PL122996B1 - Cylindrical mechanical seal in particular for sealing e rotatable member against a stationary one - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uszczelnienie me¬ chaniczne walcowe, zwlaszcza do uszczelnienia o- brotowego elementu wzgledem nieruchomego ele¬ mentu, dla oddzielenia przestrzeni wypelnionej czynnikiem bedacym pod cisnieniem od przestrze¬ ni zewnetrznej.

Znane uszczelnienie walcowe ma co najmniej jedna uszczelniajaca tuleje, zamocowana w jed¬ nym z uszczelnianych elementów, uszczelniona wzgledem tego elementu, przemieszczajaca sie o- siowo, co najmniej jeden oporowy pierscien, za¬ mocowany na drugim uszczelnianym elemencie od strony powierzchni naciskajacej uszczelniajacej tulei, uszczelniony wzgledem drugiego elementu, uszczelniajace powierzchnie slizgowe uszczelniaja¬ cej tulei i oporowego pierscienia, pozostajace we wzajemnym zacisku oraz posrednia komore z uszczelniajacym plynem, przy czym komore sta¬ nowi przestrzen zawarta pomiedzy pierwszym usz¬ czelnianym elementem, uszczelniajaca tuleja, sliz¬ gowymi powierzchniami i kolnierzem uszczelniaja¬ cej tulei. Na kolnierzu uszczelniajacej tulei dziala cisnienie czynnika wytwarzajac sile dociskajaca slizgowa powierzchnie tulei do slizgowej powierz¬ chni oporowego pierscienia. Sila dociskajaca jest wieksza od sily odpychajacej dazacej do rozdzie¬ lenia tych powierzchni, wytworzonej przez dziala¬ nie czynnika na obie slizgowe powierzchnie.

Znane uszczelnienia tego typu stosowane sa w pompach, mlynach, mieszalnikach, dmuchawkach 10 15 20 30 oraz wszedzie tam gdzie obrotowy walek prze¬ chodzi przez sciane korpusu urzadzenia. Po obu stronach sciany panuja zwykle rózne cisnienia oraz sa rózne ciecze albo gazy.

Czynnikiem uszczelnianym pod cisnieniem jest ciecz albo gaz. Zewnetrzna przestrzen wypelnia ciecz albo gaz o cisnieniu wiekszym albo mniej¬ szym, od cisnienia czynnika uszczelnianego, o cis¬ nieniu równym cisnieniu atmosferycznemu albo moze nim byc powietrze o cisnieniu równym cis¬ nieniu atmosferycznemu. Jako plyn uszczelniaja¬ cy stosuje sie korzystnie wode.

Uszczelnienia tego typu stosuje sie do oddzie¬ lenia przestrzeni wypelnionej ciecza znajdujaca sie pod cisnieniem wiekszym albo mniejszym od cis¬ nienia atmosferycznego, w zaleznosci od . rodzaju urzadzenia, zfnrówno podczas pracy jak i podczas postoju urzadzenia, przy czym cisnienie uszczel¬ niajacej wody jest odpowiednio wieksze albo mniejsze od cisnienia uszczelnianego czynnika.

W urzadzeniu, w którym cisnienie uszczelniaja¬ cej wody jest zawsze wieksze od cisnienia uszczel¬ nianego czynnika bardzo trudnym problemem jest zapewnienie aiby cisnienie uszczeliniaijacej wody mialo zadana wartosc, przykladowo z powodu za¬ klócen w zasilaniu elektycznym pomp wodnych.

Dla wyeliminowania zaklócen w zasilaniu elek¬ trycznym, majacym wplyw na odpowiednia ilosc i cisnieniie uszczelniajacej wody niezbedne jest stosowanie skomplikowanych i drogich systemów 122 9963 122 996 4 dostarczajacych wode, wyposazonych w awaryjne zródla zasilania.

