dichtungsanordnung 20. Diese weist einen im Wesentlichen starren, allgemein ebenen Dichtungshalter 42 mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Stirnflächen 44 und 46 und eine zentrale Öffnung 48 auf, um einen Fluidstrom hindurch zu leiten. Beispiele geeigneter Werkstoffe für den Dichtungshalter 42 sind Stahl- und Aluminiumlegierungen. In der ersten und zweiten Stirnfläche 44 und 46 sind Ringnuten 48 bzw. 50 ausgebildet. In den Nuten 48 und 50 sind identische Dichtungsringe 52 angeordnet.
Der Dichtungsring 52 beinhaltet eine nachgiebige Dichtung 56 und einen Stützring 58. Die nachgiebige Dichtung 56 kann aus einem beliebigen nachgiebigen Materials hergestellt sein, das mit den erwarteten physikalischen und chemischen Bedingungen, die im Betrieb zu bewältigen sind, kompatibel ist. Im Falle der veranschaulichten Anwendung, die für den Einsatz mit unter hohem Druck stehendem flüssigem Kohlenwasserstoffbrennstoff bestimmt ist, ist beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer wie Polytetrafluorethylen (PTFE) ein geeignetes Material. Der (Durometer-)Härtenennwert der nachgiebigen Dichtung 56 wird in Abhängigkeit von der Anwendung variieren, wobei in Fällen, wo verhältnismäßig niedrige Umgebungstemperaturen erwartet werden, weichere Materialien verwendet werden. In dem veranschaulichten Beispiel weist die nachgiebige Dichtung 56 eine Härte von etwa 75 auf der Shore ”A” Skala auf. Die nachgiebige Dichtung 56 hat einen im Allgemeinen ”L”-förmigen Querschnitt mit einem radialen Bein 60 und einem axialen Bein 62. Das axiale Bein 62 hat ein konvexes, abgerundetes distales Ende und ist so bemessen, dass es im freien Zustand aus der ersten Stirnfläche 44 des Dichtungshalters 42 hervorragt. Das Maß des Vorsprungs wird durch das Maß der Kompression bestimmt, die gewünscht ist, nachdem die Fluidkupplung 10 zusammengebaut ist.
Der Stützring 58 ist in der durch die radialen und axialen Beine 60 und 62 gebildeten ”Ecke” angeordnet. Der Stützring 58 ist an der nachgiebigen Dichtung 56 gesichert. Beispiele geeigneter Verfahren zum Sichern der beiden Komponenten beinhalten Befestigungsmittel, Klebstoffe, thermische oder Ultraschallverbindungen und Pressverbindungen der nachgiebigen Dichtung 56 und des Stützrings 58. Der Stützring 58 ist aus einem härteren Material hergestellt als die nachgiebige Dichtung 56, um zu verhindern, dass die unter Druck stehende nachgiebige Dichtung 56 zwischen die Komponenten der Fluidkupplung 10 quillt. In dem veranschaulichten Beispiel genügt für diesen Zweck in der Regel ein beliebiges Material mit einer Härte von etwa 90 Shore A oder darüber. Viele bekannte Kunststoffe und Metalle können diese Härteanforderung erfüllen.
Optional können die Dichtungsringe 52 beispielsweise mittels Befestigungsmitteln oder Klebstoffen in den Nuten 48 und 52 gesichert sein. Hierdurch wird die Dichtungsanordnung 20 eine integrale Einheit.
5 zeigt die Fluidkupplung 10 in einem zusammengebauten Zustand, wobei die Dichtungsanordnung 20 zwischen die erste und zweite Pressklemme 14 und 18 geklemmt ist, die ihrerseits durch die Flansche 22 und 24 geklemmt werden. Die Dichtungsringe 52 sind in den Nuten 48 und 50 angeordnet. Die nachgiebigen Dichtungen 56 sind zusammengedrückt und die Stützringe 58 sind an der Außenseite der nachgiebigen Dichtungen 56 angeordnet, so dass sie einem Herausquellen der nachgiebigen Dichtungen 56 standhalten können. Es ist nicht möglich, die Stützringe 58 unbeabsichtigt von der Dichtungsanordnung 20 wegzulassen, da sie, wie im Vorausgehenden beschrieben, an den nachgiebigen Dichtungen 56 befestigt sind. Aufgrund des L-förmigen Querschnitts der nachgiebigen Dichtungen 56 fällt darüber hinaus sofort auf, falls sie verkehrt eingebaut sind. Für den Fall, dass die Dichtungsringe 52 an dem Dichtungshalter 42 befestigt sind, ist es unmöglich, die Dichtungsringe 52 aus der Anordnung wegzulassen. Die Dichtungsanordnung 20 ist symmetrisch, so dass es auch nicht möglich ist, die Fluidverbindung 10 verkehrt zusammenzubauen.
Die oben beschriebene Dichtungsanordnung weist im Vergleich zu Flanschdichtungen aus dem Stand der Technik mehrere Vorteile auf, nämlich: (1) ein geringeres Gewicht des Anschlussstücks, (2) eine erhöhte Zuverlässigkeit der Dichtung, (3) ein einfaches visuelles Erkennen einer richtig eingebauten Dichtung, (4) weniger Ausfälle, die auf einen fehlerhaften Einbau der Dichtung nach einer Wartung zurückzuführen sind, (5) eine verbesserte Wartbarkeit durch Minimierung der Teilezahl, und geringere Kosten durch die Vereinfachung der Herstellung des 4-Bolzen-Flansches. Diese Vorteile ermöglichen eine leichtere Dichtungskonstruktion, die einfacher zu warten ist und größere Zuverlässigkeit aufweist.
