RU2175416C2

RU2175416C2 - Sealing of fixed joint

Info

Publication number: RU2175416C2
Application number: RU99116429A
Authority: RU
Inventors: М.И. Оленин; О.Г. Доценко; Б.Д. Прасников; А.А. Гетьман; В.И. Сычиков; Б.С. Маркитантов
Original assignee: Военно-морской инженерный институт
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-10-27

Abstract

FIELD: sealing engineering, particularly, sealing of flange joints of submarine apparatus members. SUBSTANCE: flanges facing each other are provided with mutually conjugating grooves which form annular cavity. Thin-walled tightness sealing ring having C- shaped cross-section is mounted into the cavity. The sealing ring projections are in contact with the cavity surface of both flanges. The cavity is filled up with ferromagnetic fluid and provided with annular electromagnetic system which core is made of material of high residual magnetization. The electromagnetic system is provided with control circuit. EFFECT: enhanced reliability of the sealing devices. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации неподвижных разъемных соединений, в частности, для герметизации фланцевых соединений элементов подводных аппаратов. The invention relates to a sealing technique and can be used for sealing fixed detachable joints, in particular, for sealing flange joints of elements of underwater vehicles.

Существуют уплотнительные устройства, в которых для герметизации фланцевых соединений используются жидкости. There are sealing devices in which fluids are used to seal flange joints.

Известно уплотнительное устройство [АС СССР 767440, МКИ F 16 J 15/00, опубл. 30.09.80]. Зажимаемое между фланцами уплотнительное устройство представляет собой полое кольцо из эластичного материала, заполненное жидким электролитом, способным увеличивать объем под действием электрического напряжения. Нерабочие поверхности кольца ограничены жесткой арматурой, выполненной в виде охватывающих его цилиндрических колец. При прохождении электрического тока через электролит в полости кольца выделяются газы, что повышает давление в полости, в результате чего рабочие поверхности кольца более плотно прижимаются к уплотняемой поверхности. Однако в процессе эксплуатации эластичность полого кольца снижается, а его герметичность может быть нарушена, в частности, при его распирании под острые кромки арматурных колец. Known sealing device [AS USSR 767440, MKI F 16 J 15/00, publ. 09/30/80]. The sealing device clamped between the flanges is a hollow ring of elastic material filled with a liquid electrolyte capable of increasing volume under the influence of electric voltage. Non-working surfaces of the ring are limited by rigid reinforcement made in the form of cylindrical rings covering it. When electric current passes through the electrolyte, gases are released in the cavity of the ring, which increases the pressure in the cavity, as a result of which the working surfaces of the ring are pressed more tightly against the sealing surface. However, during operation, the elasticity of the hollow ring decreases, and its tightness can be compromised, in particular, when it is bursting under the sharp edges of the reinforcing rings.

Известно уплотнение разъемного соединения [АС СССР 815382, МКИ F 16 J 15/02, опубл. 25.03.81]. Уплотнение состоит из магнитопроводов, закрепленных в кольцевой полости в месте соединения уплотняемых деталей. Магнитопроводы охватывают магнитное эластичное кольцо, полость которого заполнена магнитной жидкостью и соединена каналами с зазорами между магнитопроводами. При сборке соединения магнитное эластичное кольцо сжимается, магнитная жидкость вытесняется в зазоры между магнитопроводами и удерживается в них магнитным полем, создавая тем самым герметизацию стыка. Уплотняющая магнитная жидкость заполняет лишь зазоры между магнитопроводами, что действительно обеспечивает быструю сборку и разборку соединения. Однако данная конструкция не может обеспечить герметичности при высоких значениях перепадов давлений, т.к. тонкий "барьер" уплотненной магнитной жидкости может быть нарушен вследствие неравномерности деформации сопрягаемых частей. Кроме того, под воздействием высокого внешнего давления стенки кольцевого магнитопровода деформируются из-за уменьшения в объеме эластичного кольца и внешняя среда (жидкость) попадает во внутренний объем устройства. Таким образом, рассмотренный аналог не обеспечивает надлежащей герметичности при высоком внешнем давлении или при его резких перепадах. Known seal releasable connection [AC USSR 815382, MKI F 16 J 15/02, publ. 03/25/81]. The seal consists of magnetic cores fixed in an annular cavity at the junction of the parts to be sealed. Magnetic cores cover a magnetic elastic ring, the cavity of which is filled with magnetic fluid and is connected by channels with gaps between the magnetic cores. When assembling the connection, the magnetic elastic ring is compressed, the magnetic fluid is forced into the gaps between the magnetic cores and held in them by a magnetic field, thereby creating a joint seal. Sealing magnetic fluid fills only the gaps between the magnetic cores, which really provides quick assembly and disassembly of the connection. However, this design cannot ensure tightness at high pressure drops, because the thin “barrier” of the compacted magnetic fluid can be broken due to the uneven deformation of the mating parts. In addition, under the influence of high external pressure, the walls of the annular magnetic circuit are deformed due to a decrease in the volume of the elastic ring and the external medium (liquid) enters the internal volume of the device. Thus, the considered analogue does not provide proper tightness at high external pressure or at its sharp drops.

