EA006115B1

EA006115B1 - Вращательные соединения

Info

Publication number: EA006115B1
Application number: EA200401409A
Authority: EA
Inventors: Марк Райфшнайдер; Ричард Липперт
Original assignee: С. Д. Уоррен Сервисез Компани
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2005-08-25
Also published as: WO2003089832A1; JP2005522659A; US7374211B2; CA2480952A1; AU2003218222A1; HK1073683A1; EA200401409A1; EP1497584A1; BR0309338A; KR20040101501A; US7150477B2; US20030197368A1; CN1311185C; JP4223963B2; AU2003218222B2; US20070066408A1; KR100713800B1; CN1646846A

Abstract

Созданы вращательные соединения (10), обеспечивающие возможность прохождения текучей среды от неподвижного элемента к подсоединенному вращающемуся элементу (8), содержащие корпус (22), сконструированный так, чтобы устанавливать его поверх вращающегося элемента, и так, чтобы в него заходила текучая среда, подаваемая от неподвижного элемента к вращающемуся элементу, соединительную часть, имеющую возможность вращения и расположенную внутри корпуса, сконструированную так, чтобы жестко крепить ее к вращательному элементу, и плавающую уплотняющую систему (32, 50, 62), сконструированную так, чтобы обеспечивать возможность утечки контролируемого количества текучей среды из вращательного соединения в течение подачи текучей среды от неподвижного элемента к вращательному элементу.

Description

Это изобретение относится к вращательным соединениям, а точнее к вращательным соединениям, используемым совместно с валами каландров.

Предпосылки для создания изобретения

В области изготовления бумаги часто используют вращательные соединения для подачи горячей текучей среды, например горячего масла к вращающемуся валу каландра, чтобы нагреть поверхность вала. Для поддерживания и отделения вращающихся и неподвижных компонентов соединения используют подшипники, для которых необходима предназначенная для них система смазки. Для предотвращения утечек текучей среды, когда она проходит от источника подачи через вращательное соединение к валу каландра, обычно используют механические уплотнения. Такие подшипники и уплотнения подвержены повреждениям, причем некоторые случаи повреждения вращательного соединения могут привести к возгоранию вследствие наличия горячего масла.

Подобные соединения используют в текстильной промышленности, например, на ламинирующих валах, применяемых при изготовлении ковров, а также на прессовочных валах, применяемых в мельницах для изготовления древесностружечных плит.

Краткое изложение существа изобретения

Настоящее изобретение относится к вращательному соединению, которое обеспечивает хорошее уплотнение между вращающимся элементом, таким как вал каландра, прессовочный вал или ламинирующий вал, и неподвижным элементом, таким как патрубок для подачи текучей среды к вращающемуся элементу. Уплотняющее действие обеспечивают без использования механических уплотнений, получая при этом безопасное, надежное уплотнение. В предпочтительных вариантах осуществления конструкции вращательного соединения оно также не имеет каких-либо подшипников. Уплотняющее действие обеспечивают посредством плавающих кольцевых уплотнений, которые легко монтировать и эксплуатировать. Плавающие кольца обеспечивают возможность относительного перемещения уплотняемых деталей, находящегося в соответствии с тепловым расширением и сжатием деталей и с радиальным перемещением вращающегося элемента вследствие радиального внутреннего зазора опоры. В некоторых вариантах конструкции уплотнения сконструированы так, чтобы обеспечивать возможность утечки контролируемого количества текучей среды из очищенной камеры вращательного соединения, и, если желательно, эта текучая среда рециркулирует назад к вращательному соединению по контуру для прохождения текучей среды. Предпочтительные вращательные соединения обеспечивают повышенную безопасность окружающей среды, в которой осуществляют производство, при этом могут быть использованы горячие, воспламеняемые текучие среды, например горячее масло с незначительной опасностью воспламенения или с ее отсутствием.

Согласно одному из аспектов изобретение относится к вращательному соединению, которое сконструировано таким образом, чтобы соединять вращающийся элемент с относительно неподвижным элементом, и включает в себя (а) корпус, выполненный с возможностью установки его поверх вращающегося элемента и приема текучей среды, подаваемой от неподвижного элемента к вращающемуся элементу, (Ь) вращаемую соединительную часть, расположенную внутри корпуса и выполненную с возможностью жесткого прикрепления к вращающемуся элементу, и (с) плавающую уплотняющую систему, выполненную с обеспечением возможности утечки контролируемого количества текучей среды из вращательного соединения в течение подачи текучей среды от неподвижного элемента к вращающемуся элементу.

Некоторые варианты осуществления конструкции могут включать в себя один или более из следующих отличительных признаков. Контролируемая величина составляет примерно от 0,5 до 2% общей величины потока текучей среды к вращательному соединению. Контролируемая величина составляет примерно от 1 до 20 галлонов в минуту (3,78-75,6 л/мин). Вращающийся элемент включает в себя вал каландра. Система с плавающим уплотнением включает в себя множество плавающих лабиринтных уплотнений. Плавающие лабиринтные уплотнения расположены между вращаемой соединительной частью и частями корпуса. Вращательное соединение дополнительно включает в себя промываемую азотом камеру, которая сконструирована таким образом, чтобы она улавливала текучую среду, вытекающую из вращательного соединения, и обеспечивала возможность сбора этой текучей среды для ее возврата к вращательному соединению. Вращательное соединение не содержит подшипников. Вращательное соединение не включает в себя механических уплотнений. Корпус и соединительную часть, имеющую возможность вращения, формируют из одинакового материала, например из стали. Плавающая уплотняющая система сконструирована так, чтобы было обеспечено самостоятельное удаление воздуха через вращательное соединение при запуске после простоя, вызванного проведением технического обслуживания. Плавающая уплотняющая система сконструирована так, чтобы обеспечить возможность удаления воздуха через вращательное соединение с расходом по меньшей мере 25 галлонов в минуту (94,5 л/мин), а предпочтительно по меньшей мере 100 галлонов в минуту (378 л/мин).