Jesli jednak, pomimo tych srodków ostroznosci,' cisnienie uszczelniajacej wody spadnie ponizej cisnienia czynnika, uszczelniajaca tuleja, stykaja¬ ca sie z przestrzenia wypelniona czynnikiem, przesuwa sie wzdluz walka co powoduje prze¬ dostawanie sie czynnika pomiedzy uszczelniajace slizgowe powierzchnie oraz do przestrzeni wypel¬ nionej woda. Jesli czynnik ma zanieczyszczenia, to nastepuje szybkie niszczenie slizgowych powierz¬ chni jak równiez moze nastapic zatkanie prze¬ strzeni przez które przeplywa uszczelniajaca wo¬ da, co uniemozliwia ponowne docisniecie slizgo¬ wych powierzchhi, powodujace nieszczelnosc usz¬ czelnienia, w którym cisnienie uszczelniajacej wody jest zawsze mniejsze od cisnienia czynnika, pomiedzy..slizgowymi powierzchniami tworzy sie smarujaca warstwa z czynnika a nie z uszczel¬ niajacej wody.

Jesli czynnik ma wlasciwosci korozyjne to war¬ stwa ta powoduje szybsza korozje slizgowych po¬ wierzchni, zas gdy czynnik ma zle wlasciwosci smarownicze, nastepuje szybsze zniszczenie slizgo¬ wych powierzchni niz w urzadzeniu, w którym cisnienie wody uszczelniajacej jest wieksze od cis¬ nienia czynnika.

Gdy cisnienie uszczelniajacej wody wzrosnie po¬ wyzej cisnienia czynnika nastepuje rozdzielenie powierzchni slizgowych i czynnik dostaje sie do przestrzeni wypelnionej uszczelniajaca woda. Za¬ nieczyszczenia zawarte w czynniku moga uniemo¬ zliwic ponowne docisniecie slizgowych powierzch¬ ni oraz zatkac przestrzen z uszczelniajaca woda.

Wszystko to zmniejsza czas pracy urzadzenia, przy czym niewlasciwe cisnienie uszczelniajacej wody moze byc powodem zniszczenia uszczelnienia.

Celem wynalazku jest skonstruowanie uszczel¬ nienia mechanicznego walcowego nie majacego wad znanych uszczelnien.

Cel osiagnieto przez skonstruowanie uszczelnie¬ nia walcowego, w którym uszczelniajaca tuleja ma pierscieniowy tloczek, uszczelniony wzgledem jednego elementu uszczelnionego. Pola czynne slizgowych powierzchni pierscieni, kolnierza i tlo¬ czka maja wymiary, które zapewniaja spelnienie Ai Ai nastepujacych warunków A2> As> i As+ 2 2 +A3>Ai, gdzie A± — pole czynne slizgowej, po¬ wierzchni, na która dziala cisnienie czynnika, A2 — pole czynne powierzchni kolnierza, aa która dzia¬ la cisnienie czynnika, As — pole czynne powierz¬ chni tloczka, na która dziala cisnienie uszczelnia¬ jacego plynu.

Komora, w której osiowo przesuwa sie tloczek jest polaczona za pomoca kanalu z przestrzenia, w której panuje nizsze cisnienie, przy czym ko¬ mora jest usytuowana wewnatrz obudowy uszczel¬ nienia oraz jest polaczona z przestrzenia o niz¬ szym cisnieniu za pomoca kanalu usytuowanego w obudowie uszczelnienia.

Obudowa uszczelnienia jest zamocowana osio¬ wo i unieruchomiona w stalym elemencie, a usz¬ czelniajaca tuleja jest uszczelniona wzgledem obu¬ dowy uszczelnienia. Kanal usytuowany w obudo¬ wie uszczelnienia jest polaczony z przestrzenia o nizszym cisnieniu poprzez kanal usytuowany w elemencie stalym. Kanal jest usytuowany promie¬ niowo w obudowie uszczelnienia a jego koniec 5 stanowi zewnetrzna powierzchnia obudowy, która jest polaczona z atmosfera.