Известны уплотнения торцевых частей трубопроводов [АС СССР 511469, МКИ F 16 L 19/02, опубл. 02.09.76 и АС СССР 1511502, МКИ F 16 J 15/40, опубл. 30.09.89], в которых в качестве уплотнительного элемента используются тонкостенные упругие уплотнительные кольца. Профиль поперечного сечения кольца образован выпуклыми дугами окружности. Уплотнительное кольцо установлено в полости, образованной канавками на торцах уплотняемых деталей. При сближении последних кольцо взаимодействует уплотнительными кромками со стенками полости, обеспечивая первоначальную герметизацию стыка. Однако между уплотнительным кольцом и уплотняемыми деталями существует лишь линейный контакт - по кольцевым линиям - кромкам кольца. В процессе эксплуатации, сопровождающейся вибрацией, перекосами и перепадами давлений, происходит деформация и износ контактирующих поверхностей кольца вплоть до разрушения его напряженных рабочих кромок, что приводит к нарушению герметичности соединения. Known seals of the end parts of pipelines [AS USSR 511469, MKI F 16 L 19/02, publ. 02.09.76 and the USSR AS 1511502, MKI F 16 J 15/40, publ. 09/30/89], in which thin-walled elastic sealing rings are used as a sealing element. The cross-sectional profile of the ring is formed by convex circular arcs. The sealing ring is installed in the cavity formed by grooves at the ends of the parts to be sealed. When approaching the latter, the ring interacts with sealing lips with the walls of the cavity, providing initial joint sealing. However, between the sealing ring and the parts to be sealed, there is only linear contact — along the ring lines — to the edges of the ring. During operation, accompanied by vibration, distortions and pressure differences, deformation and wear of the contacting surfaces of the ring occurs until the destruction of its stressed working edges, which leads to a violation of the tightness of the connection.

Таким образом, существует техническое противоречие: в известных авторам устройствах, использующих для уплотнения жидкости, в том числе ферромагнитные, не может быть достигнута изначально высокая степень герметизации, а в устройствах, использующих упругие тонкостенные кольца C-образного сечения, изначально высокая степень герметизации теряется в процессе эксплуатации. Thus, there is a technical contradiction: in devices known to the authors using liquids, including ferromagnetic ones, initially a high degree of sealing cannot be achieved, and in devices using thin thin-walled C-shaped rings, initially a high degree of sealing is lost in operation process.

