NO329907B1

NO329907B1 - Sammensatt tetningsflatering og fremgangsmate for fremstilling av en sammensatt tetningsflatering samt et apparat for a fremstille en sammensatt tetningsflatering

Info

Publication number: NO329907B1
Application number: NO20032886A
Authority: NO
Inventors: Paul Phelan; Nicholas Derek Quarmby
Original assignee: Crane John Uk Ltd
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2011-01-24
Also published as: KR100954653B1; US7001565B2; EP1375984A1; US20030234496A1; KR20040000349A; DE60300562D1; ES2240916T3; NO20032886L; NO20032886D0; DE60300562T2; ATE294345T1; GB0214515D0; NO20032661D0; EP1375984B1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører tetninger.

Normalt er mekaniske flatetetninger anordnet slik at ytterdiameteren av flate-tetningsringene utsettes for et fluid slik at trykket fra dette fluid vil påføre en sammen-trykningskraft på tetningsringen. Økende krav til helse og sikkerhet krever imidlertid at tetningene også er i stand til å motstå høye indre trykk. Materialer som vanligvis anvendes i tetningsflateringer og som oppviser både tribologiske egenskaper, for ek-sempel komposittmateriale av karbon/grafitt er svake når det gjelder strekkopptak og følgelig ikke egnet for høy indre trykkpåvirkning. Typiske karbon/grafittsammen-setninger for strekkfastheter på 25 til 50 Mpa, og silisiumkarbid/grafittkompositt-materialer har strekkfastheter på 60 til 150 Mpa.

Hittil er dette problem søkt løst ved bruk av materialer med høy strekkfasthet. Dette har imidlertid funnet sted på bekostning av tribologiske egenskaper, hvilket da har ført til liten nedslitningsstyrke og tetningslevetid.

En alternativ løsning har vært på benytte en skjermet karbon/grafitt-tetningsflatering med ventilhull for å utligne trykk tvers over tetningsringen, for ek-sempel slik som angitt i GB 2.296.052. Denne løsning har imidlertid den ulempe at den øker tetningens størrelse i vesentlig grad.

En ytterligere alternativ løsning har vært å krympetilpasse en metallskjerm på utsiden av tetningsflateringen. På grunn av den høye forskjell i varmeutvidelse mellom komponentene, vil den grad av forkomprimering som påføres tetningsflaten, re-duseres vesentlig etter hvert som temperaturen øker, noe som således begrenser evnen til å motstå indre trykk. Videre driver trykkforspenningen ut tetningsflateringens rundhet, og frembringer derved en bulkeformet forvrengning av grenseflaten. Dette bølgemønster kommer frem etter hvert som ringens temperatur forandres fra den temperatur hvorved tetningsflaten er blitt dannet.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse foreslås det å frembringe en sammensatt tetningsflatering som omfatter en indre ring utført i et materiale med gode tribologiske egenskaper, der den indre ring er trykkforspent av en ytre ring, kjennetegnet ved at den ytre ring har høy strekkfasthet og en varmeutvidelseskoeffisient som hovedsakelig er lik den tilsvarende koeffisient for den indre ring.

Fortrinnsvis har både den indre og ytre ring en varmeutvidelseskoeffisient som er mindre enn 10x1 0^ l°K. Den ytre ring vil fortrinnsvis ha en strekkfasthet over 1000 Mpa.

I henhold til den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er ytterringen fremstilt fra et harpiksbasert, trådviklet materiale. Fiberforsterkningen kan typisk utgjøres av karbonfibre, som da har en strekkfasthet av størrelsesorden 2000 Mpa.

