RU2803549C1 - Противотермоусадочное опорное кольцо для динамического радиального уплотнения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к уплотнению для предотвращения утечек между компонентами узла. Уплотнение включает в себя рубашку, имеющую основание, внутренний уплотняющий сегмент и наружный уплотняющий сегмент, и дополнительно включает в себя пружину, расположенную внутри рубашки между внутренним уплотняющим сегментом и наружным уплотняющим сегментом и в контакте с ними. Пружина включает в себя круглое опорное кольцо, расположенное внутри пружины. Опорное кольцо смещает наружный диаметр пружины к наружному уплотняющему сегменту рубашки для поддержания контактного давления между внутренним уплотняющим сегментом рубашки и валом узла. Опорное кольцо управляет термической усадкой пружины для поддержания уплотнения между корпусом и валом узла при эксплуатации узла в условиях криогенных температур. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уплотнения используются во многих промышленных отраслях для предотвращения утечек между компонентами узла. В некоторых вариантах применения эти уплотнения могут подвергаться воздействию экстремальных условий эксплуатации, таких как криогенные температуры и/или высокие температуры, которые могут вызывать усадку, расширение или деформацию участков уплотнения или компонентов узла, таким образом уменьшая контактное давление между уплотнением и компонентами. Уменьшение контактного давления при этих экстремальных условиях эксплуатации может привести к утечке между уплотнением и одним или более компонентами. Поэтому для надлежащего поддержания своей функции уплотнения к надежности уплотнений, подвергающихся воздействию таких экстремальных условий эксплуатации, предъявляют более высокие требования. Соответственно, промышленность по-прежнему требует усовершенствования технологии уплотнений для таких областей применений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Чтобы отличительные признаки и преимущества вариантов осуществления по настоящему изобретению стали более доступными для понимания, на прилагаемых чертежах подробно проиллюстрированы способы их применения. Однако рисунки иллюстрируют только некоторые варианты осуществления и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения, поскольку могут существовать другие одинаково эффективные варианты осуществления.

На ФИГ. 1 представлен вид в поперечном сечении узла, имеющего кольцевое уплотнение в соответствии с вариантом осуществления описания.

На ФИГ. 2 представлен вид в поперечном сечении пружины и опорного кольца кольцевого уплотнения в соответствии с вариантом осуществления описания.

На ФИГ. 3 представлен вид в поперечном сечении пружины и опорного кольца кольцевого уплотнения в соответствии с вариантом осуществления описания.

На ФИГ. 4 представлен вид в поперечном сечении пружины и опорного кольца кольцевого уплотнения в соответствии с вариантом осуществления описания.

На ФИГ. 5 представлен вид в поперечном сечении узла, имеющего кольцевое уплотнение в соответствии с вариантом осуществления описания, и показано распределение контактного давления (КД) по кольцевому уплотнению.

Использование тех же опорных символов на разных чертежах указывает на аналогичные или идентичные элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО (-ЫХ) ВАРИАНТА (-ОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На ФИГ. 1 представлен частичный вид в поперечном сечении узла 100 в соответствии с вариантом осуществления описания. В некоторых вариантах осуществления узел 100 может представлять собой узел муфты, электромагнитный клапан или узел клапана. В более конкретных вариантах осуществления узел 100 может представлять собой узел муфты, электромагнитный клапан или узел клапана для применения в аэрокосмической отрасли, области альтернативной энергетики, медицины или подводной техники. Узел 100 может по существу включать в себя корпус 102 и вал 104, который вращается или совершает возвратно-поступательные движения внутри корпуса вокруг оси 106 или вдоль нее. В некоторых вариантах осуществления вал 104 может включать в себя полый вал. Однако в других вариантах осуществления вал 104 может включать в себя сплошной вал. Узел 100 может дополнительно включать в себя полость 108, образованную внутри корпуса 102 и между корпусом 102 и валом 104. В некоторых вариантах осуществления корпус 102 может включать в себя один или более дополнительных компонентов, которые в совокупности образуют корпус 102. Например, в некоторых вариантах осуществления дополнительный компонент может быть выполнен с возможностью выборочного отсоединения от корпуса 102 для обеспечения доступа к полости 108 для обеспечения возможности установки и/или удаления кольцевого уплотнения 150, расположенного внутри полости 108.

Кольцевое уплотнение 150 может по существу быть расположено внутри полости 108 и вокруг вала 104 и/или оси 106. Уплотнение 150 может быть выполнено с возможностью контакта и обеспечения радиального уплотнения между корпусом 102 и валом 104 узла 100. Уплотнение 150 может содержать рубашку 152, кольцевой элемент питания или пружину 160 и опорное кольцо 170, расположенное кольцеобразно внутри пружины 160. Рубашка 152 может включать в себя подошву или основание 154, смежное с участком корпуса 102 и контактирующее с ним. Рубашка 152 может также включать в себя внутренний уплотняющий сегмент 156, проходящий от основания 154 и смежно с валом 104, и контактирующий с ним, и наружный уплотняющий сегмент 158, проходящий от основания 154 и смежно с корпусом 102 и контактирующий с ним. Однако в других вариантах осуществления рубашка 152 может включать в себя дополнительные элементы и/или профили. Рубашка 152 может по существу быть образована из термореактивного пластика, термопластика или их комбинации. В частности, рубашка 152 может быть выполнена из политетрафторэтилена (PTFE), фторполимера, перфторполимера, 3-трифторметил-4-нитрофенола (TFM), поливинилфторида (PVF), поливинилиденфторида (PVDF), полихлортрифторэтилена (PCTFE), перфторалкокси (PFA), фторэтиленпропилена (FEP), этилентетрафторэтилена (ETFE), этиленхлортрифторэтилена (ECTFE), полихлортрифторэтилена (PCTFE), полиарилкетона, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетон (PEK) или полиэфиркетонкетон (PEKK), полисульфона, такого как полифениленсульфид (PPS), полифенилсульфон (PPSU), полисульфон (PSU), поли(п-фениленэфир) (PPE) или поли(п-фениленоксид) (PPO), ароматических полиамидов, таких как полифталамид (PPA), термопластичных полиимидов, таких как полиимид (PI), полиэфиримид (PEI) или термопластичный полиимид (TPI), или любой их комбинации, с армирующими добавками или наполнителями или без них.