Tloczek ma elastyczny uszczelniajacy pierscien i oporowe pierscienie zamocowane na uszczelnia¬ jacej tulei.

W uszczelnieniu wedlug wynalazku, cisnienie u- szczelniajacego plynu moze byc wieksze albo niz¬ sze od cisnienia czynnika bez obawy, ze slizgowe powierzchnie rozsuna sie z powodu dzialania cis¬ nienia czynnika, cisnienia uszczelniajacego plynu albo jednoczesnego dzialania obu tych cisnien.

Dzieki kolnierzowi uszczelniajacej tulei sila od¬ pychajaca slizgowo powierzchnie, wytworzona przez cisnienie czynnika, jest zawsze mniejsza ol sily dociskajacej wytworzonej przez cisnienie czyn¬ nika a dzieki zastosowaniu tloczka na uszczelnia¬ jacej tulei sila odpychajaca slizgowo powierzchnie, wytworzona przez cisnienie plynu uszczelniajace¬ go, jest zawsze mniejsza od sily dociskajacej wy¬ tworzonej przez cisnienie uszczelniajacego plynu.

Sprawnosc uszczelnienia walcowego jest nieza¬ lezna od wielkosci cisnienia uszczelniajacego ply¬ nu i cisnienia czynnika. Kanal laczacy komore, w której przesuwa sie tloczek, z przestrzenia o sta¬ lym cisnieniu, przykladowo atmosferycznym, za¬ bezpiecza przed wplywem zmian objetosci komory, bedacych wynikiem osiowych przemieszczen tlocz¬ ka, na wyzej opisane warunki a przez to na dzia¬ lanie uszczelnienia.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przy¬ kladach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uszczelnienie walcowe, zgodnie z wy¬ nalazkiem, w przekroju osiowym, fig. 2 — rysunek eksplodujacy uszczelnienia walcowego wedlug wy¬ nalazku, w przekroju osiowym, fig. 3 — uszczel¬ nienie walcowe, wedlug wynalazku w dzialaniu, w przekroju osiowym, fig. 4 — uszczelnienie walco¬ we wedlug wynalazku, w innym przykladzie wy¬ konania, w przekroju osiowym.

Na rysunku przedstawiono pompe do pompowa¬ nia cieczy, w której obrotowym elementem jest walek 1, a stalym elementem korpus 2. Walek 1 jest uszczelniony wzgledem korpusu 2 za pomoca uszczelnienia walcowego 3. Przestrzen 4 wewnatrz korpusu 2 jest wypelniona plynem bedacym pod cisnieniem, zas na zewnatrz korpusu 2 jest prze¬ strzen 5 w której panuje nizsze cisnienie, korzy¬ stnie cisnienie atmosferyczne.

Uszczelnienie walcowe 3 ma nieruchoma obu¬ dowe 6 zamocowana w korpusie 2, dwie uszczel¬ niajace tuleje 7, 8, usytuowane pomiedzy obudo¬ wa 6 uszczelnienia a walkiem 1, dwa oporowe pierscienie 9, 10 zamocowane i ustalone na wal¬ ku 1 za pomoca srub 9', 10', po obu zewnetrznych stronach uszczelniajacych tulei 7, 8.

Oporowe pierscienie 9, 10 sa uszczelnione, w znany sposób, wzgledem walka 1 za pomoca usz¬ czelniajacych pierscieni 11, a obudowa 6 jest usz¬ czelniona wzgledem korpusu 2 za pomoca uszczel¬ niajacych pierscieni 12. Uszczelniajace tuleje 7, 8 sa uszczelnione wzgledem obudowy 6 za pomoca 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60122 996 5 6 uszczelniajacych pierscieni 13, 13. Oporowe pier¬ scienie 9, 10 maja slizgowe pierscienie 14, 15 sty¬ kajace sie czasowo z odpowiednimi slizgowymi pierscieniami 16, .17, w które wyposazone sa tule¬ je 7, 8.