Попытка решить противоречие предпринята в уплотнительном устройстве [Патент СССР 1809891, МКИ F 16 J 15/02, опубл. 15.04.93], выбранном в качестве прототипа. Устройство включает в себя фланцы, на внутренних поверхностях которых выполнены кольцевые канавки таким образом, что при соединении фланцев друг с другом образуется кольцевая полость. Кольцевая полость заполнена герметизирующей жидкостью и в ней расположены два тонкостенных уплотнительных кольца со сквозными отверстиями. Кольца выполнены из упругого материала, одно кольцо имеет C-образное поперечное сечение, другое - обратное ему сечение. Они установлены в канале и направлены друг к другу выпуклыми поверхностями. Устройство снабжено приспособлением, предварительно поджимающим кольца к стенкам полости. Приспособление состоит из установленных между кольцами поворотных винтовых стержней, на каждом стержне соосно установлены два распорных кольца с коническими наружными поверхностями, обращенными друг к другу меньшими основаниями. Оси стержней проходят через направляющие втулки и закрыты герметизирующими пробками. Оба кольца снабжены сквозными отверстиями для прохода жидкости при их сближении и удалении друг от друга под воздействием распорных колец. Для герметизации устройства-прототипа необходимо произвести поочередное ввинчивание поворотных винтовых стержней до прижатия кромок уплотнительных колец к стенкам полости под воздействием распорных колец, что делает процесс сборки и герметизации трудоемким. В прототипе, как и вышеописанном аналоге, уплотнительные кольца соприкасаются со стенками полости по кромкам, что снижает надежность в процессе эксплуатации. Также сложно проконтролировать равномерность начального прижатия кромок уплотнительных колец к стенкам полости, а следовательно, обеспечить равную степень герметизации по всему каналу. В случае, если давление в камере превышает давление среды, возможно истечение герметизирующей жидкости из внутреннего объема механизма через отверстия в уплотнительных кольцах вдоль направляющих втулок и далее через резьбу герметизирующей пробки. При герметизации от внешнего давления окружающая жидкость по тому же пути проникает вовнутрь механизма. Таким образом, прототип не может обеспечить высокую надежность работы при высоких давлениях или его резких перепадах ввиду того, что так называемое уплотнительное кольцо не может обеспечить необходимую степень уплотнения из-за наличия в нем сквозных отверстий для прохода жидкости. An attempt to resolve the contradiction was made in a sealing device [USSR Patent 1809891, MKI F 16 J 15/02, publ. 04/15/93], selected as a prototype. The device includes flanges, on the inner surfaces of which annular grooves are made in such a way that when the flanges are connected to each other, an annular cavity is formed. The annular cavity is filled with a sealing liquid and two thin-walled sealing rings with through holes are located in it. The rings are made of elastic material, one ring has a C-shaped cross section, and the other has a back section. They are installed in the channel and directed towards each other by convex surfaces. The device is equipped with a device pre-pressing rings to the walls of the cavity. The device consists of rotary screw rods installed between the rings, two spacer rings with conical outer surfaces facing each other with smaller bases coaxially mounted on each rod. The axis of the rods pass through the guide bushings and are closed by sealing plugs. Both rings are equipped with through holes for the passage of fluid when they approach and move away from each other under the influence of spacer rings. To seal the prototype device, it is necessary to screw the rotary screw rods one by one until the edges of the sealing rings are pressed against the walls of the cavity under the influence of the spacer rings, which makes the assembly and sealing process laborious. In the prototype, as well as the analogue described above, the sealing rings are in contact with the walls of the cavity along the edges, which reduces reliability during operation. It is also difficult to control the uniformity of the initial pressing of the edges of the sealing rings to the walls of the cavity, and therefore, to ensure an equal degree of sealing throughout the channel. If the pressure in the chamber exceeds the pressure of the medium, leakage of the sealing fluid from the internal volume of the mechanism through holes in the sealing rings along the guide bushings and then through the thread of the sealing plug is possible. When sealing against external pressure, the surrounding fluid penetrates into the mechanism along the same path. Thus, the prototype cannot provide high reliability at high pressures or sudden changes due to the fact that the so-called sealing ring cannot provide the necessary degree of sealing due to the presence of through holes for the passage of fluid.

Кроме того, как прототип, так и аналоги, не предусматривают возможность автоматического регулирования степени уплотнения в зависимости от изменения параметров внешней среды. In addition, both the prototype and analogues do not provide for the possibility of automatic control of the degree of compaction depending on changes in environmental parameters.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности уплотнительных устройств, а именно повышение изначальной степени герметичности и ее сохранение в процессе эксплуатации. The basis of the invention is the task of increasing the reliability of sealing devices, namely increasing the initial degree of tightness and its preservation during operation.