В некоторых вариантах осуществления пружина 160 может включать в себя круглый металлический кольцевой корпус, имеющий внутренний диаметр (ВД) и наружный диаметр (НД), измеренный от оси 106 вала 104. В некоторых вариантах осуществления ВД пружины 160 может составлять по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 3 мм, по меньшей мере 4 мм, по меньшей мере 5 мм, по меньшей мере 6 мм, по меньшей мере 7 мм, по меньшей мере 8 мм, по меньшей мере 9 мм, по меньшей мере 10 мм, по меньшей мере 25 мм, по меньшей мере 50 мм, по меньшей мере 75 мм, по меньшей мере 100 мм, по меньшей мере 150 мм, по меньшей мере 200 мм, по меньшей мере 250 мм, по меньшей мере 300 мм, по меньшей мере 400 мм, по меньшей мере 500 мм или даже более. В некоторых вариантах осуществления НД пружины 160 может составлять по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 3 мм, по меньшей мере 4 мм, по меньшей мере 5 мм, по меньшей мере 6 мм, по меньшей мере 7 мм, по меньшей мере 8 мм, по меньшей мере 9 мм, по меньшей мере 10 мм, по меньшей мере 11 мм, по меньшей мере 12 мм, по меньшей мере 13 мм, по меньшей мере 14 мм, по меньшей мере 15 мм, по меньшей мере 25 мм, по меньшей мере 50 мм, по меньшей мере 75 мм, по меньшей мере 100 мм, по меньшей мере 150 мм, по меньшей мере 200 мм, по меньшей мере 250 мм, по меньшей мере 300 мм, по меньшей мере 500 мм, по меньшей мере 1000 мм или даже более. В некоторых вариантах осуществления пружина 160 может включать в себя некруглый металлический кольцевой корпус, имеющий наружный диаметр (НД). Например, в некоторых вариантах осуществления пружина 160 может представлять собой С-образную пружину. В некоторых вариантах осуществления пружина 160 может дополнительно представлять собой круглую или некруглую спиральную пружину.

Пружина 160 может быть расположена внутри рубашки 152 между внутренним уплотняющим сегментом 156 и наружным уплотняющим сегментом 158 рубашки 152 или в контакте с ними. Более конкретно, пружина 160 может быть расположена внутри рубашки 152 таким образом, что внутренний диаметр металлического кольцевого корпуса пружины 160 располагается смежно с внутренним уплотняющим сегментом 156 рубашки 152 и контактирует с ним, и таким образом, что наружный диаметр металлического кольцевого корпуса пружины 160 располагается смежно с наружным уплотняющим сегментом 158 рубашки 152 и контактирует с ним. В показанном варианте осуществления пружина 160 включает в себя поперечное сечение по существу круглого профиля или формы. Однако в других вариантах осуществления пружина 160 может включать в себя поперечное сечение эллиптического, овального или другого профиля или формы. Пружина 160 по существу может быть выполнена из упругого металлического материала. Более конкретно, пружина 160 может быть выполнена из сплава на основе никеля и хрома, такого как Inconel®, сплава на основе никеля, сплава кобальта, хрома, никеля и молибдена, сплава бериллия и меди, никеля, титана, вольфрама, нержавеющей стали, пружинной стали, стали, алюминия, цинка, меди, магния, олова, платины, свинца, железа или бронзы. Более конкретно, в некоторых вариантах осуществления пружина 160 может включать в себя покрытие, такое как покрытие из нитрида алюминия и хрома (AlCrN), покрытие из нитрида титана и алюминия (TiAlN), любое другое износостойкое металлическое покрытие или любую их комбинацию.

На ФИГ. 2 представлен вид в поперечном сечении пружины 160 и опорного кольца 170 в соответствии с вариантом осуществления описания. Опорное кольцо 170 может по существу быть расположено кольцеобразно внутри пружины 160. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть расположено смежно с НД пружины 160. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть совмещено по радиусу с центром 162 пружины 160. Более конкретно, в некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть расположено в осевом направлении таким образом, что центр 172 опорного кольца 170 может быть совмещен по радиусу с центром 162 пружины 160. Дополнительно в некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может по меньшей мере частично контактировать с пружиной 160. Более конкретно, в некоторых вариантах осуществления наружная поверхность опорного кольца 170 может по меньшей мере частично контактировать с внутренней поверхностью пружины 160. Дополнительно в некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть соединено с пружиной 160. Однако в некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть отсоединено от пружины 160 или может свободно двигаться, вращаться или перемещаться независимо от пружины 160.