Pomiedzy tulejami 7, 8 jest usytuowana spre¬ zyna 18, rozchylajaca tuleje 7, 8 i powodujaca do¬ cisk odpowiednich slizgowych powierzchni pier¬ scieni 14, 15, 16, 17 do siebie. Przestrzen pomie¬ dzy tulejami 7, 8 i walkiem 1 stanowi komore po¬ srednia, która jest wypelniona uszczelniajaca wo¬ da. Korpus 2 ma dwa kanaly; wylotowy kanal 20 i wlotowy kanal 21 przez które przeplywa uszczel¬ niajaca woda. Tuleja 7 ma kolnierz 22 i jest usy¬ tuowana od strony przestrzeni 4 wypelnionej ply¬ nem pod cisnieniem.

Na zewnetrznej powierzchni uszczelniajacej tu- lei 7, przylegajacej do przestrzeni 4, zamocowany jest pierscieniowy tloczek 23. Tloczek 23 ma ela¬ styczny uszczelniajacy pierscien 24 oraz oporowe pierscienie 25, 26 usytuowane po obu stronach uszczelniajacego pierscienia 24 i jest zamocowa¬ ny i unieruchomiony osiowo wzgledem uszczelnia¬ jacej tulei 7 za pomoca srub i27.

Obudowa 6 ma wybranie stanowiace komore 23, w której przesuwa sie tloczek 23 razem z tuleja 7, oraz ma kanal 29, polaczony z atmosfera 5 po¬ przez usytuowany w korpusie 2 kanal 30. Ciecz 31, bedaca pod cisnieniem w przestrzeni 4, dazy do przedostania sie pomiedzy powierzchnie slizgo¬ we pierscieni 14, 16, oporowego pierscienia 9 i uszczelniajacej tulei 7 i wytwarza sile Fu która dazy do rozdzielenia slizgowych powierzchni.

Pn Fi= — •Au (1) gdzie Pn — cisnienie czynnika, A± — pole czynne powierzchni slizgowej, na która dziala cisnienie czynnika.

Cisnienie czynnika dziala na kolnierz 22 z sila F2 powodujaca docisk powierzchni slizgowych pier¬ scieni 14, 16 Fa=Fn-A2, (2) gdzie A2 — pole czynne powierzchni kolnierza 22, na która dziala cisnienie czynnika.

Uszczelniajaca woda 32 wplywajaca przez kanal 20 do posredniej komory 19 dazy do wplyniecia pomiedzy slizgowe powierzchnie pierscieni 14, 16 i dziala z sila ft dazaca do rozdzielenia powierz¬ chni.

Pt fi= ——-Ai, (3) 2 gdzie Pt — cisnienie uszczelniajacej wody.

Uszczelniajaca woda wywiera równiez nacisk na tloczek 23 z sila f3, która powoduje docisk do sie¬ bie powierzchni slizgowych pierscieni 14, 16 i3=PrA3, (4) gdzie A3 — pole czynne powierzchni tloczka, na która dziala woda uszczelniajaca.

Jezeli sprezyna 18 wywiera nacisk Fj, to po¬ wierzchnie slizgowe pierscieni 14, 16 pozostana wzajemnie docisniete, gdy F2+f3+Fj>Fi +fi <5) Jezeli cisnienie Pt uszczelniajacej wody równe jest 0, a wiec jest mniejsze od cisnienia czynnika 5 i sile sprezyny dla uproszczenia przyjmiemy rów¬ na 0 to warunek (5) jest spelniony, gdy A: A2> —, (Pt=0) (6) Jezeli cisnienie Pn czynnika jest równe 0, a wiec cisnienie uszczelniajacej wody jest wieksze od cisnienia czynnika, warunek (5) jest wypelnio¬ ny, gdy Ai A3> —-, (Pn=0) (7) A Gdy cisnienie Pt uszczelniajacej wody i cisnie¬ nie Pn czynnika sa równe, warunek (5) jest spel¬ niony, gdy A2+A3>A! (Pt=Pn) (8) W przypadku zastosowania uszczelniajacej tu¬ lei 7 z tloczkiem 23 istnieje zawsze mozliwosc uzy¬ skania sily dociskajacej f3 wiekszej od sily od¬ pychajacej fi, dzialajacej na slizgowe powierzch¬ nie 14, 16, niezaleznie od tego czy cisnienie usz¬ czelniajacej wody jest mniejsze, wieksze albo ró¬ wne cisnieniu czynnika.

