RU108534U1

RU108534U1 - MECHANICAL SEAL OF PARTS WITH EXTERNAL CYLINDER SURFACE

Info

Publication number: RU108534U1
Application number: RU2011115552/06U
Authority: RU
Inventors: Борис Семенович Захаров; Иван Борисович Захаров
Original assignee: Борис Семенович Захаров
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-09-20

Abstract

Механическое уплотнение деталей с наружной цилиндрической поверхностью, содержащее, по меньшей мере, одну металлическую обойму с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом с одного из торцев, в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу, отличающееся тем, что каждая обойма из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично расположенных колец, а со стороны торца обойма из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой с посадкой с натягом на деталь с наружной цилиндрической поверхностью, при этом между уплотнительными кольцами и манжетой в обойме из упругого материала установлено дроссельное кольцо из пластмассы, причем зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельного кольца и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца, а уплотнительные кольца через дроссельное кольцо и манжету прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту металлической обоймы. A mechanical seal of parts with an outer cylindrical surface, containing at least one metal cage with a cylindrical side wall and an annular collar from one of the ends, in which a cage of elastic material is installed, on the inner side surface of which eccentrically arranged circular seats are made, in of which the sealing rings are located, the latter being axially pressed against each other, characterized in that each clip of elastic material is provided at the edge it with at least two pairs of sealing eccentrically arranged rings, and on the side of the end the cage of elastic material is provided with a cuff made at the same time with an interference fit on the part with an outer cylindrical surface, while a throttle ring made of elastic material is installed between the sealing rings and the cuff in the cage of elastic material plastic, and the gap between the inner cylindrical surface of the opening of the throttle ring and the outer cylindrical surface of the sealed part is less than the eccentricity ovki of the sealing ring, and the sealing rings through the throttle ring and the cuff are pressed axially to the annular collar of the metal cage.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно к области нефтяного машиностроения, и может быть использована в поршневых и плунжерных насосах, предназначенных для перекачивания различного рода жидких сред, в том числе при бурении нефтяных и газовых скважин и добыче из них нефти и конденсата.The utility model relates to the field of mechanical engineering, mainly to the field of petroleum engineering, and can be used in piston and plunger pumps designed to pump various kinds of liquid media, including the drilling of oil and gas wells and the extraction of oil and condensate from them.

Известно уплотнение штока или плунжера, содержащее притертые друг к другу и поджимаемые к штоку в противоположных направлениях кольца из антифрикционного материала, при этом кольца имеют эксцентричные отверстия и установлены в упругой обойме (см. авторское свидетельство СССР 391315, кл. F16J 15/26, 25.07.1973).A seal of a rod or plunger is known containing rings of antifriction material pressed against each other and pressed against the rod in opposite directions, while the rings have eccentric holes and are mounted in an elastic sleeve (see USSR author's certificate 391315, class F16J 15/26, 25.07 .1973).

Однако при перекачке абразивосодержащих жидкостей, например бурового раствора, за счет протока жидкости через щелевой зазор совместно с самопритиркой эксцентричных колец и компенсацией износа будет наблюдаться более интенсивное разрушение поверхностей щелевого зазора за счет эрозионного износа.However, when pumping abrasive fluids, such as drilling fluid, due to fluid flow through the slotted gap, along with self-locking of the eccentric rings and wear compensation, more intense destruction of the surfaces of the slotted gap due to erosion wear will be observed.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является механическое уплотнение деталей с наружной цилиндрической поверхностью, содержащее металлическую обойму с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом с одного из торцев, в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу (см. патент РФ 2241882, кл. F16J 15/16, 10.12.2004).The closest to the utility model in terms of technical nature and the achieved result is the mechanical sealing of parts with an external cylindrical surface, containing a metal cage with a cylindrical side wall and an annular collar from one of the ends, in which a cage of elastic material is installed, on the inner side surface of which is made eccentrically circular circular seats in which the sealing rings are located, the latter being axially pressed against each other (with m. RF patent 2241882, CL F16J 15/16, 10.12.2004).