В некоторых вариантах осуществления наружная поверхность опорного кольца 170 может не контактировать с внутренней поверхностью пружины 160 без сжатия. Соответственно, следует понимать, что опора, обеспечиваемая опорным кольцом 170 для пружины 160, может зависеть от формы поперечного сечения и расстояния или допуска между внутренней поверхностью пружины 160 и наружной поверхностью опорного кольца 170. Например, в некоторых вариантах осуществления допуск между внутренней поверхностью пружины 160 и наружной поверхностью опорного кольца 170 может составлять по меньшей мере 0,05 миллиметра (мм), по меньшей мере 0,10 мм, по меньшей мере 0,15 мм, по меньшей мере 0,20 мм, по меньшей мере 0,25 мм, по меньшей мере 0,30 мм, по меньшей мере 0,35 мм, по меньшей мере 0,40 мм, по меньшей мере 0,45 мм, по меньшей мере 0,50 мм или по меньшей мере 0,75 мм. В некоторых вариантах осуществления допуск между внутренней поверхностью пружины 160 и наружной поверхностью опорного кольца 170 может составлять не более 1 мм, не более 0,75 мм, не более 0,50 мм, не более 0,305 мм, не более 0,280 мм, не более 0,254 мм, не более 0,229 мм, не более 0,204 мм, не более 0,20 мм. Дополнительно следует понимать, что допуск между внутренней поверхностью пружины 160 и наружной поверхностью опорного кольца 170 может составлять любую величину в диапазоне между любыми такими минимальным и максимальным значениями, например от по меньшей мере 0,05 мм до не более 1 мм, от по меньшей мере 0,20 мм до не более 0,305 мм или от по меньшей мере 0,20 мм до не более 0,254 мм.

В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере участок кривизны опорного кольца 170 может быть ответным по отношению к кривизне пружины 160. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может включать в себя контактную высоту (КВ), которая представляет собой участок кривизны опорного кольца 170, который контактирует с пружиной 160. В некоторых вариантах осуществления в свободном состоянии, когда они не установлены в узел 100, пружина 160 и опорное кольцо 170 могут не контактировать друг с другом. Однако после установки в полость 108 узла 100, когда пружина 160 сжимается, пружина 160 и опорное кольцо 170 могут контактировать друг с другом вдоль контактной высоты (КВ). В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может включать в себя контактную высоту (КВ), которая может составлять по меньшей мере 1%, по меньшей мере 2%, по меньшей мере 3%, по меньшей мере 4%, по меньшей мере 5%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20% или по меньшей мере 25% высоты (В) опорного кольца 170. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может включать в себя контактную высоту (КВ), которая может составлять не более 75%, не более 70%, не более 65%, не более 60%, не более 55%, не более 50%, не более 40% или не более 30% высоты (В) опорного кольца 170. Дополнительно следует понимать, что опорное кольцо 170 может включать в себя контактную высоту (КВ), величина которой может находиться между любыми такими минимальным и максимальным значениями, например от по меньшей мере 1% до не более 75% высоты (В) опорного кольца 170 или даже от по меньшей мере 5% до не более 30% высоты (В) опорного кольца 170.

Опорное кольцо 170 может по существу быть расположено в осевом направлении таким образом, что центр 172 опорного кольца 170 может быть совмещен по радиусу с центром 162 пружины 160. В некоторых вариантах осуществления высота (В) и/или ширина (Ш) опорного кольца 170 могут быть связаны с диаметром (Д) пружины 160. В некоторых вариантах осуществления соотношение между высотой (В) опорного кольца 170 и диаметром (Д) пружины 160 может быть выполнено с возможностью совмещения центра 172 опорного кольца 170 с центром 162 пружины 160. В некоторых вариантах осуществления высота (В) опорного кольца 170 может составлять по меньшей мере 10%, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 55% или по меньшей мере 60% диаметра (Д) пружины 160. В некоторых вариантах осуществления высота (В) опорного кольца 170 может составлять не более 95%, не более 90%, не более 85%, не более 80% или не более 75% диаметра (Д) пружины 160. Дополнительно следует понимать, что высота (В) опорного кольца 170 может иметь величину в диапазоне между любыми такими минимальным и максимальным значениями, например от по меньшей мере 10% и не более 95% диаметра (Д) пружины 160 или даже от по меньшей мере 50% до не более 80% диаметра (Д) пружины 160.

В некоторых вариантах осуществления соотношение между шириной (Ш) опорного кольца 170 и диаметром (Д) пружины 160 может быть выполнено с возможностью предотвращения контакта между опорным кольцом 170 и ВД пружины 160 при сжатии пружины 160 радиально внутрь. В некоторых вариантах осуществления ширина (Ш) опорного кольца 170 может составлять по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45% или по меньшей мере 50% диаметра (Д) пружины 160. В некоторых вариантах осуществления ширина (Ш) опорного кольца 170 может составлять не более 75%, не более 70%, не более 65%, не более 60%, не более 55% или не более 50% диаметра (Д) пружины 160. Дополнительно следует понимать, что ширина (Ш) опорного кольца 170 может иметь величину в диапазоне между любыми такими минимальным и максимальным значениями, например от по меньшей мере 10% до не более 75% диаметра (Д) пружины 160 или даже от по меньшей мере 25% до не более 50% диаметра (Д) пружины 160.

В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может включать в себя профиль поперечного сечения, который является эллиптическим, круглым или овальным. В других вариантах осуществления опорное кольцо 170 может включать в себя профиль поперечного сечения полукруглого кольца, например опорное кольцо 370, как показано на ФИГ. 3, сложный профиль поперечного сечения, имеющий выпуклый наружный профиль поперечного сечения и вогнутый внутренний профиль поперечного сечения, например опорное кольцо 470, показанное на ФИГ. 4, шестиугольный профиль поперечного сечения, ромбовидный профиль поперечного сечения и/или профиль поперечного сечения, который имеет множество точек контакта с внутренней поверхностью пружины 160, например опорное кольцо 470, показанное на ФИГ. 4.