Согласно другому аспекту изобретение представляет собой вращательное соединение, которое сконструировано таким образом, чтобы соединять вращающийся элемент с относительно неподвижным элементом, и включает в себя (а) корпус, сконструированный так, чтобы устанавливать его поверх вращающегося элемента, (Ь) торцевую плиту, отходящую от дальнего конца корпуса и сконструированную так, чтобы обеспечить возможность жесткого крепления к корпусу неподвижного элемента, (с) вращае

- 1 006115 мую соединительную часть, расположенную внутри корпуса и сконструированную так, чтобы она была жестко прикреплена к вращающемуся элементу, и чтобы в нее заходила часть торцевой плиты с зацеплением, обеспечивающим уплотнение, (б) первое уплотнение, сконструированное так, чтобы обеспечить уплотняющее зацепление между соединительной частью, имеющей возможность вращения, и частью торцевой плиты, (е) второе уплотнение, сконструированное так, чтобы обеспечить уплотняющее зацепление между вращаемой соединительной частью и внутренней стенкой корпуса.

Некоторые варианты осуществления конструкции могут включать в себя один или более из следующих отличительных признаков. Соединение дополнительно включает в себя третье уплотнение для обеспечения уплотняющего зацепления между имеющей возможность вращения цапфой вала и внутренней стенкой корпуса. Первое, второе и третье уплотнения представляют собой плавающие уплотнения, например плавающие лабиринтные уплотнения. Вращательное соединение не содержит подшипников. Вращательное соединение не включает в себя механических уплотнений. Корпус и соединительная часть, имеющая возможность вращения, образованы из одинакового материала, например из стали. Первое уплотнение представляет собой уплотнение для высокого давления. Второе уплотнение представляет собой уплотнение для низкого давления. Третье уплотнение представляет собой уплотнение для сохранения очистного газа. Соединительная часть, имеющая возможность вращения, включает в себя вторую часть, сконструированную так, чтобы вводить ее в полость во вращающемся элементе. Неподвижный элемент сконструирован так, чтобы подавать текучую среду к вращающемуся элементу через вращательное соединение. Вторая часть вращаемой соединительной части с обеспечением уплотнения входит в зацепление с частью торцевой плиты, при этом уплотняющее зацепление будет обеспечено первым уплотнением. Вторая часть имеющей возможность вращения соединительной части и часть торцевой плиты образуют канал. Торцевая плита образует подвод, а канал предназначен для возможности прохождения текучей среды от подвода к полости во вращающемся элементе. Торцевая плита дополнительно образует отвод, а наружная стенка второй части соединительной части, имеющей возможность вращения, и внутренняя стенка полости в корпусе образуют проход, через который текучая среда может поступать от вращательного элемента к отводу.

Согласно еще одному аспекту изобретение относится к способу подачи текучей среды от неподвижного источника к вращающемуся элементу, который включает в себя (а) подачу текучей среды от источника к вращательному соединению, содержащему корпус, сконструированный так, чтобы устанавливать его поверх вращательного элемента и чтобы он имел часть, предназначенную для захождения в нее текучей среды, (Ь) прохождение текучей среды через соединительную часть, имеющую возможность вращения, расположенную внутри корпуса и сконструированную так, чтобы ее можно было жестко крепить к вращающемуся элементу, и (с) обеспечение возможности прохождения контролируемой величины утечек текучей среды за плавающую уплотняющую систему, расположенную между соединительной частью, имеющей возможность вращения, и корпусом.

Некоторые варианты осуществления конструкции могут включать в себя один или более из следующих отличительных признаков. Контролируемая величина составляет примерно от 0,5 до 2% полного потока жидкости к вращательному соединению. Контролируемая величина утечек составляет примерно от 1 до 20 галлонов в минуту (от 3,78 до 75,6 л/мин). Плавающая уплотняющая система включает в себя множество плавающих лабиринтных уплотнений. Способ дополнительно включает в себя сбор утекающей текучей среды и ее возврат к источнику для подачи к вращательному соединению. Жидкость представляет собой горячее масло, например минеральное масло. Способ дополнительно включает в себя очистку зон корпуса, содержащих воздух, например их очистку инертным газом для предотвращения возможности окисления масла. Когда жидкость циркулирует при температуре, близкой к максимальной рабочей температуре ее общей массы, вязкость жидкости будет меньше вязкости воды.

Согласно еще одному аспекту изобретение относится к плавающему уплотнению для обеспечения уплотнения между внутренней цилиндрической поверхностью и наружной цилиндрической поверхностью, при этом внутренняя и наружная поверхности образуют камеру. Уплотнение включает в себя (а) множество колец, сконструированных так, чтобы устанавливать их в камере, и расположенных вблизи друг от друга по длине камеры для перемещения внутри нее, и (Ь) смещающий элемент, сконструированный так, чтобы прилагать осевое торцевое давление к кольцам в направлении захождения в камеру текучей среды в течение использования уплотнения и удерживания колец прижатыми друг к другу и к торцевой поверхности камеры для доведения до минимума утечек по наружному диаметру колец.

Некоторые варианты осуществления конструкции могут включать в себя один или более из следующих отличительных признаков. Диаметр камеры, которая содержит кольца по меньшей мере на 0,1 дюйма (2,54) больше наружного диаметра колец, например диаметр камеры больше наружного диаметра колец на 0,1-1,0 дюйм (2,54-25,4 мм). Смещающий элемент включает в себя волновую пружину. Плавающее уплотнение сконструировано так, чтобы довести до минимума утечки жидкости через уплотнение. Кольца сконструированы так, чтобы создавать извилистый путь, содержащий чередующиеся ограниченные зоны и большие пустые зоны, создающие турбулентность.