Дополнительной задачей является обеспечение возможности регулирования степени уплотнения в зависимости от изменений параметров внешней среды. An additional task is to provide the ability to control the degree of compaction depending on changes in environmental parameters.

Поставленная задача решается тем, что в уплотнении неподвижного соединения, включающем скрепленные болтовыми соединениями фланцы, обращенные друг к другу, поверхности которых образуют кольцевую полость, полость заполнена жидкой герметизирующей средой и в ней установлено упругое тонкостенное уплотнительное кольцо, взаимодействующее со стенками кольцевой полости, профиль поперечного сечения уплотнительного кольца образован дугой переменной кривизны, согласно изобретению в кольцевой полости дополнительно установлена кольцевая электромагнитная система, в качестве герметизирующей среды используют ферромагнитную жидкость, а уплотнительное кольцо выполнено непроницаемым и установлено в кольцевой полости таким образом, чтобы взаимодействие уплотнительного кольца со стенками кольцевой полости, принадлежащими обоим фланцам, осуществлялось по выпуклым участкам кольца. The problem is solved in that in the seal of the fixed connection, including flanges bolted together by bolts, facing each other, the surfaces of which form an annular cavity, the cavity is filled with a liquid sealing medium and an elastic thin-walled sealing ring is installed in it, interacting with the walls of the annular cavity, the transverse profile a section of the sealing ring is formed by an arc of variable curvature, according to the invention, an annular electric element is additionally installed in the annular cavity the magnetic system, ferromagnetic fluid is used as the sealing medium, and the sealing ring is impermeable and installed in the annular cavity so that the interaction of the sealing ring with the walls of the annular cavity belonging to both flanges is carried out along the convex sections of the ring.

Целесообразно, чтобы кольцевая полость в радиальном сечении имела вид фигуры, сужающейся по направлению возможного распространения давления в зазоре между фланцами. It is advisable that the annular cavity in the radial section had the form of a figure tapering in the direction of possible pressure propagation in the gap between the flanges.

Наилучший результат достигается при выполнении сердечника электромагнитной системы из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. The best result is achieved when the core of the electromagnetic system is made of a material with high residual magnetization.

Дополнительная задача решается тем, что электромагнитную систему выполняют управляемой с обеспечением возможности изменения ее выходного параметра в зависимости от изменений параметров внешней среды. An additional problem is solved by the fact that the electromagnetic system is controlled to ensure the possibility of changing its output parameter depending on changes in environmental parameters.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено: Фиг. 1 - разрез устройства. Фиг. 2 - выполнение камеры по п.2 формулы. Фиг. 3 - схема управления электромагнитной системы. The invention is illustrated by drawings, in which: FIG. 1 - section of the device. FIG. 2 - the implementation of the camera according to claim 2 of the formula. FIG. 3 is a control diagram of an electromagnetic system.

Реализация изобретения рассматривается на примере фланцевого уплотнения подводного аппарата. The implementation of the invention is considered by the example of a flange seal of an underwater vehicle.

На обращенных друг к другу поверхностях фланцев 1 выполнены взаимно сопрягаемые канавки, которые образуют кольцевую полость 2. Канавка может быть выполнена лишь на одном фланце. В кольцевой полости 2 установлено упругое тонкостенное уплотнительное кольцо 3, имеющее в осевом сечении C-образную форму без сквозных отверстий, т.е. выполнено непроницаемым. Уплотнительное кольцо 3 установлено так, что оно своими выпуклыми участками касается поверхностей полости 2, принадлежащих обоим фланцам, чтобы исключить возможность уплотнения по кромкам кольца. При этом кольцо 3 приближено к торцевой стенке полости 2, ориентированной в сторону низкого давления. Разрез кольца ориентирован в ту же сторону. Кольцевая полость 2 может иметь в радиальном сечении форму трапеции с меньшим основанием, ориентированным в сторону низкого давления. On the surfaces of the flanges 1 facing each other, mutually mating grooves are made, which form an annular cavity 2. The groove can be made on only one flange. An elastic thin-walled sealing ring 3 is installed in the annular cavity 2, which has a C-shape in the axial section without through holes, i.e. made impenetrable. The sealing ring 3 is installed so that it convexly touches the surfaces of the cavity 2 belonging to both flanges in order to exclude the possibility of sealing along the edges of the ring. In this case, the ring 3 is close to the end wall of the cavity 2, oriented towards low pressure. The section of the ring is oriented in the same direction. The annular cavity 2 may have a trapezoid in a radial section with a smaller base oriented towards low pressure.