В некоторых вариантах осуществления следует понимать, что высота (В) и ширина (Ш) могут быть разными. В конкретном варианте осуществления высота (В) может быть больше ширины (Ш). В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может включать в себя профиль поперечного сечения, который является круглым. В таких вариантах осуществления следует понимать, что высота (В) и ширина (Ш) могут быть по существу одинаковыми. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть сплошным. Однако в других вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть полым. Дополнительно в некоторых вариантах осуществления форма опорного кольца 170 может быть асимметричной таким образом, что опорное кольцо 170 имеет выпуклую, изогнутую наружную форму или поверхность на наружном диаметре опорного кольца 170 и/или НД пружины 160 и имеет при этом вогнутую, выпуклую или плоскую форму или поверхность на внутреннем диаметре опорного кольца 170 и/или ВД пружины 160. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может также иметь конфигурацию разъемного кольца таким образом, что опорное кольцо 170 по меньшей мере частично разделено по окружности и сжимается до меньшего диаметра под нагрузкой.

В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть выполнено из полимерного материала. В таких вариантах осуществления полимерный материал может включать в себя PTFE, фторполимер, перфторполимер, TFM, PVF, PVDF, PCTFE, PFA, FEP, ETFE, ECTFE, PCTFE, полиарилкетон, такой как PEEK, PEK или PEKK, полисульфон, такой как PPS, PPSU, PSU, PPE или PPO, ароматические полиамиды, такие как PPA, термопластичные полиимиды, такие как PI, PEI или TPI, или любую их комбинацию, с армирующими добавками или наполнителями или без них. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может быть выполнено из металлического материала. В таких вариантах осуществления металлический материал может включать в себя сплав на основе никеля и хрома, такой как Inconel®, сплав на основе никеля, сплав кобальта, хрома, никеля и молибдена, сплав бериллия и меди, никель, титан, вольфрам, нержавеющую сталь, пружинную сталь, сталь, алюминий, цинк, медь, магний, олово, платину, свинец, железо или бронзу. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170 может также дополнительно иметь покрытие, такое как покрытие из нитрида алюминия и хрома (AlCrN), покрытие из нитрида титана и алюминия (TiAlN), любое другое износостойкое металлическое покрытие или любую их комбинацию.

Опорное кольцо 170 может по существу быть выполнено с возможностью смещения наружного диаметра (НД) пружины 160 к наружному уплотняющему сегменту 158 рубашки 152 для поддержания контактного давления между наружным уплотняющим сегментом 158 рубашки и корпусом 102 и/или между внутренним уплотняющим сегментом 156 рубашки 152 и валом 104 узла 100. Опорное кольцо может также быть выполнено с возможностью управления термической усадкой (или термическим расширением в случае высоких температур) пружины 160, наружного уплотняющего сегмента 158 или их комбинации для сохранения уплотнения между корпусом 102 и валом 104 узла 100 при эксплуатации узла 100 в условиях криогенных температур. Следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления смещающее действие опорного кольца 170 на пружину 160 может быть достигнуто только после установки уплотнения 150 в полость 108 узла 100.

На ФИГ. 3 представлен вид в поперечном сечении пружины 160 и опорного кольца 370 в соответствии с вариантом осуществления описания. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 370 может быть аналогичным опорному кольцу 170 и приемлемым для применения в кольцевом уплотнении 150. Опорное кольцо 370 может по существу включать в себя полукруглый профиль поперечного сечения, имеющий выпуклую наружную поверхность 372 на наружном диаметре опорного кольца 170 и/или НД пружины 160 и вогнутую внутреннюю поверхность 374 на внутреннем диаметре опорного кольца 170 и/или ВД пружины 160.

На ФИГ. 4 представлен вид в поперечном сечении пружины 160 и опорного кольца 470 в соответствии с одним вариантом осуществления описания. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 470 может быть аналогичным опорному кольцу 170 и приемлемым для применения в кольцевом уплотнении 150. Опорное кольцо 470 может включать в себя наружную поверхность 472 на наружном диаметре опорного кольца 170 и/или НД пружины 160. В некоторых вариантах осуществления наружная поверхность 472 может выступать наружу. В некоторых вариантах осуществления выступающая наружу поверхность 472 может быть выпуклой. В некоторых вариантах осуществления выступающая наружу поверхность 472 может быть образована множеством плоских секций (например, 3 секции, 4 секции, 5 секций). В других вариантах осуществления наружная поверхность 472 может быть по существу плоской. В некоторых других вариантах осуществления наружная поверхность 472 может выступать внутрь. В некоторых вариантах осуществления выступающая внутрь поверхность 472 может быть выпуклой. В некоторых вариантах осуществления выступающая внутрь поверхность 472 может быть образована множеством плоских секций (например, 3 секции, 4 секции, 5 секций). Опорное кольцо 470 может включать в себя вогнутую и/или наклонную внутреннюю поверхность 474 на внутреннем диаметре опорного кольца 170 и/или ВД пружины 160. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 470 может включать в себя верхнюю и нижнюю поверхности 476, проходящие от наружной поверхности 472. В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 470 может также включать в себя наклонные переходные поверхности 478, расположенные между каждой из верхней и нижней поверхностей 476 и каждой наклонной поверхностью вогнутой внутренней поверхности 474.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 470 может иметь профиль поперечного сечения, обеспечивающий множество точек 480 контакта с внутренней поверхностью пружины 160. Таким образом, следует понимать, что наружная поверхность 472 опорного кольца 470 может иметь больший радиус, чем пружина 160. Кроме того, в отсутствие сжатия наружная поверхность 472 опорного кольца 470 может не контактировать с внутренней поверхностью пружины 160. Это может происходить при отсутствии сжатия или при неполном сжатии. Соответственно, следует понимать, что при полном сжатии контактная высота (КВ) опорного кольца 470 может включать в себя 100% наружной поверхности 472 опорного кольца 470.