For å frembringe den nødvendige høye trykkforspenning på den indre ring, bør den ytre ring påføre en sammentrekning av den indre ring på 0,1 til 1% av ringens diameter. På grunn av den lave varmeutvidelses-koeffisient for de to ringer, vil den vanlige tilpasning ved varmekrymnings-teknikk ikke være egnet for å fremstille de sammensatte ringer i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Et ytterligere aspekt ved foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å danne en sammensatt tetningsflatering slik som angitt ovenfor, og fremgangs-måten er da kjennetegnet ved at den indre ring og den ytre ring monteres koaksialt med hverandre i et forhold ende mot ende, der den ytre diameter av den indre ring er større enn den indre diameter av den ytre ring, der et fluid under trykk virker mot minst én av ringene slik at det utøves et radielt trykk mot denne, for derved å tilveiebringe en radiell klaring mellom den ytre diameter av den indre ring og den indre diameter av den ytre ring, der den ytre ring bringes til å gli over den indre ring, idet fluidtrykket bringes til opphør slik at den ytre diameter av den indre ring ekspanderer til anlegg mot den indre diameter av den ytre ring.

Alternativt eller i tillegg kan fluid under trykk påføres innsiden av den ytre ring for å utvide denne ytre ring.

I henhold til et ytterligere aspekt ved foreliggende oppfinnelse er det frembrakt et apparat for å danne en sammensatt tetningsflatering slik som omtalt ovenfor, og et apparat er da kjennetegnet ved at det første og et andre valsestykket er glidbart montert inne i en utboring som er dannet av et ytre hus, hvor da valsestykkene er anordnet for å klemme sammen den indre ring med en klaring på sin indre diameter og i forhold til det ytre hus, derved å danne et avtettet kammer, idet utstyr er anordnet for å plassere den ytre ring i dette avtettede kammer, koaksialt med og i et anlegg ende mot ende med en indre ring, utstyret er anordnet for å føre inn fluid under trykk i det avtettede kammer for å trykke sammen den indre ring og/eller utvide den ytre ring, og utstyr er anordnet for å bevege den ytre ring aksialt i forhold til den indre ring, når først den indre ring er blitt trykket sammen og/eller den ytre ring er blitt utvidet av fluidet i det avtettede kammer.

En eksempelutførelse av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, der: Fig. 1 viser i oppriss et lengdesnitt av en tetning i henhold til foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser en forstørret snittskisse av en tetningsring som anvendes i den tetningsanordning som er vist på fig. 1; Fig. 3 viser et snitt gjennom en fremstillingsrigg for å danne en tetningsflatering i henhold til foreliggende oppfinnelse; Fig. 4 viser i snitt en modifisert utførelse av den fremstillingsrigg som er angitt i fig. 3; og

Fig. 5 viser i snitt en modifisering av den rigg som er vist i fig. 4.

Som vist i fig. 1, omfatter en tetning mellom en aksel 10 og et lagerhus 12 to par tetningsringer, henholdsvis 14, 16 og 18, 20, montert koaksialt og i innbyrdes av-stand på akselen 10, idet tetningsringene 14,16 er montert innenfor tetningsringene 18, 20.

Tetningsringene 16 og 18 er montert rygg mot rygg på en hylse 22. Denne hylse 22 er montert på akselen 10 i fast aksialt- og omdreiningsforhold til denne, og tetningsringene 16, 18 er montert på hylsen 22 i fast aksialt og omdreiningsforhold til denne, på en slik måte at avtetningsringene 16,18 vil rotere sammen med akselen 10. Tetningsringene 16,18 er avtettet overfor hylsen 22, og hylsen 22 er avtettet overfor akselen 10 ved hjelp av elastomeriske O-ringpakninger 24.

Tetningsringene 14 og 20 er montert på bærere, henholdsvis 26 og 28, som da er gl id bart anordnet i ringformede bushinger 20, 32. Disse bushinger 30, 32 er festet til huset 12 ved hjelp av tetningsplater 34, 36 og bolter 38. Tetningsringene 14, 20 er forspent aksialt mot hverandre samt de tetningsinngrep med henholdsvis tetningsringene 16, 18, ved hjelp av skrueformede trykkfjærer 40, 42 i innbyrdes vinkel-avstand. Tetningsringene 14, 20 er avtettet overfor bærerne 26, 28 og bushingene 30, 32 er avtettet i forhold til huset 12 ved hjelp av elastomeriske O-ringpakninger 24. Bæreringer 26 og 28 er avtettet overfor bushingene 30, 32 ved hjelp av fjærpåvirkede polymertetninger 44.