Im Vorausgehenden wurde eine Konstruktion einer Fluidkupplung und eine Dichtungsanordnung beschrieben. Während spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, wird es dem Fachmann klar sein, dass vielfältige Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem Schutzumfang und Gegenstand der Erfindung abgewichen wird. Dementsprechend dient die vorausgehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und des besten Modus für eine praktische Verwirklichung der Erfindung lediglich der Veranschaulichung und soll nicht beschränken.
ZUSAMMENFASSUNG
Zu einer Dichtungsanordnung für eine Fluidkupplung gehören: (a) ein allgemein ebener, im Wesentlichen starrer Dichtungshalter mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Stirnflächen, wobei in der ersten Stirnfläche eine ringförmige erste Nut ausgebildet ist; (b) eine erste nachgiebige Dichtung, die in der ersten Nut angeordnet ist; und (c) ein ringförmiger erster Stützring, der radial außerhalb der ersten nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der ersten nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der erste Stützring wesentlich härter ist als die erste nachgiebige Dichtung.

Claims

Dichtungsanordnung für eine Fluidkupplung, zu der gehören: (a) ein allgemein ebener, im Wesentlichen starrer Dichtungshalter mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Stirnflächen, wobei in der ersten Stirnfläche eine ringförmige erste Nut ausgebildet ist; (b) eine erste nachgiebige Dichtung, die in der ersten Nut angeordnet ist; und (c) ein ringförmiger erster Stützring, der radial außerhalb der ersten nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der ersten nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der erste Stützring wesentlich härter ist als die erste nachgiebige Dichtung.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste nachgiebige Dichtung in der ersten Nut befestigt ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei: (a) die erste nachgiebige Dichtung einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt mit axial und radial sich erstreckenden Beinen aufweist; und (b) der erste Stützring in einer Ecke angeordnet ist, die durch die radialen und axialen Beine definiert ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, wobei das sich axial erstreckende Bein ein konvexes, gekrümmtes distales Ende aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das sich axial erstreckende Bein im freien Zustand über die erste Stirnfläche des Dichtungshalters hinausragt.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste nachgiebige Dichtung auf einem Fluorcarbonelastomer basiert.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste nachgiebige Dichtung eine Härte von etwa 75 Shore A oder weniger aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Stützring eine Härte von etwa 90 Shore A oder darüber aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Dichtungshalter eine ringförmige zweite Nut aufweist, die in der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist, wobei zu der Dichtungsanordnung ferner gehören: (a) eine zweite nachgiebige Dichtung, die in der zweiten Nut angeordnet ist; und (b) ein ringförmiger zweiter Stützring, der radial außerhalb der zweiten nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der zweiten nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der zweite Stützring wesentlich härter ist als die zweite nachgiebige Dichtung.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 9, wobei die zweite nachgiebige Dichtung in der zweiten Nut befestigt ist.
Fluidkupplung, zu der gehören: (a) eine erste Pressklemme, die eine durch sie hindurchführende Öffnung und eine Dichtungsfläche aufweist, die an einem Ende davon angeordnet ist; (b) eine zweite Pressklemme, die eine durch sie hindurchführende Öffnung und eine Dichtungsfläche aufweist, die an einem Ende davon angeordnet ist; (c) ein allgemein ebener, im Wesentlichen starrer Dichtungshalter, der zwischen die Dichtflächen der Pressklemmen geklemmt ist, wobei der Dichtungshalter gegenüberliegende erste und zweite Stirnflächen aufweist, wobei in jeder Stirnfläche eine Ringnut ausgebildet ist; und (d) ein in jeder der Nuten angeordneter Dichtungsring, zu dem gehören: (i) eine nachgiebige ringförmige Dichtung; und (ii) ein ringförmiger Stützring, der radial außerhalb der nachgiebigen Dichtung angeordnet ist und der an der nachgiebigen Dichtung befestigt ist, wobei der Stützring wesentlich härter ist als die nachgiebige Dichtung.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, wobei die Dichtungsringe in den Nuten gesichert sind.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, zu der ferner gehören: (a) ein erster Flansch, der gegen die erste Pressklemme in Anlage steht; (b) ein zweiter Flansch, der gegen die zweite Pressklemme in Anlage steht; und (c) Klemmmittel, die die Flansche aneinander sichern.
Fluidkupplung nach Anspruch 13, wobei die Klemmmittel auf mechanischen Befestigungsmitteln basiert, die den ersten und zweiten Flansch miteinander verbinden.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, zu der ferner gehören: (a) eine erste Leitung, die in strömungsmäßiger Verbindung an der ersten Pressklemme gesichert ist; und (b) eine zweite Leitung, die in strömungsmäßiger Verbindung an der zweiten Pressklemme gesichert ist.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, wobei: (a) jede der nachgiebigen Dichtungen einen allgemein L-förmigen Querschnitt mit axial und radial sich erstreckenden Beinen aufweist; und (b) der entsprechende Stützring jeder Dichtung in einer Ecke angeordnet ist, die durch die radialen und axialen Beine definiert ist.
Fluidkupplung nach Anspruch 16, wobei das sich axial erstreckende Bein jeder nachgiebigen Dichtung ein konvexes, gekrümmtes distales Ende aufweist.
Fluidkupplung nach Anspruch 16, wobei das sich axial erstreckende Bein in einem freien Zustand über die Stirnfläche des Dichtungshalters hinausragt.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, wobei jede der nachgiebigen Dichtungen auf einem Fluorcarbonelastomer basiert.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, wobei jede der nachgiebigen Dichtungen eine Härte von etwa 75 Shore A oder weniger aufweist.
Fluidkupplung nach Anspruch 11, wobei jeder der Stützringe eine Härte von etwa 90 Shore A oder darüber aufweist.