Согласно еще одному аспекту изобретение также относится к плавающему уплотнению для обеспечения уплотнения между внутренней цилиндрической поверхностью и наружной цилиндрической по

- 2 006115 верхностью, при этом внутренняя и наружная поверхности образуют камеру, а уплотнение включает в себя множество колец, скомпонованных так, чтобы образовывать извилистый путь, содержащий чередующиеся ограниченные зоны и большие пустые зоны, создающие турбулентность.

Согласно еще одному аспекту изобретение относится к вращательному соединению, сконструированному так, чтобы соединять вращающийся элемент с относительно неподвижным элементом, и включающему в себя (а) корпус, сконструированный так, чтобы устанавливать его поверх вращающегося элемента и чтобы в него заходила текучая среда, подаваемая от неподвижного элемента к вращающемуся элементу, (Ь) соединительную часть, имеющую возможность вращения, расположенную внутри корпуса и сконструированную так, чтобы она была жестко прикреплена к вращающемуся элементу, и (с) плавающую уплотняющую систему, содержащую плавающее лабиринтное уплотнение, включающее в себя множество колец, скомпонованных так, чтобы образовывать извилистый путь, содержащий чередующиеся ограниченные зоны и большие пустые зоны, создающие турбулентность.

Термин плавающее уплотнение, который здесь использован, относится к уплотнению, которое, когда оно с созданием уплотняющего действия расположено между двумя частями, обеспечивает зазор и относительное осевое и радиальное движение двух частей.

Детали одного или большого количества вариантов осуществления конструкции показаны на прилагаемых фигурах и описаны ниже. Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут очевидны из описания, фигур и формулы изобретения.

Описание фигур

На фиг. 1 представлен вид в перспективе вращательного соединения согласно одному из аспектов изобретения;

на фиг. 2 - осевой вид в поперечном сечении узла, показанного на фиг. 1;

на фиг. 2 А - увеличенный вид зоны, указанной штрих-пунктирными линиями на фиг. 2;

на фиг. 2В - вид, подобный виду на фиг. 2А, при этом текучая среда указана ретушированием; на фиг. 2С - вид, подобный виду на фиг. 2А, при этом вращающиеся детали заштрихованы;

на фиг. 3 - увеличенный подробный вид части фиг. 2А (которая указана на фиг. 2А штрихпунктирными линиями), показывающий конфигурацию плавающего уплотнения согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 4 - увеличенный подробный вид еще одной части фиг. 2А (обозначенной на фиг. 2А штрихпунктирными линиями), показывающий плавающее уплотнение для сохранение азота;

на фиг. 5 и 5А соответственно представлены вид сверху и вид в поперечном сечении кольца, пригодного для использования в плавающем уплотнении, при этом вид на фиг. 5А показан по линии 5А-5А сечения на фиг. 5;

на фиг. 6 и 6А соответственно показаны вид спереди и вид в сечении волновой пружины, пригодной для использования в плавающем уплотнении;

На фиг. 7-7Е с большим увеличением представлены схематические виды, показывающие плавающие уплотнения согласно альтернативным вариантам осуществления изобретения;

На фиг. 8 - схема, демонстрирующая собирательную емкость/нагнетательную систему для использования совместно с вращательным соединением согласно фиг. 1.

Подробное описание

На фиг. 1 показано вращательное соединение 10. Согласно фиг. 2 вращательное соединение 10 установлено на несущем корпусе 6, который удерживает цапфу 8 вала 12 каландра, например вала каландра, пригодного для использования при изготовлении бумаги. Вращательное соединение 10 включает в себя впускной патрубок 14, по которому текучая среда, например горячее масло, может входить во вращательное соединение, и наружный патрубок 16, по которому текучая среда может выходить из вращательного соединения. При использовании эти патрубки соединены с источником подачи текучей среды, например с источником подачи горячего масла (не показан). Источник подачи текучей среды сконструирован так, чтобы нагревать масло, выходящее из вращательного соединения, и нагнетать его назад к вращательному соединению. Направление потока текучей среды через вращательное соединение указано стрелками на фиг. 2. Горячая текучая среда проходит из входного патрубка через внутреннюю подающую трубу 18 (фиг. 2) и таким образом к валу 12 каландра, чтобы нагревать поверхность вала каландра. Текучая среда совершает несколько проходов (не показано) под поверхностью вала каландра, что хорошо известно в области изготовления бумаги, и затем выходит из вращательного соединения через выходной патрубок 16.

Вращательное соединение 10 служит в качестве раздела между источником подачи текучей среды, который неподвижен, и вращающимся валом каландра. На фиг. 2С вращающиеся части заштрихованы, а неподвижные части не заштрихованы, чтобы облегчить понимание того, какие части вращаются, а какие неподвижны. Внутренняя часть 20 вращательного соединения вращается совместно с валом каландра, в то время как наружная корпусная часть 22 вращательного соединения остается неподвижной. Внутренняя часть 20 включает в себя внутреннюю подающую трубу 18, а также подсоединенные к внутренней подающей трубе охватывающий держатель 24 колец и цилиндр 26, сопрягающийся с наружным уплотнением. Согласно фиг. 3 охватывающий держатель 24 колец образует внутреннюю полость 42 уплотне

- 3 006115 ния. Наружная часть 22 включает в себя наружный корпус 28, торцевую крышку 30, установленную на наружном корпусе, а также входной и выходной патрубки 14, 16, проходящие через торцевую крышку. Наружная часть также образует дренажное отверстие 31 для утечек и нормально закрытое вентиляционное отверстие 37, а также входное отверстие 29 для азота. Вентиляционное отверстие 37 предусмотрено для проведения технического обслуживания и возможности поступления к валу воздуха, когда в системе происходит дренирование, чтобы довести до минимума время дренирования и блокирования паров.

Необходимо создать уплотнение между вращающейся внутренней частью соединения и неподвижной наружной частью, чтобы обеспечить эффективное выполнение цикла прохождения текучей среды в соединение и выхода из него. При отсутствии уплотнения чрезмерное количество текучей среды было бы потеряно и давление текучей среды по валу не могло бы быть сохранено надлежащим образом. Однако установлено, что нет необходимости в полном исключении утечек. Вместо этого может быть допущена контролируемая величина утечек, при этом утечки текучей среды могут быть собраны и, если желательно, может быть обеспечена их рециркуляция совместно с текучей средой, выходящей через выходной патрубок 16, посредством отдельного использования собирательной емкости/нагнетательной системы.