На ФИГ. 5 представлен вид в поперечном сечении узла 100, имеющего кольцевое уплотнение 150 в соответствии с вариантом осуществления описания и показано распределение контактного давления (КД) по кольцевому уплотнению 150. Как показано, кольцевое уплотнение 150 может содержать пружину 160 и опорное кольцо 170, 370, 470. Когда традиционные уплотнения подвергаются воздействию понижающихся температур, рубашка может сжиматься в радиальном направлении внутрь с большей скоростью, чем корпус 102, вал 104 и возбуждающая пружина. Усадка внутреннего уплотняющего сегмента может быть ограничена валом, таким образом контактное усилие, прикладываемое к валу 104, возрастает с понижением температуры. Пружина может недостаточно ограничивать усадку, приводящую к радиальному сжатию пружины внутрь, что может привести к потере контакта между наружным уплотняющим сегментом рубашки и корпусом 102, и таким образом приведет к утечке вокруг традиционного уплотнения. В традиционных уплотнениях, когда вал 104 вращается или совершает возвратно-поступательные движения, возрастающее контактное усилие дополнительно приводит к увеличению трения между внутренним уплотняющим сегментом рубашки и валом 104, что может привести к увеличению скорости износа внутреннего уплотняющего буртика рубашки и в конечном счете к увеличению скорости утечки и/или уменьшению времени, необходимого для возникновения утечки. Увеличение контактного усилия может обуславливать повышение требований к мощности и/или крутящему моменту вала 104. Альтернативно традиционное уплотнение может расширяться при воздействии высоких температур и может подвергаться термической деформации под воздействием усилий сжатия. Охлаждение уплотнения до комнатной температуры или даже более низких температур может привести к потенциальной потере контакта или снижению контактного давления между уплотнением и узлом 100. В этих случаях трение на валу 104 может также увеличиваться вследствие охлаждения уплотнения и более плотного прижатия к валу 104.

Варианты осуществления уплотнения 150 включают в себя опорное кольцо 170, 370, 470. Опорное кольцо 170, 370, 470 может смещать наружный диаметр (НД) пружины 160 по направлению к наружному уплотняющему сегменту 158 рубашки 152 для поддержания контактного давления между наружным уплотняющим сегментом 158 рубашки и корпусом 102, таким образом уменьшая, ограничивая и/или полностью предотвращая радиальное сжатие и/или усадку (или термическое расширение в случае высоких температур) наружного уплотняющего сегмента 158 рубашки 152. При этом может поддерживаться достаточное контактное усилие между наружным уплотняющим сегментом 158 и корпусом 102, и достигается снижение скорости утечки по сравнению с традиционными уплотнениями. Кроме того, поскольку пружина 160 больше не может противостоять усадке наружного уплотняющего сегмента 158, в пружине 160 может применяться меньшая пружинная сила, чем в традиционных уплотнениях. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170, 370, 470 может служить для уменьшения контактного усилия на валу 104 и, следовательно, уменьшения износа уплотнения 150, снижения требований к мощности и/или крутящему моменту вала 104 и/или улучшения характеристик уплотнения (например, уменьшения или полного предотвращения утечки) по сравнению с традиционными уплотнениями, не имеющими опорного кольца 170, 370, 470.

В некоторых вариантах осуществления опорное кольцо 170, 370, 470 может служить для поддержания достаточного контактного давления (КД) между наружным уплотняющим сегментом 158 рубашки 152 и корпусом 102 и между внутренним уплотняющим сегментом 156 рубашки 152 и валом 104. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления разность между контактным давлением (КД) уплотнения 150, измеренным на наружном уплотняющем сегменте 158 рубашки 152 и внутреннем уплотняющем сегменте 156 рубашки 152, может составлять не более 500 МПа, не более 250 МПа, не более 100 МПа, не более 75 МПа, не более 50 МПа, не более 45 МПа, не более 40 МПа, не более 35 МПа, не более 30 МПа, не более 25 МПа, не более 20 МПа, не более 15 МПа, не более 10 МПа, не более 5 МПа или не более 0,5 МПа.

Кроме того, следует понимать, что уплотнение 150 может по существу быть приемлемым для применения во множестве областей применения. Примеры применения включают в себя применение в космической отрасли, например в одноступенчатых и многоступенчатых ракетах-носителях, лунных и межпланетных заправочных станциях, а также в лунных и планетарных посадочных модулях. Другие примеры применения включают в себя применение в нефтегазовой отрасли, например в оборудовании для добычи и переработки, применение в области криогенной альтернативной энергетики, промышленности или медицины.

Варианты осуществления узла 100 и/или уплотнения 150 могут включать в себя одно или более из следующего:

Вариант осуществления 1. Уплотнение, содержащее: рубашку, имеющую основание, внутренний уплотняющий сегмент и наружный уплотняющий сегмент; и пружину, расположенную внутри рубашки между внутренним уплотняющим сегментом и наружным уплотняющим сегментом и в контакте с ними, причем пружина содержит: круглое опорное кольцо, кольцеобразно расположенное внутри пружины.