Полость 2 заполнена ферромагнитной жидкостью и в ней размещена кольцевая электромагнитная система 4, сердечник которой выполнен из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. Электромагнитная система имеет схему управления, представленную на фиг. 3. Схема управления включает блок питания 5, соединенный с первым входом преобразующего устройства 6 и параллельно установленными датчиками глубины 7 и солености воды 8, выходы которых соединены с другими входами преобразующего устройства 6. Выход преобразующего устройства 6 соединен с обмоткой 9 электромагнитной системы 4. The cavity 2 is filled with a ferromagnetic fluid and an annular electromagnetic system 4 is placed in it, the core of which is made of a material having a high residual magnetization. The electromagnetic system has a control circuit shown in FIG. 3. The control circuit includes a power supply 5 connected to the first input of the conversion device 6 and parallel mounted sensors of depth 7 and salinity of water 8, the outputs of which are connected to other inputs of the conversion device 6. The output of the conversion device 6 is connected to the winding 9 of the electromagnetic system 4.

Фланцы 1 соединены крепежными элементами - болтами 10. В зазоре между фланцами с двух сторон от кольцевой полости 2 установлены резиновые уплотнения 11. В одном из фланцев выполнен канал 12 для подачи в обе части полости ферромагнитной жидкости. The flanges 1 are connected by fasteners - bolts 10. In the gap between the flanges on both sides of the annular cavity 2 rubber seals are installed 11. In one of the flanges a channel 12 is made for supplying ferromagnetic fluid to both parts of the cavity.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Вначале в полость 2 устанавливают электромагнитную систему 4 и уплотнительное кольцо 3. Одновременно в зазор между фланцами устанавливают резиновые уплотнения 11. Предварительное сочленение фланцев 1 осуществляется затяжными болтами 10. Затем через сквозной канал 12 ферромагнитной жидкостью заполняется полость 2 по обе стороны от уплотнительного кольца 3 и щелевые зазоры до резиновых уплотнений 11. На обмотку 9 электромагнитной системы 4 через преобразующее устройство 6 подается напряжение. При этом под воздействием поля электромагнитной системы 4 ферромагнитная жидкость уплотняется, что обеспечивает начальную величину уплотнения стыка дополнительно к уплотнению упругого непроницаемого C-образного кольца 3. First, the electromagnetic system 4 and the sealing ring 3 are installed in the cavity 2. At the same time, rubber seals 11 are installed in the gap between the flanges. The preliminary jointing of the flanges 1 is carried out by tightening bolts 10. Then, through the through channel 12, the cavity 2 is filled with cavity 2 on both sides of the sealing ring 3 and slotted gaps to the rubber seals 11. Voltage is applied to the winding 9 of the electromagnetic system 4 through the conversion device 6. Moreover, under the influence of the field of the electromagnetic system 4, the ferromagnetic fluid is compacted, which provides the initial value of the joint seal in addition to the seal of the elastic impermeable C-shaped ring 3.

При увеличении внешнего давления сигналы датчика 7 глубины корректируют напряжение на выходе преобразующего устройства 6, а следовательно, напряженность поля в кольцевой полости 2, что автоматически приводит к увеличению степени уплотнения ферромагнитной жидкостью. Аналогичное воздействие оказывает датчик 8 солености. With increasing external pressure, the signals of the depth sensor 7 correct the voltage at the output of the converting device 6, and therefore, the field strength in the annular cavity 2, which automatically leads to an increase in the degree of compaction by a ferromagnetic fluid. A similar effect is exerted by the salinity sensor 8.