Пример подходящей собирательной емкости/нагнетательной системы показан на фиг. 8. В варианте осуществления конструкции, показанном на фиг. 1-3, утекающая текучая среда выходит из дренажного отверстия 31 (стрелка Ь на фиг. 2А). Как показано на фиг. 8, утекающая текучая среда проходит по патрубку 100 и собирается в возвратной емкости 102 соединения. Возвратный насос 104 нагнетает текучую среду из возвратной емкости 102 соединения через патрубок 106 и назад к входному патрубку 14 вращательного соединения посредством всасывающего действия насоса (не показан) для горячего масла каландра. Как показано на фиг. 8, предусмотрен выравнивающий клапан 108 для сохранения постоянного уровня жидкости в емкости, чтобы предотвратить втягивание воздуха возвратным насосом, если емкость становится пустой. Управление выравнивающим клапаном 108 осуществляется посредством датчика 110 уровня и устройства 112 управления уровнем. Если уровень в емкости становится высоким, избыточная текучая среда будет выходить из возвратной емкости соединения через патрубок 114 и поступает в емкости (не показано) для хранения горячего масла.

Приемлемая величина утечек может, например, составлять до 5% полного потока, а обычно примерно 0,5-2% полного потока. Предпочтительно, чтобы величина утечек была достаточно мала, так чтобы размер и стоимость требуемой собирательной емкости и нагнетательной системы могли быть доведены до минимума. Однако если желательно, утечки могут быть отрегулированы таким образом, чтобы они составляли 10% полного потока или более, просто путем установки насоса, достаточно большого для его соответствия требуемому возврату текучей среды к вращательному соединению. Полное количество приемлемых утечек будет изменяться в зависимости от определенного числа факторов и в некоторых случаях может составлять, например, приблизительно от 1 до 20 галлонов в минуту (3,78-75,6 л/мин).

Поскольку некоторая величина утечек приемлема, нет необходимости в использовании непроницаемых уплотнений между вращающимися и неподвижными частями соединения. Вместо этого могут быть использованы плавающие уплотнения, обеспечивающие зазор и возможность относительного осевого и радиального перемещения этих частей. Зазор и радиальное перемещение находятся в соответствии с перемещением корпуса 6 (фиг. 2А) и допусками на изготовление, в то время как относительное осевое перемещение находится в соответствии с тепловым расширением и сжатием деталей, когда вал каландра и вращательное соединение нагреты горячей текучей средой.

Как показано на фиг. 3, охватывающий держатель 24 колец несет на себе плавающее уплотнение 32 в сборе для высокого давления, которое обеспечивает уплотнение между наружной поверхностью 33 внутреннего патрубка 14 и внутренней поверхностью охватывающего держателя 24 колец, уменьшая утечки текучей среды в направлении, указанном стрелкой Ь на фиг. 3. Таким образом, уплотнение 32 уменьшает утечки текучей среды, которая проходит к валу каландра (стрелки Е, фиг. 3). Уплотнение 32 для высокого давления эффективно при относительно высоких давлениях текучей среды, составляющих, например, 60 фунтов на квадратный дюйм (4,2 кгс/см²). Давление порядка 60 фунтов на квадратный дюйм (4,2 кгс/см²) обычно будет действовать при расходах текучей среды порядка 400-600 галлонов в минуту (1512-2268 л/мин) в направлении стрелок Е на фиг. 3. Имеется большая зона 42 зазора, например, шириной порядка 0,05-0,06 дюйма (1,27-1,52 мм) между наружным диаметром колец и внутренней поверхностью охватывающего держателя 24 колец, обеспечивающая возможность плавания колец, а также обеспечивающая зазор и возможность осевого/радиального перемещения, что было обсуждено выше. Если желательно, зона зазора может быть значительно расширена, составляя, например, 0,125 дюйма (3,175 мм) или более.

Уплотнение 32 включает в себя множество соосно расположенных колец 34, которые имеют фактически одинаковый наружный и внутренний диаметры. Кольца 34 подробно показаны на фиг. 5 и 5 А, и будут описаны ниже. Как показано на фиг. 5А, каждое из колец включает в себя относительно толстую наружную зону 36 и относительно тонкую внутреннюю зону 38, образующую направляющую полоску 41. Если снова обратиться к фиг. 3, то согласно ей кольца расположены таким образом, что внутренние зоны 38 (см. фиг. 5А) действуют в качестве перемычек, а разность толщины зон 36 и 38 образует множество промежутков 40 (фиг. 3) между кольцами, которые создают зоны турбулентности текучей среды.

- 4 006115

Вследствие зазора между направляющей полоской 41 и уплотняющей поверхностью 33 небольшое количество текучей среды может проходить под внутренние зоны 38 и в промежутки 40. В связи с тем, что зазор весьма мал и кольца весьма близко отстоят друг от друга, происходит быстрое падение давления и будет создана турбулентность, когда текучая среда пытается пройти через уплотнение.

Таким образом, изолируемая жидкость должна проходить между узкими направляющими полосками 41 уплотняющих колец и уплотняющей поверхностью 33. Этот зазор весьма мал (он составляет, например, 0,003 -0,005 (0,076-0,127 мм)), доводя до минимума поток жидкости. Жидкость замедляется, когда она входит в открытую зону 40, перед тем как она течет через следующую направляющую полоску на следующем кольце. При этом будет создана микротурбулентность и произойдет небольшое падение давления на каждой границе между кольцами (то есть на границе между направляющей полоской 41 и уплотняющей поверхностью 33). Когда совместно друг с другом набрано достаточное количество колец, добавочное падение давления на каждом из колец приводит к небольшой величине утечек через уплотнение в сборе. Таким образом, если желательно, для уменьшения утечек может быть добавлено больше колец. Обычно количество колец ограничено лишь имеющимся пространством и стоимостью. Подобным же образом, если допустимы большие утечки, может быть использовано меньшее количество колец.