Polaczenie komory 28 za pomoca kanalów 29, 30 z atmosfera 5 zabezpiecza uszczelnienie przed wplywem zmian objetosci komory i28, spowodowa¬ nych osiowym przemieszczeniem sie tloczka 23 i i wystapieniem dodatkowej sily, 'która moglaby uniemozliwic spelnienie warunku |5).

Stwierdzono, ze wielkosc sily wywieranej przez naciskowa sprezyne 18 nie ma istotnego wplywu, poniewaz powoduje ona wstepny docisk odpowied¬ nich slizgowych powierzchni pierscieni 14, 16 i 15, 17. Oczywistym jest, ze zwiekszenie sily wywie¬ ranej przez sprezyne powoduje zwiekszenie sily dociskajacej f3, przy czym, im wieksza jest sila wywierana przez sprezyne 18, tym odpowiednio mniejsze moga byc wymiary tloczka 23.

W innym przykladzie wykonania uszczelnienia wedlug wynalazku, uwidocznionym na fig. 4, usz¬ czelniajace tuleje 7, 8 zamocowane sa na walku 1, zamiast jak w poprzednim przykladzie wykona¬ nia, w korpusie 2, a pierscienie oporowe 9, 10 sa zamocowane w korpusie 2, zamiast na walku 1.

Uszczelnienie walcowe wedlug wynalazku moze miec znaczne róznice w konstrukcji poszczegól¬ nych detali.

Zalaczone rysunki i opis stanowia jedynie przedstawienie idei wynalazku. Zamiast powierz¬ chni slizgowych pierscieni 15, 17 zastosowany mo¬ ze byc inny rodzaj uszczelnienia od strony atmo¬ sfery.

Uszczelniajace tuleje 7, 8 moga byc uszczelnio¬ ne bezposrednio wzgledem korpusu 2 a tym sa¬ mym zostanie wyeliminowana obudowa 6 uszczel¬ nienia. Istnieje równiez mozliwosc wyeliminowa¬ nia uszczelniajacej tulei 8 przez zastosowanie oporowego pierscienia 10 po drugiej strbnie usz¬ czelniajacej tulei 7, Zamiast oddzielnych elemen- 15 20 29 30 35 40 45 50 55 60122 996 7 S tów 24, 25, 26 tloczek 23 moze miec pierscienio¬ wy kolnierz uszczelniony wzgledem obudowy 6 uszczelnienia i stanowiacy z uszczelniajaca tuleja 7 jedna calosc.

Korzystnie, zamiast tloczka 23, unieruchomione¬ go na uszczelniajacej tulei 7, mozna zastosowac rozwiazanie, w którym pomiedzy tloczkiem 23 a sruba 27 jest luz, poniewaz istotna cecha wynalaz¬ ku jest to, aby tloczek 23 byl wspólnie z uszczel¬ niajaca tuleja 7 naciskany w kierunku przestrze¬ ni 4 zawierajacej czynnik.