Вариант осуществления 2. Узел, содержащий: вал, имеющий ось; корпус, содержащий полость и расположенный кольцеобразно вокруг вала; и уплотнение, расположенное внутри полости и выполненное с возможностью обеспечения радиального уплотнения между валом и корпусом, причем уплотнение содержит: рубашку, имеющую основание, внутренний уплотняющий сегмент, смежный с валом и контактирующий с ним, и наружный уплотняющий сегмент, смежный с корпусом; и пружину, расположенную внутри рубашки между внутренним уплотняющим сегментом и наружным уплотняющим сегментом и в контакте с ними, причем пружина содержит: круглое опорное кольцо, кольцеобразно расположенное внутри пружины.

Вариант осуществления 3. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-2, в котором пружина имеет внутренний диаметр и наружный диаметр.

Вариант осуществления 4. Уплотнение или узел по варианту осуществления 3, в котором внутренний диаметр пружины расположен смежно и контактирует с внутренним уплотняющим сегментом рубашки, и при этом наружный диаметр пружины расположен смежно и контактирует с наружным уплотняющим сегментом рубашки.

Вариант осуществления 5. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-4, в котором опорное кольцо имеет профиль поперечного сечения, который является эллиптическим, овальным или круглым.

Вариант осуществления 6. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-5, в котором опорное кольцо является сплошным.

Вариант осуществления 7. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-6, в котором опорное кольцо является полым.

Вариант осуществления 8. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления изобретения 3-7, в котором опорное кольцо расположено смежно с наружным диаметром пружины.

Вариант осуществления 9. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-8, в котором опорное кольцо расположено в осевом направлении таким образом, что центр опорного кольца совмещен по радиусу с центром пружины.

Вариант осуществления 10. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-9, в котором опорное кольцо контактирует с пружиной.

Вариант осуществления 11. Уплотнение или узел по варианту осуществления 10, в котором наружная поверхность опорного кольца по меньшей мере частично контактирует с внутренней поверхностью пружины.

Вариант осуществления 12. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-11, в котором опорное кольцо отсоединено от пружины.

Вариант осуществления 13. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-12, в котором по меньшей мере участок кривизны опорного кольца является ответным по отношению к кривизне наружного диаметра пружины.

Вариант осуществления 14. Уплотнение или узел по варианту осуществления 13, в котором опорное кольцо является симметричным.

Вариант осуществления 15. Уплотнение или узел по варианту осуществления 13, в котором опорное кольцо асимметрично, и при этом внутренний диаметр опорного кольца имеет выпуклую, вогнутую или по существу плоскую форму.

Вариант осуществления 16. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 13-15, в котором опорное кольцо имеет контактную высоту (КВ), которая составляет по меньшей мере 1%, по меньшей мере 2%, по меньшей мере 3%, по меньшей мере 4%, по меньшей мере 5%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20% или по меньшей мере 25% от общей высоты (В) опорного кольца.

Вариант осуществления 17. Уплотнение или узел по варианту осуществления 16, в котором опорное кольцо имеет контактную высоту (КВ), которая составляет не более 75%, не более 70%, не более 65%, не более 60%, не более 55%, не более 50%, не более 40% или не более 30% от общей высоты (В) опорного кольца.

Вариант осуществления 18. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-17, в котором высота (В) опорного кольца выполнена с возможностью совмещения центра опорного кольца с центром пружины.

Вариант осуществления 19. Уплотнение или узел по варианту осуществления 18, в котором высота (В) опорного кольца составляет по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 55% или по меньшей мере 60% диаметра (Д) пружины.

Вариант осуществления 20. Уплотнение или узел по варианту осуществления 19, в котором высота (В) опорного кольца составляет не более 95%, не более 90%, не более 85%, не более 80% или не более 75% диаметра (Д) пружины.

Вариант осуществления 21. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-20, в котором ширина (Д) опорного кольца выполнена с возможностью предотвращения контакта между опорным кольцом и ВД пружины при сжатии пружины радиально внутрь.

Вариант осуществления 22. Уплотнение или узел по варианту осуществления 21, в котором ширина (Ш) опорного кольца составляет по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45% или по меньшей мере 50% диаметра (Д) пружины.

Вариант осуществления 23. Уплотнение или узел по варианту осуществления 22, в котором ширина (Ш) опорного кольца составляет не более 75%, не более 70%, не более 65%, не более 60%, не более 55% или не более 50% диаметра (Д) пружины.

Вариант осуществления 24. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-23, в котором опорное кольцо выполнено с возможностью смещения наружного диаметра (НД) пружины к наружному уплотняющему сегменту рубашки для поддержания контактного давления между наружным уплотняющим сегментом рубашки и корпусом узла.

Вариант осуществления 25. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-24, в котором опорное кольцо выполнено с возможностью управления термической усадкой или термическим расширением пружины, наружного уплотняющего сегмента или их комбинацией на наружном диаметре пружины для поддержания уплотнения между корпусом и валом узла при эксплуатации узла в условиях криогенных температур.

Вариант осуществления 26. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-25, в котором рубашка выполнена из PTFE, фторполимера, перфторполимера, TFM, PVF, PVDF, PCTFE, PFA, FEP, ETFE, ECTFE, PCTFE, полиарилкетона, такого как PEEK, PEK или PEKK, полисульфона, такого как PPS, PPSU, PSU, PPE или PPO, ароматических полиамидов, таких как PPA, термопластичных полиимидов, таких как PI, PEI или TPI, или любой их комбинации с армирующими добавками или наполнителями или без них.