Pinner 46 og 48 er montert på bærerne 26 og 28 og befinner seg i glidende inngrep i bushingene 30, 32 for å hindre dreining av bærerne 26 og 28. På lignende måte er pinner 50 anordnet mellom bærerne 26 og 28 og tetningsringene, henholdsvis 14, 20 for derved å hindre dreining av tetningsringene 14, 20.

Tetningsringene 14, 16; 18, 20 danner derved et avtettet barrierekammer 52 mellom produktsiden 54 av tetningen og siden 56 som er åpen mot atmosfæren. Et barrierefluid under trykk sirkuleres gjennom kammeret 52 gjennom et innløp og et utløp (ikke vist) i huset 12. En pumpering 58 er montert på hylsen 22 mellom ringene 16 og 18, for dreining sammen med akselen for det formål å drive barrierefluidet gjennom kammeret 52.

Tetningsringene 16, 18 er typisk utformet av silisiumkarbid, mens tetningsringene 14, 20 er fremstilt av karbon/grafitt eller et komposittmateriale med gode tribologiske egenskaper som utgjøres av silisium-karbid/grafitt.

Som nærmere vist i fig. 2, omfatter tetningsringene 14 i det innerste par av tetningsringer 14,16 med en indre ring 60 utført i komposittmateriale bestående av karbon/grafitt eller silisium-karbon/grafitt og som danner tetningsflaten 62. En ytre ring 64 som er utformet av materiale med høy strekkfasthet er montert omkring utsiden av den indre ring 60 for å trykkforspenne denne indre ring 60. Begge ringer 60 og 64 er utført i materialer med en varmeutvidelses-koeffisient som er mindre enn 10 x lO^K. Ringen er typisk utført i et harpiksbasert, stålviklet materiale. Karbonfibertrå-der med en strekkfasthet av størrelsesorden 2000 Mpa kan brukes. Andre fibre med tilstrekkelig fasthet kan imidlertid også eventuelt anvendes.

Den indre ring 60 har en avsmalning på sin utside i den ende som vender bort fra tetningsflaten 62. En delvis sirkulær sporformasjon 66 i aksial utstrekning er også utført på denne ende av ringen 60 på dens ytterdiameter, nemlig for anlegg mot pin-nen 50.

Ytterringen 64 er dimensjonert slik at når den monteres omkring innerringen 60, trykkforspenner den innerringen 60, slik at det frembringes en reduksjon av ytterdiameteren av innerringen 60 i et omfang mellom 0,1 og 1,0%.

For det formål å sammenstille den sammensatte tetningsring 16, monteres innerringen 60 og ytterringen 64 i en jig 100, slik som vist i fig. 3. Den jig 100 omfatter et par valsestykker 102 og 104 glidende anordnet i en utboring 105, som dannes av ytterhuset 106, idet valsestykkene 102, 104 er avtettet overfor utboringen 105. Platestykket 102 er utført i trinn, mens platen 104 har et forsenket parti 108 som befinner seg i glidende inngrep med partiet med nedsatt diameter på valsestykket 102.

Den indre tetningsring 60 er plassert i jigen 100, nemlig omkring partiet 110

med nedsatt diameter på valsestykket 102, og er da anordnet koaksialt med dette på en bærerring 112. Denne bærering 112 er tettende forbundet med platen 102 og den indre tetningsring 60 ved hjelp av elastomeriske O-ringer 114. Valsestykkene 102 og 104 blir så brakt mot hverandre, slik at tetningsplaten 62 på den indre ring 60 kommer til avtettende inngrep med valsestykket 104 for derved å danne et fluidtett kammer 116 på utsiden av innerringen 60.

Den ytre ring 64 er anordnet koaksialt med innerringen 60 og er glidende un-derstøttet på utsiden av bæreringen 112. En indre flensanordning 118 på huset 106 er i inngrep med en radialflate på ytterringen 64, og som vender bort fra innerringen 60.

