RU2119606C1

RU2119606C1 - Slotted liquid seal for high pressure differentials

Info

Publication number: RU2119606C1
Application number: RU96102448A
Authority: RU
Inventors: В.В. Антипов; Ю.В. Антипов; И.И. Браккер; А.Е. Пушкарев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью фирма "НИТЕП"
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: sealing joints at reciprocating motion. SUBSTANCE: slotted seal has plunger and sleeve. Circular backpressure chambers separated by sealing bands are made along outer surface of sleeve. Chambers are connected by means of passages with slotted clearance. EFFECT: enhanced efficiency of slotted seal in wide range of pressure fluctuations due to preset relationship between geometric parameters of chambers and sealing bands. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к щелевым уплотнениям соединений с возвратно-поступательным движением, используемым в источниках жидкости высокого и сверхвысокого давления, при котором деформация сопряженных деталей существенным образом влияет на герметичность соединения. The invention relates to slotted seals of reciprocating joints used in high and ultra-high pressure fluid sources at which deformation of mating parts substantially affects the tightness of a joint.

Щелевые жидкостные уплотнения обладают высокой износостойкостью, низкими потерями на трение, однако в связи с деформацией деталей плунжерной пары и ростом регламентируемого зазора не обеспечивают необходимой герметичности при высоких рабочих давлениях. Slotted liquid seals have high wear resistance, low friction losses, however, due to the deformation of the plunger pair parts and the growth of the regulated gap, they do not provide the necessary tightness at high operating pressures.

Предложения, направленные на уменьшение деформации гильзы и снижение влияния изменения зазоров в плунжерной паре за счет подачи высокого давления в камеру, образованную вокруг гильзы, из камеры высокого давления или из зазора плунжерной пары, известны (см. патент РФ N 2020340, кл. F 16 J 15/32 от 25.06.91 г., патент США N 4102611, кл. 417/469 от 11.04.77 г.). Proposals aimed at reducing the deformation of the sleeve and reducing the effect of changes in the gaps in the plunger pair by applying high pressure to the chamber formed around the sleeve from the high pressure chamber or from the gap of the plunger pair are known (see RF patent N 2020340, class F 16 J 15/32 from 06/25/91, US patent N 4102611, CL 417/469 from 04/11/77).

В указанных конструкциях обеспечивается стабилизация зазора только на коротком участке по длине гильзы, а на большей части ее длины происходит либо увеличение, либо уменьшение зазора, что может привести к росту утечек и повреждению деталей подвижного соединения, снижению ресурса. In these designs stabilization of the gap is ensured only in a short section along the length of the sleeve, and in most of its length there is either an increase or a decrease in the gap, which can lead to an increase in leaks and damage to parts of the movable joint, and a decrease in the resource.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемой конструкции является патент США N 3740169, кл. 417/397 от 07.10.70 г., в котором щелевое уплотнение плунжерной пары представлено в виде плунжера и гильзы, выполненной с радиальными каналами, соединяющими внутреннюю и внешнюю поверхности гильзы и размещенными группами в поперечных сечениях вдоль длины гильзы, установленной в корпусе гидроцилиндра высокого давления. The closest analogue (prototype) of the proposed design is US patent N 3740169, class. 417/397 from 10.10.70, in which the gap seal of the plunger pair is presented in the form of a plunger and a sleeve made with radial channels connecting the inner and outer surfaces of the sleeve and placed in groups in cross sections along the length of the sleeve installed in the housing of the high pressure cylinder .

Эта конструкция при длине гильзы существенно большей, чем величина рабочего хода плунжера, также обеспечивает использование в качестве щелевого уплотнения только короткого концевого участка щелевого зазора (от последнего ряда отверстий до конца гильзы), что приводит к снижению объемного коэффициента полезного действия плунжерной пары. This design, when the sleeve length is significantly larger than the size of the plunger stroke, also ensures that only the short end section of the slot gap (from the last row of holes to the end of the sleeve) is used as a gap seal, which leads to a decrease in the volumetric efficiency of the plunger pair.

Задача изобретения - повышение объемного коэффициента полезного действия плунжерной пары. The objective of the invention is to increase the volumetric efficiency of the plunger pair.