Вариант осуществления 27. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-26, в котором пружина выполнена из сплава на основе никеля и хрома, такого как Inconel®, сплава на основе никеля, сплава кобальта, хрома, никеля и молибдена, сплава бериллия и меди, никеля, титана, вольфрама, нержавеющей стали, пружинной стали, стали, алюминия, цинка, меди, магния, олова, платины, свинца, железа или бронзы.

Вариант осуществления 28. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-27, в котором опорное кольцо выполнено из полимерного материала.

Вариант осуществления 29. Уплотнение или узел по варианту осуществления 28, в котором полимерный материал включает в себя PTFE, фторполимер, перфторполимер, TFM, PVF, PVDF, PCTFE, PFA, FEP, ETFE, ECTFE, PCTFE, полиарилкетон, такой как PEEK, PEK или PEKK, полисульфон, такой как PPS, PPSU, PSU, PPE или PPO, ароматические полиамиды, такие как PPA, термопластичные полиимиды, такие как PI, PEI или TPI, или любая их комбинация с армирующими добавками или наполнителями или без них.

Вариант осуществления 30. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-27, в котором опорное кольцо выполнено из металлического материала.

Вариант осуществления 31. Уплотнение или узел по варианту осуществления 30, в котором металлический материал включает в себя сплав на основе никеля и хрома, такой как Inconel®, сплав на основе никеля, сплав кобальта, хрома, никеля и молибдена, сплав бериллия и меди, никель, титан, вольфрам, нержавеющую сталь, пружинную сталь, сталь, алюминий, цинк, медь, магний, олово, платину, свинец, железо или бронзу.

Вариант осуществления 32. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-31, в котором внутренний диаметр (ВД) пружины составляет по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 3 мм, по меньшей мере 4 мм, по меньшей мере 5 мм, по меньшей мере 6 мм, по меньшей мере 7 мм, по меньшей мере 8 мм, по меньшей мере 9 мм, по меньшей мере 10 мм, по меньшей мере 25 мм, по меньшей мере 50 мм, по меньшей мере 75 мм, по меньшей мере 100 мм, по меньшей мере 150 мм, по меньшей мере 200 мм, по меньшей мере 250 мм, по меньшей мере 300 мм, по меньшей мере 400 мм, по меньшей мере 500 мм или даже более.

Вариант осуществления 33. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-32, в котором наружный диаметр (НД) пружины составляет по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 3 мм, по меньшей мере 4 мм, по меньшей мере 5 мм, по меньшей мере 6 мм, по меньшей мере 7 мм, по меньшей мере 8 мм, по меньшей мере 9 мм, по меньшей мере 10 мм, по меньшей мере 11 мм, по меньшей мере 12 мм, по меньшей мере 13 мм, по меньшей мере 14 мм, по меньшей мере 15 мм, по меньшей мере 25 мм, по меньшей мере 50 мм, по меньшей мере 75 мм, по меньшей мере 100 мм, по меньшей мере 150 мм, по меньшей мере 200 мм, по меньшей мере 250 мм, по меньшей мере 300 мм, по меньшей мере 500 мм, по меньшей мере 1000 мм или даже более.

Вариант осуществления 34. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-33, в котором разность между контактным давлением уплотнения, измеренным на наружном уплотняющем сегменте рубашки и внутреннем уплотняющем сегменте рубашки, составляет не более 500 МПа, не более 250 МПа, не более 100 МПа, не более 75 МПа, не более 50 МПа, не более 45 МПа, не более 40 МПа, не более 35 МПа, не более 30 МПа, не более 25 МПа, не более 20 МПа, не более 15 МПа, не более 10 МПа, не более 5 МПа или не более 0,5 МПа.

Вариант осуществления 35. Уплотнение или узел по любому из вариантов осуществления 1-34, в котором уплотнение приемлемо для применения в по меньшей мере одном из космической отрасли, включая одноступенчатые или многоступенчатые ракеты-носители, лунную или межпланетную заправочную станцию или лунный или планетарный посадочный модуль, нефтегазовой отрасли, включая оборудование для добычи или переработки, области криогенной альтернативной энергетики, промышленности и медицины.

В настоящем письменном изложении используются примеры для описания вариантов осуществления, включая наилучший сценарий, а также для того, чтобы позволить специалистам в данной области техники создать и использовать изобретение. Патентоспособный объем определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые приходят на ум специалистам в данной области. Предполагается, что такие другие примеры входят в объем формулы изобретения, если они имеют структурные элементы, которые не отличаются от буквальной формулировки формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с незначительными отличиями от буквальной формулировки формулы изобретения.

Обратите внимание, что не все действия, описанные выше в общем описании или примерах, являются обязательными, что часть конкретного действия может не требоваться, и что одно или более дополнительных действий могут быть выполнены в дополнение к описанным. Кроме того, порядок, в котором перечислены действия, не обязательно является порядком их выполнения.

В приведенном выше описании концепции были описаны со ссылкой на конкретные варианты осуществления. Однако специалисту в данной области техники понятно, что можно вносить различные модификации и изменения без отступления от объема изобретения, приведенного ниже в формуле изобретения. Соответственно, описание и фигуры следует рассматривать в иллюстративном, а не ограничительном смысле, и все такие модификации предназначены для включения в объем настоящего изобретения.