У торца 44 уплотнения, со стороны которого поступают утечки жидкости, расположена волновая пружина 160 для смещения колец 34 к противоположному торцу 46 уплотнения, прижимая кольца друг к другу и оказывая сопротивление давлению утекающей текучей среды, которое стремится вынудить кольца отойти в сторону друг от друга. Поскольку волновая пружина создает эту силу смещения, она создает препятствие потоку утекающей текучей среды между кольцами 34, а также вокруг колец в зоне 42, так как они удерживаются друга у друга и у крышки 61 держателя уплотнения, эффективно блокируя этот потенциальный путь прохождения утечек. Подходящая волновая пружина показана на фиг. 6 и 6А и описана ниже. Подобно кольцам, волновая пружина установлена так, чтобы она плавала в зоне уплотнения с обеспечением зазора, подобного зазору, который обеспечен между кольцами и внутренним фланцем.

Подобным же образом несущая уплотнение часть 48 наружного корпуса 28 несет на себе уплотнение 50 для низкого давления, которое обеспечивает уплотнение между наружной поверхностью 52 наружного цилиндра 26 и частью 48 корпуса. Уплотнение 50 уменьшает утечки текучей среды в направлении, указанном стрелкой Ь_В на фиг. 3, и, следовательно, уменьшает утечки текучей среды, которая возвращается от вала каландра (стрелки В, фиг. 3). Текучая среда, которая утекает за уплотнение 50, вначале проходит в камеру 77, из которой она направляется посредством вращающейся перегородки 79 через отверстие 81 в огражденную и очищенную азотом камеру 80 (фиг. 2 А). Вращающаяся перегородка 79 препятствует контакту большей части или всех утечек текучей среды со стенкой 83 (лицевая поверхность цапфы). Функция очистки азотом камеры 80 будет описана ниже. Уплотнение 50 для низкого давления эффективно действует при средних давлениях текучей среды, составляющих порядка 10-15 фунтов на квадратный дюйм (0,7-1,05 кгс/см²). Такое давление будет действовать при расходах текучей среды порядка 400-600 галлонов в минуту (1512-2268 л/мин) в направлении стрелок В на фиг. 3.

Подобно уплотнению 32, уплотнение 50 включает в себя волновую пружину, которая смещает кольца к торцу, противоположному тому торцу, со стороны которого текучая среда входит в уплотнение. При этом волновая пружина 56 расположена у торца 58 для смещения колец к противоположному концу 60.

Как показано на фиг. 2А, жидкость, которая утекает через уплотнение 32, смешивается с основной массой жидкости, выходящей из вращательного соединения, как указано стрелками В, в то время как жидкость, которая утекает через уплотнение 50, выходит из вращательного соединения через отверстие 31 для дренирования утечек, как показано стрелкой Ь.

Поскольку плавающее уплотнение состоит из плавающих колец и плавающей кольцеобразной волновой пружины, вращательное соединение может быть легко собрано посредством установки колец и пружины в уплотняемой зоне и последующего крепления крышки в надлежащем месте посредством болтов. Например, согласно фиг. 3 крышка 61 предназначена для уплотнения 32, а крышка 64 предназначена для уплотнения 50. Уплотнения при необходимости могут быть отремонтированы и заменены путем простого удаления крышки и каких-либо колец, которые требуют ремонта и замены.

Как указано выше, согласно фиг. 2А и 2В текучая среда, которая утекает из уплотнения 50, течет в огражденную, очищаемую азотом камеру 80 корпуса. В отличие от смежной камеры 82, камеру 80 текучая среда не затапливает, когда используют вращательное соединение (см. фиг. 2В, на которой зоны, содержащие текучую среду, заретушированы). В результате, если камера 80 не промыта азотом, в ней будет находиться воздух. Воздух будет стремиться окислить утекающее масло, которое поступает в камеру 80, создавая потенциальную опасность коксования и воспламенения, если имеется источник возгорания. Таким образом, как было обсуждено выше, желательно, чтобы камера 80 была промыта азотом в течение использования вращательного соединения, чтобы предотвратить окисление.

Согласно фиг. 2 А и фиг. 4 А вращательное соединение 10 дополнительно включает в себя уплотнение 62, сохраняющее азот, которое создает уплотнение между наружным корпусом 28 и цапфой 8 вала каландра. Это уплотнение препятствует утечкам азота из камеры 80 и тем самым доводит до минимума

- 5 006115 стоимость выполняемой очистки азотом. По конструкции уплотнение 62 подобно обсужденным выше уплотнениям, за исключением того, что оно включает в себя меньшее количество колец 84, поскольку уплотнение 62 должно обеспечивать уплотнение при низком давлении порядка 0,5 водяного столба (12,7 мм) (давление азота в камере 80). Подобно уплотнениям, обсуждавшимся выше, кольца смещаются посредством волновой пружины 86 в направлении потока текучей среды к уплотнению.

Как показано на фиг. 2А, в качестве отличительного признака, обеспечивающего безопасность, выполнено сигнальное отверстие ТТ, находящееся вблизи уплотнения 62 в донной части вращательного соединения. Если камера 80 затапливается текучей средой, например, в случае разрушения уплотнения, жидкость будет вытекать из сигнализатора. Может быть установлен датчик для обнаружения жидкости и выдачи сигнала о наличии жидкости, текущей от сигнализатора, например, в виде звукового сигнала тревоги или индикации на панели управления. Как вариант, может быть использовано визуальное обнаружение, чтобы определить, вытекает ли жидкость из сигнализатора.