С учетом того, что величина объемных потерь в щелевом уплотнении для высоких перепадов давления (100 МПа и более) является важнейшим параметром, технический результат достигается тем, что вдоль наружной поверхности гильзы размещают ряд кольцевых камер противодавления, разделенных уплотнительных поясками и соединенных с зазором в плунжерной паре каналами, расположенными вдоль длины гильзы. Пояски между кольцевыми камерами предлагается уплотнять либо традиционными уплотнителями с применением эластомеров, либо (с целью обеспечения надежности устройства) за счет повышенной упругости уплотнительных поясков, выполненных, например, на внутренней поверхности корпуса или на внешней поверхности гильзы. Необходимая при этом упругость поясков достигается при этом выбором минимально возможной величины натяга по посадке гильзы в корпусе, который зависит, в свою очередь, от величины диаметральной деформации корпуса при максимальном рабочем давлении, а также выбором соотношения между высотой и шириной уплотнительных поясков и между шириной камер противодавления и расстоянием между осями соседних камер. Given the fact that the volume loss in the gap seal for high pressure drops (100 MPa or more) is the most important parameter, the technical result is achieved by the fact that along the outer surface of the liner a series of annular backpressure chambers are placed, separated by sealing belts and connected with a gap in the plunger a pair of channels along the length of the sleeve. The belts between the annular chambers are proposed to be sealed either with traditional gaskets using elastomers, or (in order to ensure the reliability of the device) due to the increased elasticity of the sealing belts made, for example, on the inner surface of the housing or on the outer surface of the sleeve. The elasticity of the belts necessary for this is achieved by choosing the smallest possible interference fit to fit the sleeve in the housing, which, in turn, depends on the diametrical deformation of the housing at maximum working pressure, as well as the choice of the ratio between the height and width of the sealing belts and between the width of the chambers back pressure and the distance between the axes of adjacent chambers.

На фиг. 1 показана конструкция щелевого уплотнения и эпюра распределения давлений, действующих на гильзу, со стороны камер противодавления при применении эластомерных уплотнений между камерами. In FIG. 1 shows the design of the gap seal and the diagram of the distribution of pressure acting on the sleeve from the side of the counter-pressure chambers when using elastomeric seals between the chambers.

На фиг. 2 приведена аналогичная конструкция при уплотнении поясков между камерами противодавления за счет упругой деформации поверхностей контакта корпуса и гильзы. In FIG. Figure 2 shows a similar design when sealing the girdles between the backpressure chambers due to the elastic deformation of the contact surfaces of the housing and the sleeve.

Щелевое уплотнение (фиг. 1 и 2) состоит из корпуса 1, установленной неподвижно в его расточке гильзы 2 и плунжера 3. Гильза 2 фиксируется в расточке корпуса втулкой 4. Зазор между плунжером и гильзой образует собственно щелевое уплотнение подвижного соединения. В гильзе вдоль ее длины выполнен ряд каналов 5, соединяющих внутреннюю поверхность (щелевой зазор между гильзой и плунжером) с внешней ее поверхностью. Вдоль наружной поверхности гильзы выполнены кольцевые камеры 6 противодавления. Между соседними камерами в соединении гильза-корпус установлены (фиг. 1) защитное 7 и уплотнительное 8 кольцо, которые обеспечивают отсутствие перетока рабочей жидкости между корпусом 1 и гильзой 2 из предыдущей камеры в последующую при деформации (увеличением диаметра отверстия) корпуса под воздействием переменного значения давления в рабочей камере 9 и камерах 6 противодавления. The gap seal (FIGS. 1 and 2) consists of a housing 1 fixedly mounted in its bore of the sleeve 2 and the plunger 3. The sleeve 2 is fixed in the bore of the housing by the sleeve 4. The gap between the plunger and the sleeve forms the actual gap seal of the movable joint. A number of channels 5 are made in the sleeve along its length, connecting the inner surface (the gap between the sleeve and the plunger) with its outer surface. Along the outer surface of the sleeve, annular backpressure chambers 6 are made. Between adjacent chambers, a protective 7 and a sealing 8 ring are installed (Fig. 1) in the sleeve-case connection, which ensure that there is no overflow of working fluid between the case 1 and the sleeve 2 from the previous chamber during the subsequent deformation (increase in the hole diameter) of the case under the influence of a variable value pressure in the working chamber 9 and chambers 6 back pressure.