Et innløp 120 er anordnet i ytterhuset 106, hvorigjennom hydraulisk fluid kan føres inn i kammeret 116 for å utøve en trykkbelastning på innerringen 60. Når innerringen 60 er blitt sammentrykket i tilstrekkelig grad kan ytterhuset 106 forskyves aksialt i forhold til valsestykkene 102 og 104, og glideforskyve ytterringen 64 over innerringen 60. Trykket fra det hydrauliske fluid i kammeret 116 kan da nedsettes, slik at innerringen 60 tillates å ekspandere til anlegg mot ytterringen 64.

På denne måte kan innerringen 60 trykkforspennes til en grad som er tilstrekkelig til å motstå indre trykkpåvirkning på tetningsringen 14 fra produkttrykket, hvis barriere-fluidtrykket skulle svikte.

I en modifisert prosess er ytterhuset 106 i jigen 100 dannet av to deler nemlig 106a og 106b. Disse deler 106a og 106b er klemt sammen og danner da en indre ringformet forsenkning 130 hvis omkretsflatediameter er større enn ytterdiameteren av den ytre ring 64. Denne ytre ring 64 er da plassert i forsenkningen 130 og avtettet i forhold til denne ved hjelp av O-ringpakninger 132.

Et innløp 134 for hydraulisk fluid er anordnet i valsestykket 102, hvor dette inn-løp munner ut på innsiden av den indre ring 60. En passasje 136 er anordnet gjennom bæreringen 112, nemlig fra innsiden til utsiden av ringen 60.

I stedet for passasjen 136 gjennom bæreringene 112, kan radiale spor være anordnet i den overflate av valsestykket 104 som befinner seg i inngrep med tetningsflaten 62 på innerringen 60, for det formål å tillate passasje av fluid fra innsiden til utsiden av ringen 60.

Når hydraulisk fluid påføres gjennom innløpet 34, vil trykket fra dette virke både på innsiden og utsiden av innerringen 60. Den ytre ringen 64 vil imidlertid bli utsatt for trykket bare på sin innside. Dette hydrauliske fluid vil følgelig utvide ytterringen 64. Når så ytterringen 64 er tilstrekkelig utvidet, vil valsestykkene 102, 104 kunne forflyttes i forhold til ytterhuset 106a, 106b for derved å kunne bringe ytterringen 64 til å gli over innerringen 60. Opphør av hydraulisk trykk vil da tillate ytterringen 64 å trekke seg sammen og derved trykkforspenne innerringen 60.

I den ring 100 som er vist i fig. 6, befinner ytterringen 64 seg lagt inn i et ringformet spor 130 i ytterhuset 106a, 106b på lignende måte som ved den prosess som er beskrevet under henvisning til fig. 4.1 denne utførelse er imidlertid innerringen og bæreren 112 avtettet overfor valsestykkene 102 og 104 og hydraulisk fluid under trykk blir da bare påført kammeret 116, nemlig på utsiden av innerringen 60. På denne måte vil det hydrauliske trykk virke på ytterdiameteren av ringen 60 å trykke sammen denne ring 60 slik som i den viste utførelse i fig. 3, og samtidig virke på innsiden av den ytre ring 64, slik at denne ytre ring 64 utvides på den måte som er blitt beskrevet under henvisning til fig. 4.

Claims

1. Sammensatt tetningsflatering som omfatter en indre ring (60) utført i et materiale med gode tribologiske egenskaper, der den indre ring (60) er trykkforspent av en ytre ring (64), karakterisert vedat den ytre ring (64) har høy strekkfasthet og en varmeutvidelseskoeffisient som hovedsakelig er lik den tilsvarende koeffisient for den indre ring (60).

2. Sammensatt tetningsflatering som angitt i krav 1, karakterisert vedat såvel indre som ytre ring (60, 64) har varmeutvidelseskoeffisient som er mindre enn 10 x lO"<6>/<0>^

3. Sammensatt tetningsflatering som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert vedat en indre ring (60) er fremstilt i et komposittmateriale bestående av karbon/grafitt eller silisium-karbid-grafitt.

4. Sammensatt tetningsflatering som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat den ytre ring (64) har en strekkfasthet over 1000 Mpa.