Korzystnie zamiast kanalu 30 w korpusie 2, ka¬ nal 20, wykonany w obudowie 6 uszczelnienia, moze laczyc sie bezposrednio z atmosfera albo tez komora 28 jest polaczona poprzez kanaly 29, 30 z oddzielna zamknieta przestrzenia 5', w której pa¬ nuje stale cisnienie, jak to uwidoczniono liniami przerywanymi na rysunku na fig. 3, dzieki cze¬ mu cisnienie w komorze 28 jest stale, niezaleznie od osiowego przesuniecia sie w niej tloczka 23* iZal strzezeni a patentowe 1. Uszczelnienie mechaniczne walcowe, zwlasz¬ cza do uszczelnienia obrotowego elementu wzgle¬ dem nieruchomego elementu, przeznaczone do od¬ dzielenia przestrzeni z czynnikiem pozostajacym pod cisnieniem od zewnetrznej przestrzeni, maja¬ ce co najmniej jedna uszczelniajaca tuleje zamo¬ cowana na jednym z elementów uszczelniajacych, zamocowana osiowo przesuwnie, uszczelniona wzgledem tego elementu, co najmniej jeden opo¬ rowy pierscien, zamocowany na drugim z uszczel¬ nianych elementów, usytuowany od strony po¬ wierzchni uszczelniajacej tulei, wywierajacej na¬ cisk w kierunku przestrzeni z czynnikiem, który jest uszczelniony wzgledem drugiego elementu^ uszczelniajace slizgowo powierzchnie w które za¬ opatrzone sa uszczelniajaca tuleja i oporowy pier¬ scien, wzajemnie dociskane, posrednia komore z uszczelniajacym plynem, której przestrzen jest wyznaczona przez element uszczelniany, uszczel¬ niajaca tuleje, slizgowe powierzchnie i kolnierz uszczelniajacej itulei, przy czym za posrednictwem kolnierza cisnienie czynnika dzialajace na slizgo¬ wa powierzchnie uszczelniajacej tulei wywiera sile dociskajaca wieksza od sily odpychajacej, wytwo¬ rzonej przez cisnienie czynnika na slizgowe po¬ wierzchnie, dazacej do rozdzielenia slizgowych po¬ wierzchni, znamienne tym, ze uszczelniajaca tuleja (7) ma tloczek (23) uszczelniony wzgledem pierw¬ szego elementu uszczelnionego przy czym pola czynne slizgowych powierzchni pierscieni (14, 16), kolnierza (22) i tloczka (23) maja wymiary zapew¬ niajace spelnienie nastepujacych warunków ^ Ai ^ Ai A2 > —— , A3 > ——- , i A3 > Ai, gdzie Ai — pole czynne slizgowej powierzchni, na która dziala cisnienie czynnika, A2 — pole czynne powierzchni kolnierza (22), na która dziala cisnie¬ nie czynnika, A3 — póle czynne powierzchni tlo¬ czka (23), na która dziala cisnienie, uszczelniaja¬ cego plynu, zas przestrzen komory (28), w której osiowo przesuwa sie tloczek (23), jest polaczona za pomoca kanalu (29) z przestrzenia (5) o nizszym cisnieniu. 2. Uszczelnienie, wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze cylindryczna komora (28) jest usytuowa¬ na wewnatrz obudowy (6) uszczelnienia oraz jest polaczona z przestrzenia (5) o nizszym cisnieniu, za pomoca kanalu (29) usytuowanego w obudo¬ wie (6) uszczelnienia, przy czym obudowa (6) jest zamocowana osiowo i unieruchomiona w stalym elemencie (2), zas uszczelniajaca tuleja (7) jest uszczelniona wzgledem obudowy (6). 3. Uszczelnienie, wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze kanal (29) jest polaczony z przestrzenia (5) poprzez kanal (30) usytuowany w stalym ele¬ mencie (2). 4. Uszczelnienie, wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze kanal (29) jest usytuowany promieniowo w obudowie (6) a jego koniec stanowi zewnetrz¬ na powierzchnia obudowy (6) która jest polaczona z atmosfera. 5. Uszczelnienie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze tloczek (23) ma elastyczny uszczelniajacy pierscien (24) i oporowe pierscienie (25, 26) zamo¬ cowane na uszczelniajacej tulei (7). 10 15 20 25 30 35 40122 996 1KKy * 7^2! 24 26 27 8 17 15 11 / >5'