В конструкции щелевого уплотнения, представленного на фиг. 2, уплотнение камер противодавления обеспечивается за счет упругости контактирующих элементов сопряженных деталей - расточки корпуса и уплотнительных поясков 10 гильзы 2. При этом необходимая величина упругости этих элементов в зоне контакта обеспечивается заданным соотношением между высотой h и шириной b уплотнительных поясков и между шириной камер B и расстоянием между их осями l. При задаваемых соотношениях геометрических параметров камер и уплотнительных поясков обеспечивается также сохранение не только диаметра, но и геометрии внутренней поверхности гильзы в процессе циклического возрастания и уменьшения рабочего давления, деформации расточки корпуса и уровня напряжений в зонах контакта гильзы и корпуса. In the design of the gap seal shown in FIG. 2, the sealing of the counter-pressure chambers is ensured by the elasticity of the contacting elements of the mating parts — the body boring and the sealing belts 10 of the sleeve 2. In this case, the necessary elasticity of these elements in the contact zone is ensured by the predetermined ratio between the height h and the width b of the sealing belts and between the width of the chambers B and the distance between their axes l. With the given ratios of the geometric parameters of the chambers and the sealing belts, it is also ensured that not only the diameter, but also the geometry of the inner surface of the sleeve is maintained during a cyclic increase and decrease in working pressure, deformation of the body bore and stress level in the contact zones between the sleeve and the case.

Щелевое уплотнение работает следующим образом. Crevice seal works as follows.

При каждом рабочем ходе плунжера 3 вправо давление в рабочей камере 9 возрастает и достигает максимальной величины. Затем при обратном ходе уровень давления падает. With each working stroke of the plunger 3 to the right, the pressure in the working chamber 9 increases and reaches a maximum value. Then, during the reverse stroke, the pressure level drops.

Рабочая жидкость во время рабочего хода из полости высокого давления (в камере 9) протекает по регламентируемому зазору между плунжером 3 и гильзой 2 в сторону полости низкого давления 11. При условии постоянства вязкости рабочей жидкости, протекающей по зазору, эпюра давлений вдоль щелевого зазора будет линейной, а эпюра давлений вокруг внешней поверхности гильзы будет ступенчатой (благодаря выполнению вдоль наружной поверхности гильзы кольцевых камер противодавления, соединенных каналами со щелевым зазором и разделенных уплотнительными поясками), но уровень давления в каждой последующей камере будет соответствовать средней величине давления на противолежащем участке щелевого зазора. При этом равенство (в среднем) давлений, действующих на внешнюю и внутреннюю поверхность гильзы, сохраняется на любом участке ее длины во всем диапазоне рабочих давлений от нулевого значения до максимального. The working fluid during the working stroke from the high-pressure cavity (in chamber 9) flows along the regulated gap between the plunger 3 and the sleeve 2 towards the low-pressure cavity 11. Provided that the viscosity of the working fluid flowing through the gap is constant, the pressure plot along the slotted gap will be linear , and the pressure plot around the outer surface of the sleeve will be stepped (due to the implementation along the outer surface of the sleeve of the annular counter-pressure chambers connected by channels with a gap gap and separated by sealing and belts), but the pressure level in each successive chamber will correspond to the average value of pressure at the opposite gap clearance portion. In this case, the equality (on average) of the pressures acting on the outer and inner surfaces of the liner is maintained on any part of its length in the entire range of operating pressures from zero to maximum.

Это обеспечивает стабильность и практическую независимость величины зазора в щелевом уплотнении от мгновенного значения величины давления. This ensures the stability and practical independence of the gap in the gap seal from the instantaneous value of the pressure.