Кольцо, пригодное для использования в описанном выше плавающем уплотнении для высокого давления, показано на фиг. 5 и 5А. Как было обсуждено выше, кольцо 34 включает в себя относительно толстую наружную зону 36 и относительно тонкую внутреннюю зону 38. Согласно фиг. 5А наружная зона 36 обычно имеет толщину Т₁, примерно составляющую 0,125-0,250 дюйма (3,175-6,35 мм), и ширину ν₁₅ примерно составляющую 0,125-0,250 дюйма (3,175-6,35 мм), а внутренняя зона 38 имеет толщину Т₂, примерно составляющую 10-20% Т₁, и ширину ν₂, примерно составляющую 4-10 Т₂. В общем, отношение Т₁ к Т₂ составляет примерно от 1:10 до 1:5, а отношение ν₁ к ν₂ примерно составляет от 1:1 до 2:1. Чем меньше толщина Т₂, тем выше управление утечками, но также тем больше тенденция к относительно быстрому износу направляющей полоски 41. В случае вращательного соединения, используемого совместно с валом каландра, имеющим диаметр порядка 52 дюймов (1320,8 мм), внутренний диаметр ΙΌ кольца 34 обычно составляет примерно от 4,0 до 5,0 дюймов (от 101,6 до 127 мм), а наружный диаметр ΘΌ примерно составляет от 4,5 до 5.5 дюйма (от 114,3 до 139,7 мм).

Кольца, пригодные для использования в плавающем уплотнении для низкого давления и уплотнении для сохранения азота, подобны кольцу, показанному на фиг. 5 и 5А. Кольца 54 для уплотнения при низком давлении и кольца 84 для уплотнения азота обычно имеют размеры, подобные размерам Т₁, ν₁, Т₂ и ν₂. Для вращательного соединения, предназначенного для использования с валом каландра, имеющим диаметр порядка 52 дюймов (1320,8 мм), внутренний диаметр ΙΌ колец уплотнения для низкого давления составляет примерно от 9 до 10 дюймов (от 228,6 до 254 мм), а наружный диаметр ΘΌ примерно составляет от 9,5 до 10,5 дюйма (от 241,3 до 266,7 мм), в то время как внутренний диаметр ΙΌ колец для уплотнения азота примерно составляет от 17 до 18 дюймов (от 431,8 до 457,2 мм), а наружный диаметр ΘΌ примерно составляет от 17,5 до 18,5 дюйма (от 4 44,5 до 469,9 мм).

Поскольку происходит относительное движение направляющих полосок 41 уплотняющих колец и противоположных уплотняющих поверхностей 33 и 52 уплотнений для высокого давления и низкого давления, будет иметь место тенденция к износу направляющих полосок в течение использования, что в итоге приведет к повышению утечек через уплотнения. Если желательно, уплотняющие поверхности 33 и 52 посредством гальванизации могут быть покрыты никелем, чтобы увеличить способность смазки металла и таким образом уменьшить степень износа этой критичной зоны зазора.

Пригодная волновая пружина для смещения колец показана на фиг. 6 и 6А. Волновая пружина 56 включает в себя волны 70 (фиг. 6А) и свободный зазор 72, что хорошо известно в этой отрасли. Когда волновая пружина 56 сжата, волны 70 становятся плоскими и свободный зазор 72 уменьшается или исчезает. В сжатом положении волновая пружина 56 прилагает силу смещения, которая определяется материалом пружины, а также свободной высотой и рабочей высотой волн (фиг. 6А). Свойства волновых пружин, используемых в уплотнениях для высокого давления, низкого давления и предназначенных для сохранения азота, обычно подобны, но при желании могут быть различными. Свободный внутренний диаметр и свободный наружный диаметр волновой пружины обычно фактически такие же, как внутренний диаметр и наружный диаметр колец, используемых в уплотнении. Силу, оказываемую волновой пружиной, можно регулировать посредством использования более одной волновой пружины (посредством их соосного набора) и/или посредством выбора волновой пружины, обладающей желаемыми свойствами. Если волновой пружиной (пружинами) будет оказано весьма низкое давление, будет иметь место тенденция к перемещению колец в осевом направлении, что может привести к повышенным утечкам через уплотнение. Если волновой пружиной (пружинами) будет оказано слишком сильное давление, будет происходить износ направляющих полосок колец с нежелательно высокой скоростью.

Предпочтительно, чтобы все вращательное соединение было образовано из одного и того же материала для доведения до минимума различий теплового расширения между частями соединения, а также доведения до минимума изменения зазора между частями в течение теплового цикла. Обычно предпочтительно, чтобы вращательное соединение было образовано из стали для его надежного, прочного и легкого изготовления.

Также предпочтительно, чтобы вращательное соединение включало в себя центрирующее приспособление 88, которое показано на фиг. 4, для выравнивания корпуса вращательного соединения с цапфой, когда для удерживания вращения вала каландра используют самоустанавливающийся сферический

- 6 006115 роликовый подшипник.

Другие варианты осуществления конструкции находятся в пределах объема приведенных далее пунктов формулы изобретения.

Плавающее уплотнение может иметь много других конструкций колец. Например, как показано на фиг. 7, в уплотнении 120 кольца 122 расположены таким образом, что их направляющие полоски 124 поочередно обращены в противоположных направлениях, чтобы создать извилистый путь, по которому могут проходить утечки текучей среды. Другие альтернативные конфигурации показаны на фиг. 7А-7Е. Как показано на фиг. 7А, уплотнение 130 может включать в себя кольца 126, которые имеют фактически прямоугольное поперечное сечение без зоны 38 сужения. Как показано на фиг. 7В, в уплотнении 140 подобные кольца 128 включают в себя направляющие полоски 132, которые выполнены по радиусу, чтобы уменьшить износ. Как показано на фиг. 7С, уплотнение 150 может включать в себя кольца 136, имеющие пару противоположных, относительно тонких зон 138, образующих камеру 142. Как показано на фиг. 7Ό, уплотнение 160 может включать в себя кольца 143 с заостренными уплотняющими кромками 144.