В данном механическом уплотнении удалось добиться путем разбиения уплотнительных колец на группы выравнивания осевой нагрузки на уплотнительные кольца и обеспечения возможности самоцентрирования установки каждой группы уплотнительных колец относительно уплотняемой наружной цилиндрической поверхности. Однако при высоких перепадах давлений вместе с буровым раствором в пространство между уплотняемой поверхностью и уплотнительными кольцами попадают содержащиеся в буровом растворе абразивные частицы горных пород, что приводит к интенсивному износу уплотнительных колец и, как следствие, снижению надежности работы механического уплотнения.In this mechanical seal, it was possible to achieve by splitting the sealing rings into groups of axial load balancing on the sealing rings and making it possible to self-center the installation of each group of sealing rings relative to the sealed outer cylindrical surface. However, at high pressure drops, together with the drilling fluid, abrasive rock particles contained in the drilling fluid fall into the space between the sealing surface and the sealing rings, which leads to intensive wear of the sealing rings and, as a consequence, a decrease in the reliability of the mechanical seal.

Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является предотвращение или существенное снижение поступления абразивных частиц в механическое уплотнение.The objective of the present utility model is to prevent or substantially reduce the entry of abrasive particles into a mechanical seal.

Технический результат в повышении надежности работы механического уплотнения путем снижения износа уплотнительных колец механического уплотнения.The technical result is to increase the reliability of the mechanical seal by reducing the wear of the sealing rings of the mechanical seal.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что механическое уплотнение деталей с наружной цилиндрической поверхностью содержит, по меньшей мере, одну металлическую обойму с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом с одного из торцев, в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу, каждая обойма из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично расположенных колец, а со стороны торца обойма из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой с посадкой с натягом на деталь с наружной цилиндрической поверхностью, при этом между уплотнительными кольцами и манжетой в обойме из упругого материала установлено дроссельное кольцо из пластмассы, причем зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельного кольца и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца, а уплотнительные кольца через дроссельное кольцо и манжету прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту металлической обоймы.This problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the mechanical seal of parts with an outer cylindrical surface contains at least one metal sleeve with a cylindrical side wall and an annular collar from one of the ends, in which the holder is made of elastic material, on the inner side surface of which is made eccentrically located circular seats in which the sealing rings are located, while the latter are axially pressed against each other gu, each cage of elastic material is provided with at least two pairs of sealing eccentrically arranged rings, and on the side of the end of the cage of elastic material is provided with a cuff made integral with it with an interference fit on a part with an outer cylindrical surface, while between the sealing rings and cuff a throttle ring made of plastic is mounted in a cage of elastic material, the gap between the inner cylindrical surface of the opening of the throttle ring and the outer cylindrical surface NOSTA sealing parts less eccentricity installation of the sealing ring and the sealing ring through the throttle ring and collar are pressed axially against the annular collar of the metal piles.

В ходе исследования было установлено, что при повышенных перепадах давлений механических уплотнениях необходимо использовать соответственно большее количество уплотнительных колец. Но при этом эффективность работы колец снижается. Чем дальше от высокого давления расположено кольцо, тем большая гидравлическая нагрузка действует на него и мешает его самоустановке. Сила трения при этом возрастает и кольцо быстрее изнашивается.In the course of the study, it was found that with increased pressure differences in mechanical seals, it is necessary to use a correspondingly larger number of o-rings. But at the same time, the efficiency of the rings is reduced. The further the ring is located from high pressure, the greater the hydraulic load acts on it and interferes with its self-installation. In this case, the friction force increases and the ring wears out faster.

Представляется возможность существенно снизить, а в ряде случаев предотвратить, особенно на, начальном этапе работы, поступления абразивных частиц в пространство между уплотняемой поверхностью и уплотнительными кольцами и одновременно создать условия при которых уплотнительные кольца самоустанавливаются относительно уплотняемой поверхности практически при любом перепаде давления на механическом уплотнении.It is possible to significantly reduce, and in some cases prevent, especially at the initial stage of operation, the entry of abrasive particles into the space between the sealing surface and the sealing rings and at the same time create conditions under which the sealing rings self-install relative to the sealing surface with almost any pressure drop across the mechanical seal.

Было выявлено, что целесообразно использовать в зависимости от перепада давления на механическом уплотнении одно или несколько механических уплотнений последовательно установленных вдоль уплотняемой цилиндрической поверхности, причем каждое механическое уплотнение состоит из металлический обоймы в которой установлена обойма из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круговые посадочные места, в которых расположены уплотнительные кольца, при этом каждая обойма из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично расположенных колец.It was found that it is advisable to use, depending on the pressure drop across the mechanical seal, one or more mechanical seals installed sequentially along the cylindrical surface to be sealed, each mechanical seal consisting of a metal sleeve in which a holder made of an elastic material is installed, on whose inner side surface eccentrically arranged circular seats in which the sealing rings are located, with each ferrule of elastically of material is provided with at least two pairs of sealing rings disposed eccentrically.