При изменении вязкости рабочей жидкости в зазоре под влиянием температуры или давления эпюра давления вдоль зазора будет криволинейной, но равенство средних значений давления на каждом участке длины гильзы на ее внешнюю и внутреннюю поверхность сохранится, а следовательно и сохранится независимость величины зазора δ в щелевом уплотнении от величины давления на всей длине щелевого уплотнения. If the viscosity of the working fluid in the gap changes under the influence of temperature or pressure, the pressure plot along the gap will be curved, but the equality of the average pressure values in each section of the sleeve length to its outer and inner surfaces will remain, and therefore the gap value δ in the gap seal will remain independent of pressure along the entire length of the gap seal.

Вместе с тем, если при постоянном значении вязкости и линейной эпюре давлений перепады давлений на каждом участке примерно одинаковы, то при применении большинства реальных рабочих жидкостей, вязкость которых существенно, а часто и значительно, зависит как от температуры, так и от давления, эта эпюра будет заведомо нелинейной. At the same time, while with a constant value of viscosity and a linear pressure diagram, the pressure drops in each section are approximately the same, when using most real working fluids, the viscosity of which is significant, and often significantly, depends on both temperature and pressure, this diagram will be obviously nonlinear.

Это снижает эффективность щелевого уплотнения в целом, и для приближения эпюры давления к линейной с целью снижения утечек через зазор δ при заданных геометрических параметрах уплотнения предлагается величину натяга в соединении гильза-корпус назначать меньшей, чем величина диаметральной деформации Δ . При таком исполнении на первых уплотнительных поясках при повышении давления и вязкости рабочей жидкости появляются зазоры и на начальном участке гильзы утечка вязкой жидкости под воздействием высокого давления происходит двумя путями по щелевому зазору δ₁ между корпусом и гильзой, а далее уровень утечки из предыдущей камеры в последующую снижаясь, прекращается и на конечном участке утечка менее вязкой жидкости под пониженным давлением продолжается только по зазору δ . Такой порядок утечки выравнивает эпюру давлений в щелевом уплотнении и повышает эффективность устройства в целом.This reduces the effectiveness of the gap seal as a whole, and in order to approximate the pressure plot to a linear one in order to reduce leakage through the gap δ for given geometric parameters of the seal, it is proposed to assign an interference value in the sleeve-case connection less than the diametric strain Δ. With this design, gaps appear on the first sealing belts with increasing pressure and viscosity of the working fluid, and viscous fluid leaks under the influence of high pressure in the initial section of the sleeve in two ways along the slot gap δ ₁ between the body and the sleeve, and then the level of leakage from the previous chamber to the next decreasing, it stops and in the final section the leak of a less viscous liquid under reduced pressure continues only along the gap δ. This leakage pattern evens out the pressure plot in the gap seal and improves the overall efficiency of the device.

Таким образом, применение описанной конструкции щелевого уплотнения для высоких перепадов давления обеспечивает примерное равенство давлений (равенство площадей эпюр давлений) с внешней и с внутренней стороны гильзы на любом участке ее длины, а также постоянство величины зазора и эффективное использование всей длины щелевого уплотнения при переменном значении перепада во всем диапазоне рабочих давлений, в том числе в течение каждого рабочего хода плунжера, и необходимую надежность уплотнения. Thus, the application of the described design of the gap seal for high pressure drops provides an approximate equality of pressure (equality of the area of the pressure diagrams) on the outer and inner sides of the liner at any portion of its length, as well as the constancy of the gap and the effective use of the entire length of the gap seal with a variable value differential over the entire range of operating pressures, including during each working stroke of the plunger, and the necessary reliability of the seal.

Claims

1. A slotted liquid seal for high pressure drops, comprising a plunger and a sleeve mounted motionlessly in the body of the sleeve with channels placed along its length connecting the outer and inner surfaces of the sleeve, characterized in that annular backpressure chambers are arranged along the outer surface of the sleeve in cross sections with the channels and separated by sealing bands.

2. The gap seal according to claim 1, characterized in that the sleeve is installed in an interference fit along the sealing belts, the height of the sealing belts of the counter-pressure chambers being greater than their width, and the width of the counter-pressure chambers being more than 60% of the distance between their axes.

3. A slotted seal according to claims 1 and 2, characterized in that the magnitude of the interference fit on the sealing lips of the liner is assigned less than the magnitude of the diametrical deformation of the housing at maximum operating pressure.