5. Sammensatt tetningsflatering som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat ytterringen (64) er utført i et harpiksbasert trådviklet materiale.

6. Sammensatt tetningsflatering som angitt i krav 5, karakterisert vedat fiberforsterkningen utgjøres av karbonfibre.

7. Sammensatt tetningsflatering som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert vedat fiberforsterkningen har en strekkfasthet på størrelses-orden 2000 Mpa.

8. Fremgangsmåte for fremstilling av en sammensatt tetningsflatering av den art som er angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 7, karakterisert vedat den indre ring og den ytre ring (60, 64) monteres koaksialt med hverandre i et forhold ende mot ende, der den ytre diameter av den indre ring er større enn den indre diameter av den ytre ring, der et fluid under trykk virker mot minst én av ringene (60, 64) slik at det utøves et radielt trykk mot denne, for derved å tilveiebringe en radiell klaring mellom den ytre diameter av den indre ring (60) og den indre diameter av den ytre ring (64), der den ytre ring (64) bringes til å gli over den indre ring (60), idet fluidtrykket bringes til opphør slik at den ytre diameter av den indre ring (60) ekspanderer til anlegg mot den indre diameter av den ytre ring (64).

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert vedat fluidet under trykk bringes til å virke mot den ytre diameter av den indre ring (60) for derved å komprimere den indre ring (60) i en grad som er tilstrekkelig til å tilveiebringe en radiell klaring mellom den ytre diameter av den indre ring (60) og den indre diameter av den ytre ring (64), idet den ytre ring (64) bringes til å gli over den indre ring (60), hvorpå fluidtrykket bringes til opphør for å tillate den indre ring (60) å ekspandere til anlegg mot den indre diameter av den ytre ring (64).

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert vedat fluidet under trykk bringes til å virke mot den indre diameter av den ytre ring (64) for derved å komprimere den ytre ring (64) i en grad som er tilstrekkelig til å tilveiebringe en radiell klaring mellom den ytre diameter av den indre ring (60) og den indre diameter av den ytre ring (64), idet den ytre ring (64) bringes til å gli over den indre ring (60), hvorpå fluidtrykket bringes til opphør for å tillate den ytre ring (64) å trekke seg sammen til anlegg mot den ytre diameter av den indre ring (60).

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert vedat fluidet under trykk bringes til å virke mot den ytre diameter av den indre ring (60) og den indre diameter av den ytre ring (64) for derved å komprimere den indre ring (60) og ekspandere den ytre ring (64) i en grad som er tilstrekkelig til å tilveiebringe en radiell klaring mellom den ytre diameter av den indre ring (60) og den indre diameter av den ytre ring (64), idet den ytre ring (64) bringes til å gli over den indre ring (60), hvorpå fluidtrykket bringes til opphør for å tillate den indre ring (60) å ekspandere og den ytre ring (64) å trekke seg sammen, slik at den ytre diameter av den indre ring (60) bringes til anlegg mot den indre diameter av den ytre ring (64).

12. Apparat for å fremstille en sammensatt tetningsflatering som angitt i ett av kravene 1 til 7, karakterisert vedat det første og et andre valsestykket (102, 104) er glidbart montert inne i en utboring (105) som er dannet av et ytre hus (106), hvor da valsestykkene (102, 104) er anordnet for å klemme sammen den indre ring (60) med en klaring på sin indre diameter og i forhold til det ytre hus (106), derved å danne et avtettet kammer (116), idet utstyr er anordnet for å plassere den ytre ring (64) i dette avtettede kammer (116), koaksialt med og i et anlegg ende mot ende med en indre ring (60), utstyret er anordnet for å føre inn fluid under trykk i det avtettede kammer (116) for å trykke sammen den indre ring (60) og/eller utvide den ytre ring (64), og utstyr er anordnet for å bevege den ytre ring (64) aksialt i forhold til den indre ring (60), når først den indre ring (60) er blitt trykket sammen og/eller den ytre ring er blitt utvidet av fluidet i det avtettede kammer (116).