Однако возможность самоустановки зависит не только от перепада давления на механическом уплотнении, но и от количества абразивных частиц в жидкой среде (в скважинах это в первую очередь буровой раствор), которая поступает в механическое уплотнение при его работе. Это связано с тем, что абразивные частицы вызывают не только эрозию уплотнительных колец, но и повышают трение между ними и трение уплотнительных колец относительно уплотняемой цилиндрической поверхности. Для резкого снижения, а в ряде случае для предотвращения, особенно в начальный период работы, поступления абразивных частиц в механическое уплотнение со стороны торца обойма из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой с посадкой с натягом на уплотняемую наружную цилиндрическую поверхность, при этом между уплотнительными кольцами и манжетой в обойме из упругого материала установлено дроссельное кольцо из пластмассы. Кроме того, необходимо, чтобы зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельного кольца и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца, а уплотнительные кольца через дроссельное кольцо и манжету прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту металлической обоймы. Как результат уплотняемая цилиндрическая поверхность в зоне расположения уплотнительных колец защищена от поступления абразивных частиц, которые задерживаются манжетой и дроссельным кольцом, причем последнее, дросселируя жидкую среду, уменьшает перепад давления на уплотнительных кольцах, что особенно важно в начальный период работы механического уплотнения, когда уплотнительные кольца притираются к конкретной цилиндрической поверхности, которую они уплотняют. Более того, при выполнении механического уплотнения с несколькими металлическим обоймами каждая обойма с уплотнительными кольцами является барьером для поступления в последующую по ходу перепада давления обойму абразивных частиц, что позволяет резко увеличить надежность работы механического уплотнения и, как следствие, эффективность работы уплотнительных колец увеличивается и необходимое количество уплотнительных колец снижается. Соответственно уменьшается осевой габарит и стоимость механического уплотнения, что важно при использовании механического уплотнения в скважинах, особенно при использовании его в качестве уплотнения штока в клапане дифференциального насоса, также в системах одновременно раздельной эксплуатация двух пластов (ОРЭ) и в плунжерных насосах типа НСБ (патент РФ №2007618).However, the possibility of self-installation depends not only on the pressure drop across the mechanical seal, but also on the amount of abrasive particles in the liquid medium (in wells this is primarily a drilling fluid), which enters the mechanical seal during its operation. This is due to the fact that the abrasive particles cause not only erosion of the o-rings, but also increase the friction between them and the friction of the o-rings relative to the sealed cylindrical surface. For a sharp decrease, and in some cases to prevent, especially in the initial period of operation, the abrasive particles entering the mechanical seal from the end side of the cage of elastic material, it is provided with a cuff made integrally with it with an interference fit on the sealing outer cylindrical surface, while between the sealing rings and cuff in a ferrule made of elastic material a throttle ring made of plastic is installed. In addition, it is necessary that the gap between the inner cylindrical surface of the opening of the throttle ring and the outer cylindrical surface of the sealing part is less than the eccentricity of the installation of the sealing ring, and the sealing rings are axially pressed against the annular collar of the metal cage through the throttle ring and cuff. As a result, the sealed cylindrical surface in the area of the location of the sealing rings is protected from the ingress of abrasive particles that are retained by the cuff and the throttle ring, and the latter, by throttling the liquid medium, reduces the pressure drop across the sealing rings, which is especially important in the initial period of operation of the mechanical seal when the sealing rings rub against a concrete cylindrical surface that they seal. Moreover, when performing mechanical sealing with several metal cages, each casing with O-rings is a barrier to the abrasive particles cage following the differential pressure, which can dramatically increase the reliability of the mechanical seal and, as a result, the efficiency of the sealing rings increases and the necessary the number of o-rings is reduced. Correspondingly, the axial dimension and the cost of the mechanical seal are reduced, which is important when using mechanical sealing in wells, especially when used as a rod seal in a differential pump valve, and also in systems for simultaneously separate operation of two layers (WEM) and in plunger pumps of the NSB type (patent RF №2007618).

На фиг.1 представлен продольный разрез механического уплотнения.Figure 1 shows a longitudinal section of a mechanical seal.