В настоящем документе термины «содержит», «содержащий», «включает», «включающий», «имеет», «имеющий» или любой другой вариант, предназначены для охвата неисключительного включения. Например, процесс, метод, изделие или устройство, которые содержат перечень характеристик, не обязательно ограничиваются только этими характеристиками, но могут включать в себя другие характеристики, не указанные явно или присущие такому процессу, методу, изделию или устройству. Кроме того, если прямо не указано иное, термин «или» носит включающий характер, а не к исключающий. Например, условие A или B удовлетворяется любым из следующих условий: A истинно (или присутствует), а B ложно (или отсутствует), A ложно (или отсутствует), а B истинно (или присутствует), или оба элемента A и B истинны (или присутствуют).

Кроме того, в английской версии настоящего документа артикли «a» или «an» используются для описания элементов и компонентов, описанных в настоящем документе. Это делается просто для удобства и для того, чтобы дать общее представление об объеме изобретения. Настоящее описание следует читать как включающее одно или, по крайней мере, одно, а единственное число также включает множественное число, если не очевидно, что имеется в виду иное.

Польза, другие преимущества и решения проблем были описаны выше в отношении конкретных вариантов осуществления. Однако польза, преимущества, решения проблем и любой (любые) признак (-и), который (-ые) могут иметь любую пользу, преимущество или решение, которые могут возникнуть или становятся более выраженными, не должны рассматриваться как критические, обязательные или существенные признаки любой или всех пунктов формулы изобретения.

После прочтения описания специалисты в данной области поймут, что некоторые признаки, для ясности, описанные в настоящем документе в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут быть предоставлены в комбинации в одном варианте осуществления. И наоборот, различные признаки, которые для краткости описаны в контексте одного варианта осуществления, также могут быть предоставлены отдельно или в любой дополнительной комбинации. Кроме того, ссылки на значения, указанные в диапазонах, включают каждое значение в пределах этого диапазона.

Claims (15)

1. Уплотнение, содержащее рубашку, имеющую основание, внутренний уплотняющий сегмент и наружный уплотняющий сегмент и пружину, расположенную внутри рубашки между внутренним уплотняющим сегментом и наружным уплотняющим сегментом и в контакте с ними, причем пружина содержит круглое опорное кольцо, кольцеобразно расположенное внутри пружины.

2. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо расположено смежно с наружным диаметром пружины.

3. Уплотнение по п. 2, в котором опорное кольцо расположено в осевом направлении таким образом, что центр опорного кольца совмещен по радиусу с центром пружины.

4. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо контактирует с пружиной.

5. Уплотнение по п. 4, в котором опорное кольцо имеет множество точек контакта с пружиной.

6. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо имеет профиль поперечного сечения, имеющий выступающую наружу наружную поверхность.

7. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо имеет профиль поперечного сечения, имеющий плоскую наружную поверхность.

8. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо имеет профиль поперечного сечения, имеющий вогнутую наружную поверхность.

9. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо имеет профиль поперечного сечения, который является симметричным.

10. Уплотнение по п. 1, в котором опорное кольцо имеет профиль поперечного сечения, который является асимметричным.

11. Уплотнение по п. 1, в котором высота (В) опорного кольца выполнена с возможностью совмещения центра опорного кольца с центром пружины.

12. Уплотнение по п. 1, в котором ширина (Д) опорного кольца выполнена с возможностью предотвращения контакта между опорным кольцом и внутренним диаметром пружины при сжатии пружины радиально внутрь.

13. Уплотнение по п. 1, в котором по меньшей мере одно из рубашки и опорного кольца выполнено из политетрафторэтилена (PTFE), фторполимера, перфторполимера, политетрафторэтилена (PTFE), 3-трифторметил-4-нитрофенола (TFM), поливинилфторида (PVF), поливинилиденфторида (PVDF), полихлортрифторэтилена (PCTFE), перфторалкокси (PFA), фторэтиленпропилена (FEP), этилентетрафторэтилена (ETFE), этиленхлортрифторэтилена (ECTFE), полихлортрифторэтилена (PCTFE), полиарилкетона, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетон (PEK) или полиэфиркетонкетон (PEKK), полисульфона, такого как полифениленсульфид (PPS), полифенилсульфон (PPSU), полисульфон (PSU), поли(п-фениленэфир) (PPE) или поли(п-фениленоксид) (PPO), ароматических полиамидов, таких как полифталамид (PPA), термопластичных полиимидов, таких как полиэфиримид (PEI) или термопластичный полиимид (TPI), или любой их комбинации и с армирующими добавками или наполнителями или без них.

14. Уплотнение по п. 1, в котором по меньшей мере одно из пружины и опорного кольца выполнено из сплава на основе никеля и хрома, такого как Inconel®, сплава на основе никеля, сплава кобальта, хрома, никеля и молибдена, никеля, титана, вольфрама, нержавеющей стали, пружинной стали, стали, алюминия, цинка, меди, магния, олова, платины, свинца, железа или бронзы.

15. Уплотнение по п. 1, в котором разность между контактным давлением уплотнения, измеренным на наружном уплотняющем сегменте рубашки и внутреннем уплотняющем сегменте рубашки, составляет не более 500 МПа, не более 250 МПа, не более 100 МПа, не более 75 МПа, не более 50 МПа, не более 45 МПа, не более 40 МПа, не более 35 МПа, не более 30 МПа, не более 25 МПа, не более 20 МПа, не более 15 МПа, не более 10 МПа, не более 5 МПа или не более 0,5 МПа при сжатии уплотнения в узле.