В случае нарушения герметичности со стороны уплотнительных резиновых колец 11 (резкое повышение давления, перекосы, вибрация, удары и т.д.) забортная вода оказывает давление на ферромагнитную жидкость в кольцевой полости 2. Под действием давления непроницаемое упругое кольцо 3 дополнительно прижимается либо к торцевой стенке уплотнительной камеры (см. Фиг. 1), либо к коническим поверхностям камеры (см. Фиг. 2). Далее поверхность кольца изгибается, его выпуклые участки распрямляются, увеличивая тем самым площадь контакта между уплотняемыми поверхностями. При этом линейный кольцевой контакт уплотнения переходит в контакт по кольцевой поверхности. In case of leakage on the part of the sealing rubber rings 11 (sharp increase in pressure, distortions, vibration, shock, etc.), the seawater exerts pressure on the ferromagnetic fluid in the annular cavity 2. Under pressure, the impermeable elastic ring 3 is additionally pressed either to the end the wall of the sealing chamber (see Fig. 1), or to the conical surfaces of the chamber (see Fig. 2). Further, the surface of the ring is bent, its convex sections are straightened, thereby increasing the contact area between the sealing surfaces. In this case, the linear annular contact of the seal passes into contact along the annular surface.

В случае прекращения подачи питания на обмотки электромагнитной системы остаточная намагниченность сердечника позволит сохранить уплотняющие свойства ферромагнитной жидкости. In the event of a power failure to the windings of the electromagnetic system, the residual magnetization of the core will allow to maintain the sealing properties of the ferromagnetic fluid.

Таким образом, в заявляемой конструкции имеется две степени защиты: защита уплотняющейся ферромагнитной жидкостью и защита упругим непроницаемым уплотнительным кольцом, что обеспечивает высокую изначальную степень герметичности. Ее сохранение в процессе эксплуатации достигается за счет того, что уплотнение осуществляется по выпуклым участкам уплотнительного кольца, а не по напряженным кромкам, как у известных решений. Thus, in the claimed design, there are two degrees of protection: protection by a sealed ferromagnetic fluid and protection by an elastic impermeable sealing ring, which provides a high initial degree of tightness. Its conservation during operation is achieved due to the fact that the seal is carried out along the convex sections of the sealing ring, and not along the stressed edges, as in the well-known solutions.

Кроме того, повышенная надежность работы устройства в особых условиях обеспечивается за счет автоматического управления степенью уплотнения ферромагнитной жидкости от датчиков параметров внешней среды и за счет магнитных свойств материала сердечника электромагнитной системы. In addition, the increased reliability of the device under special conditions is ensured by automatically controlling the degree of compaction of the ferromagnetic fluid from the environmental sensors and due to the magnetic properties of the core material of the electromagnetic system.

Claims

1. The seal of the fixed connection, including flanges bolted together, facing each other, the surfaces of which form an annular cavity, the cavity is filled with a liquid sealing medium and an elastic thin-walled sealing ring is installed in it, interacting with the walls of the annular cavity, the cross-sectional profile of the sealing ring is formed by an arc variable curvature, characterized in that an annular electromagnetic system is additionally installed in the annular cavity, as tiziruyuschey fluid medium is ferromagnetic, and the sealing ring is made impermeable and set in the annular cavity so that the interaction of the seal ring with the walls of the annular chamber, belonging to the two flanges carried on the convex sections of the ring.

2. The seal of the fixed connection according to claim 1, characterized in that the annular cavity in the radial section has the form of a figure tapering in the direction of possible pressure propagation in the gap between the flanges.

3. The seal of the fixed connection according to claims 1 and 2, characterized in that a channel connected to the annular cavity is made in one of the flanges.

4. The seal of the fixed connection according to claims 1 to 3, characterized in that the ring electromagnetic system has a core made of a material having a high residual magnetization.

5. The seal of the fixed connection according to claims 1 to 4, characterized in that the ring electromagnetic system is made controllable with the possibility of changing its output parameter depending on changes in environmental parameters.