На фиг.2 представлен продольный разрез механического уплотнения штока или плунжера с несколькими металлическими обоймами с уплотнительными кольцами.Figure 2 presents a longitudinal section of a mechanical seal of a rod or plunger with several metal cages with sealing rings.

На фиг.3 представлено схематически пространственное расположение пар уплотнительных колец относительно друг друга в механическом уплотнении.Figure 3 shows schematically the spatial arrangement of the pairs of sealing rings relative to each other in a mechanical seal.

На фиг.4 представлен фрагмент продольного разреза обоймы из упругого материала с манжетой.Figure 4 presents a fragment of a longitudinal section of a clip of elastic material with a cuff.

На фиг.5 представлен корпус приемного клапана дифференциального насоса с установленным в нем механическом уплотнении штока с несколькими металлическими обоймами с уплотнительными кольцами.Figure 5 presents the housing of the receiving valve of a differential pump with a mechanical stem seal installed in it with several metal cages with o-rings.

Механическое уплотнение деталей 1 с наружной цилиндрической поверхностью (например, шток или плунжер) содержит, по меньшей мере, одну металлическую обойму 2 с цилиндрической боковой стенкой и кольцевым буртом 3 с одного из торцев, в которой установлена обойма 4 из упругого материала, на внутренней боковой поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные круглые посадочные места 5, в которых расположены уплотнительные кольца 6, при этом последние прижаты в осевом направлении друг к другу. Каждая обойма 4 из упругого материала снабжена по крайней мере двумя парами уплотнительных эксцентрично с равным эксцентриситетом e₁, e₂, e₃, e₄ (см, фиг.3) расположенных колец 6, причем эксцентриситет соседних пар уплотнительных колец 6 выполнен под углом 90°. Со стороны торца обойма 4 из упругого материала снабжена выполненной заодно с ней манжетой 7 с посадкой с натягом на деталь 1 с наружной цилиндрической поверхностью. Между уплотнительными кольцами 6 и манжетой 7 в обойме 4 из упругого материала установлено дроссельное кольцо 8 из пластмассы, причем зазор между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия дроссельной кольца 8 и наружной цилиндрической поверхностью уплотняемой детали 1 меньше эксцентриситета установки уплотнительного кольца 6. Уплотнительные кольца 6 через дроссельное кольцо 8 и манжету 7 прижаты в осевом направлении к кольцевому бурту 3 металлической обоймы 2. При использовании механического уплотнения в клапане дифференциального насоса (см. фиг.5) металлические обоймы 2 с уплотнительными кольцами 6 устанавливают в корпусе 9 клапана над тарелкой 10 клапана и фиксируют механическое уплотнение в корпусе 9 клапана с помощью накидной гайки 11.The mechanical seal of parts 1 with an outer cylindrical surface (for example, a rod or plunger) contains at least one metal cage 2 with a cylindrical side wall and an annular collar 3 from one of the ends, in which a cage 4 of elastic material is mounted, on the inner side the surface of which is made eccentrically arranged round seats 5, in which the sealing rings 6 are located, while the latter are axially pressed against each other. Each cage 4 of elastic material is provided with at least two pairs of sealing eccentric with equal eccentricity e ₁ , e ₂ , e ₃ , e ₄ (see, Fig. 3) located rings 6, and the eccentricity of adjacent pairs of sealing rings 6 is made at an angle of 90 °. On the side of the end, a cage 4 of elastic material is provided with a cuff 7 made at one with it with a fit with an interference fit on part 1 with an outer cylindrical surface. A throttle ring 8 made of plastic is installed between the sealing rings 6 and the cuff 7 in the cage 4 of elastic material, the gap between the inner cylindrical surface of the opening of the throttle ring 8 and the outer cylindrical surface of the sealing part 1 is less than the eccentricity of the installation of the sealing ring 6. O-rings 6 through the throttle ring 8 and cuff 7 are pressed axially to the annular shoulder 3 of the metal casing 2. When using a mechanical seal in the differential valve pump (see figure 5) metal casing 2 with the sealing rings 6 are installed in the valve body 9 above the valve plate 10 and fix the mechanical seal in the valve body 9 with a union nut 11.