Заостренные уплотняющие кромки могут привести к потенциальному уменьшению скорости износа колец 143 благодаря увеличивающейся площади направляющей полоски, когда изнашиваются заостренные кромки. Как показано на фиг. 7Е, уплотнение 170 может включать в себя кольца 146, которые смещены на угол для увеличения смещения утечек под уплотняющие направляющие полоски. Эта конфигурация может быть выгодна, когда изолируемая текучая среда будет относительно вязкой, например представляет собой связующие вещества или смолы.

Вращательное соединение также является самовентилируемым. В этой отрасли хорошо известно, что при пуске системы необходимо выпустить большой объем воздуха [например, объем порядка 300 галлонов в минуту (1134 л) или более], который введен в вал или в масляную систему в результате дренирования всего масла в течение простоя. Плавающие уплотнения вращательного соединения, описанные выше, обеспечивают возможность весьма быстрого удаления воздуха из контура, по которому проходит жидкость, посредством уплотняющих колец. Этот отличительный признак, заключающийся в самовентилировании, позволяет довести до минимума кавитацию насоса при первом пуске системы после простоя, вызванного ремонтом, уменьшить время простоя и стоимость работ. Например, объем, примерно составляющий 300 галлонов (1134 л), обычно может быть удален через вращательное соединение, описанное выше, примерно менее чем за 3 мин.

Кроме того, хотя обсуждавшееся выше вращательное соединение пригодно для подачи горячего масла к валу каландра, оно может быть использовано и в других случаях для соединения каких-либо желательных вращающихся и неподвижных элементов. Например, вращательное соединение может быть использовано в тех случаях, в которых предполагается непрерывное нагревание или отверждение листового материала, например, для ламинирующих вальцов, используемых в текстильной промышленности, или в случае других типов зажимных вальцов. Подаваемая жидкость может быть холодной, чтобы охлаждать вращающийся элемент, при этом она может представлять собой любую желаемую жидкость. Если жидкость оказывает коррозионное воздействие, то вращательное соединение может быть выполнено из нержавеющей стали, титана или иного инертного материала.

Кроме того, вместо волновых пружин может быть использовано смещающее устройство какоголибо иного желаемого типа, включая спиральную пружину или листовую пружину.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Вращательное соединение для соединения вращающегося элемента с относительно неподвижным элементом, содержащее корпус, выполненный с возможностью установки его поверх вращающегося элемента и приема текучей среды, подаваемой от неподвижного элемента к вращающемуся элементу;

вращаемую соединительную часть, расположенную внутри корпуса и выполненную с возможностью жесткого прикрепления к вращающемуся элементу;

плавающую уплотняющую систему, выполненную с обеспечением возможности утечки контролируемого количества текучей среды из вращательного соединения в течение подачи текучей среды от неподвижного элемента к вращающемуся элементу.
2. Вращательное соединение по п.1, в котором контролируемое количество составляет от около 0,5 до 2% полного потока текучей среды к вращательному соединению.
3. Вращательное соединение по п.2, в котором контролируемое количество составляет от около 1 до 20 галлонов в минуту (3,78-75,6 л/мин).
4. Вращательное соединение по п.1, в котором вращающийся элемент содержит вал каландра.
5. Вращательное соединение по п.1, в котором плавающая уплотняющая система содержит множество плавающих лабиринтных уплотнений.
6. Вращательное соединение по п.5, в котором плавающие лабиринтные уплотнения расположены между вращаемой соединительной частью и частями корпуса.
7. Вращательное соединение по п.1, дополнительно содержащее очищаемую азотом камеру, выпол

- 7 006115 ненную с возможностью улавливания текучей среды, утекающей из вращательного соединения, и обеспечения возможности сбора этой текучей среды с целью возврата к вращательному соединению.
8. Вращательное соединение по п.1, в котором отсутствуют подшипники.
9. Вращательное соединение по п.1, в котором отсутствуют механические уплотнения.
10. Вращательное соединение по п.1, в котором корпус и вращаемая соединительная часть образованы из одинакового материала.
11. Вращательное соединение по п.10, в котором материал представляет собой сталь.
12. Вращательное соединение по п.1, в котором плавающая уплотняющая система выполнена с возможностью самоудаления воздуха через вращательное соединение при пуске после простоя, вызванного ремонтом.
13. Вращательное соединение по п.12, в котором плавающая уплотняющая система выполнена с возможностью удаления воздуха через вращательное соединение с расходом по меньшей мере 25 галлонов в минуту (94,5 л/мин).
14. Вращательное соединение по п.13, в котором плавающая уплотняющая система выполнена с возможностью удаления воздуха через вращательное соединение с расходом по меньшей мере 100 галлонов в минуту (37 8 л/мин).
15. Вращательное соединение для соединения вращающегося элемента с относительно неподвижным элементом, содержащее корпус, выполненный с возможностью установки его поверх вращающегося элемента;

торцевую плиту, проходящую от дальнего торца корпуса и выполненную с возможностью жесткого крепления неподвижного элемента к корпусу;

вращаемую соединительную часть, расположенную внутри корпуса и выполненную с возможностью жесткого крепления ее к вращающемуся элементу и захода части торцевой плиты с зацеплением, обеспечивающим уплотнение;

первое уплотнение, обеспечивающее уплотняющее зацепление между вращаемой соединительной частью и частью торцевой плиты;

второе уплотнение, обеспечивающее зацепление между вращаемой соединительной частью и внутренней стенкой корпуса.
16. Вращательное соединение по п.15, дополнительно содержащее третье уплотнение, обеспечивающее уплотняющее зацепление между вращаемой цапфой каландра и внутренней стенкой корпуса.
17. Вращательное соединение по п.15, в котором первое и второе уплотнения представляют собой плавающие уплотнения.
18. Вращательное соединение по п.16, в котором первое, второе и третье уплотнения представляют собой плавающие уплотнения.
19. Вращательное соединение по п.15, в котором первое и второе уплотнения содержат плавающие лабиринтные уплотнения.
20. Вращательное соединение по п.15, в котором отсутствуют подшипники.
21. Вращательное соединение по п.15, в котором отсутствуют механические уплотнения.
22. Вращательное соединение по п.15, в котором корпус и вращаемая соединительная часть образованы из одинакового материала.
23. Вращательное соединение по п.22, в котором материал представляет собой сталь.
24. Вращательное соединение по п.15, в котором первое уплотнение представляет собой уплотнение для высокого давления.
25. Вращательное соединение по п.15, в котором второе уплотнение представляет собой уплотнение для низкого давления.
26. Вращательное соединение по п.16, в котором третье уплотнение представляет собой уплотнение для сохранения очищающего газа.
27. Вращательное уплотнение по п.15, в котором вращаемая соединительная часть включает в себя вторую часть, сконструированную так, чтобы вставлять ее в полость во вращающемся элементе.
28. Вращательное соединение по п.15, в котором неподвижный элемент выполнен с возможностью подачи текучей среды к вращающемуся элементу через вращательное соединение.
29. Вращательное соединение по п.27, в котором вторая часть вращаемой соединительной части с обеспечением уплотнения входит в зацепление с частью торцевой плиты, при этом уплотняющее зацепление обеспечено первым уплотнением.
30. Вращательное соединение по п.27, в котором вторая часть вращаемой соединительной части и часть торцевой плиты образуют канал.
31. Вращательное соединение по п.30, в котором торцевая плита образует подвод, а канал предназначен для прохождения текучей среды из подвода к полости во вращающемся элементе.
32. Вращательное соединение по п.31, в котором торцевая плита дополнительно образует отвод, а наружная стенка второй части вращаемой соединительной части и внутренняя стенка полости в корпусе образуют проход, через который текучая среда может поступать от вращающегося элемента к отводу.
33. Способ подачи текучей среды от неподвижного источника к вращающемуся элементу, содержащий

- 8 006115 подачу текучей среды от источника к вращательному соединению, содержащему корпус, выполненный с возможностью установки его поверх вращательного элемента и имеющий часть для приема текучей среды;

прохождение текучей среды через вращаемую соединительную часть, расположенную внутри корпуса и выполненную с возможностью жесткого крепления ее к вращающемуся элементу;

обеспечение возможности утечки контролируемого количества текучей среды за плавающую уплотняющую систему, расположенную между вращаемой соединительной частью и корпусом.
34. Способ по п.33, при котором контролируемое количество составляет от около 0,5 до 2% полного потока жидкости к вращательному соединению.
35. Способ по п.34, при котором контролируемое количество составляет от около 1 до 20 галлонов в минуту (3,78-75,6 л/мин).
36. Способ по п.33, при котором плавающая уплотняющая система содержит множество плавающих лабиринтных уплотнений.
37. Способ по п.33, дополнительно содержащий этап сбора утекающей текучей среды и ее возврат к источнику для подачи к вращательному соединению.
38. Способ по п.33, при котором жидкость представляет собой горячее масло.
39. Способ по п.38, при котором жидкость представляет собой минеральное масло.
40. Способ по п.38, дополнительно содержащий очистку зон корпуса, включающих в себя воздух, инертным газом для препятствования окислению масла.
41. Способ по п.33, при котором жидкость имеет вязкость более низкую, чем вязкость воды, когда жидкость циркулирует при температуре, близкой к максимальной рабочей температуре ее общей массы.
42. Способ по п.33, дополнительно содержащий очистку зон корпуса, включающих в себя воздух.
43. Плавающее уплотнение для обеспечения уплотнения между внутренней цилиндрической поверхностью и наружной цилиндрической поверхностью, так что внутренняя и наружная поверхности образуют камеру, при этом уплотнение содержит множество колец, выполненных с возможностью установки в камере и расположенных вблизи друг от друга по длине камеры, а также с возможностью перемещения внутри камеры;

смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения к кольцам осевого торцевого давления в направлении прохождения текучей среды в камеру в течение использования уплотнения, с удерживанием при этом колец прижатыми друг к другу и к торцевой поверхности камеры, чтобы довести до минимума утечки по наружному диаметру колец.
44. Плавающее уплотнение по п.43, в котором диаметр камеры, которая содержит кольца по меньшей мере на 0,10 дюйма (2,54 мм) больше, чем наружный диаметр колец.
45. Плавающее уплотнение по п.44, в котором диаметр камеры на 0,1-1,0 дюйма (2, 54-25,4 мм) больше, чем наружный диаметр колец.
46. Плавающее уплотнение по п.43, в котором смещающий элемент содержит волновую пружину.
47. Плавающее уплотнение по п.43, в котором плавающее уплотнение выполнено так, чтобы довести до минимума утечки жидкости через уплотнение.
48. Плавающее уплотнение по п.43, в котором кольца сформированы так, чтобы создавать извилистый путь, содержащий чередующиеся ограниченные зоны и большие, создающие турбулентность пустые зоны.
49. Плавающее уплотнение для обеспечения уплотнения между внутренней цилиндрической поверхностью и наружной цилиндрической поверхностью, при этом внутренняя и наружная поверхности образуют камеру, при этом уплотнение содержит множество колец, сформированных так, чтобы образовывать извилистый путь, содержащий чередующиеся ограниченные зоны и большие, создающие турбулентность пустые зоны.
50. Вращательное соединение для соединения вращающегося элемента с относительно неподвижным элементом, содержащее корпус, выполненный с возможностью установки его поверх вращающегося элемента и приема текучей среды, подаваемой от неподвижного элемента к вращающемуся элементу;

вращаемую соединительную часть, выполненную с возможностью жесткого крепления ее к вращающемуся элементу;

плавающую уплотняющую систему, содержащую плавающее лабиринтное уплотнение, включающее в себя множество колец, сформированных так, чтобы образовать извилистый путь, содержащий чередующиеся ограниченные зоны и большие пустые зоны, создающие турбулентность.