При установке механического уплотнения уплотнительные кольца 6 прижимаются к уплотняемой поверхности деталей 1 с наружной цилиндрической поверхностью, например, плунжеру насоса в тех местах, где ширина уплотнительного кольца 6 вместе с толщиной стенки обоймы 4 из упругого материала максимальна. В местах прижатия уплотнительных колец 6 щелевой зазор равен нулю. С противоположной от точки касания стороны щелевой зазор максимальный. Однако ввиду того, что круглые посадочные места 5 в обойме 4 из упругого материала выполнены с эксцентриситетом, а уплотнительные кольца 6 по торцам плотно прижаты друг к другу и попарно развернуты относительно одно от другого, между уплотняемой цилиндрической поверхность детали 1 и каждой группой уплотнительных колец 6 образуется сложная лабиринтная щель и, следовательно, большое гидравлическое сопротивление потоку жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления. Гидравлическое сопротивление в зазоре уплотнения возрастает также ввиду того, что поток жидкости, проходя через зазор, многократно меняет свое направление. Размеры зазора в работающем уплотнении постепенно уменьшаются за счет приработки трущихся поверхностей уплотнительных колец 6 и уплотняемой цилиндрической поверхности детали 1, при этом происходит автоматическое прижатие трущихся поверхностей и, следовательно, компенсация износа за счет обоймы 4 из упругого материала. При этом в начальный период работы манжета 7 надежно герметизирует зазор, а металлические уплотнительные кольца 6 притираются по ответной поверхности детали 1. К тому моменту когда манжета 7 частично или полностью износится, уплотнительные кольца 6 притрутся и обеспечат необходимую степень герметичности узла.When installing a mechanical seal, the sealing rings 6 are pressed against the sealing surface of the parts 1 with an external cylindrical surface, for example, a pump plunger in those places where the width of the sealing ring 6 together with the wall thickness of the cage 4 of elastic material is maximum. In the places of pressing the sealing rings 6, the slotted gap is zero. On the opposite side from the point of contact, the slot gap is maximum. However, due to the fact that the round seats 5 in the cage 4 are made of elastic material with an eccentricity, and the sealing rings 6 are firmly pressed against each other and pairwise deployed relative to each other, between the cylindrical surface of the part 1 and each group of sealing rings 6 a complex labyrinth gap is formed and, therefore, a large hydraulic resistance to the fluid flow from the high-pressure cavity to the low-pressure cavity. The hydraulic resistance in the seal gap also increases due to the fact that the fluid flow passing through the gap repeatedly changes its direction. The dimensions of the gap in the working seal are gradually reduced due to the running-in of the rubbing surfaces of the sealing rings 6 and the sealed cylindrical surface of the part 1, this automatically compresses the rubbing surfaces and, therefore, compensates for wear due to the clip 4 of elastic material. At the same time, the cuff 7 reliably seals the gap in the initial period of operation, and the metal O-rings 6 are rubbed along the mating surface of the part 1. By the time the cuff 7 is partially or completely worn, the O-rings 6 will rub and provide the necessary degree of tightness of the assembly.

Таким образом достигается повышенная герметичность уплотнения с одновременным увеличением срока его службы, а, следовательно, высокая надежность работы механического уплотнения.Thus, increased sealing tightness is achieved with a simultaneous increase in its service life, and, therefore, high reliability of the mechanical seal.

Полезная модель может применяться в насосах, компрессорах, мешалках, в запорной арматуре, в гидро- и пневмоустройствах и других машинах и аппаратах, работающих под избыточным давлением.The utility model can be used in pumps, compressors, mixers, valves, in hydraulic and pneumatic devices and other machines and devices operating under excessive pressure.

Claims

A mechanical seal of parts with an outer cylindrical surface, containing at least one metal cage with a cylindrical side wall and an annular collar from one of the ends, in which a cage of elastic material is installed, on the inner side surface of which eccentrically arranged circular seats are made, in of which the sealing rings are located, the latter being axially pressed against each other, characterized in that each clip of elastic material is provided at the edge it with at least two pairs of sealing eccentrically arranged rings, and on the side of the end the cage of elastic material is provided with a cuff made at the same time with an interference fit on the part with an outer cylindrical surface, while a throttle ring made of elastic material is installed between the sealing rings and the cuff in the cage of elastic material plastic, and the gap between the inner cylindrical surface of the opening of the throttle ring and the outer cylindrical surface of the sealed part is less than the eccentricity ovki of the sealing ring, and the sealing rings through the throttle ring and the cuff are pressed axially to the annular collar of the metal cage.