Уплотнительный узел высокого давления

 

Использование: в области арматуростроения для гидро- и пневмоклапанов и вентилей, предназначенных для работы при высоких давлениях. Сущность изобретения: уплотнительный узел высокого давления содержит конический запорный орган и седло с опорной поверхностью, кольцевым эластичным элементом с конической уплотнительной поверхностью и упругую шайбу с коническим отверстием. Шайба размещена на эластичном элементе с возможностью его деформации и образования ими общей уплотнительной поверхности при контакте с запорным органом. 3 ил.

Изобретение относится к области арматуростроения и может быть использовано в качестве запорного органа гидро- и пневмоклапанов и вентилей, предназначенных для работы при высоких и сверхвысоких давлениях.

Известен уплотнительный узел, содержащий уплотнитель и подвижную предохранительную перегородку, в котором подвижная предохранительная перегородка входит в контакт с уплотнительной поверхностью прежде, чем этой поверхности коснется уплотнитель, этим достигается устранение щели, наличие которой приводит к преждевременному износу уплотнителя при больших перепадах давления /1/.

Данный уплотнительный узел имеет большие габариты, поскольку в центральной части узла находится монтажная бобышка, затем по кольцу располагается уплотнитель и затем, так же по кольцу, подвижная перегородка. Расположение кольцевых зон в поперечном направлении по отношению к потоку влечет развитие габаритов и узла, вследствие чего, в свою очередь, возрастают усилия на приводе, что увеличивает габариты арматуры. Кроме того, наличие большого количества входящих в узел деталей усложняет конструкцию и уменьшает надежность его работы.

Известен уплотнительный узел вентилей и клапанов, содержащий уплотнительный элемент, установленный в кольцевой полости, образуемой телом запорного органа и упругим оболочечными элементами, и выполненный из материала, способного к упругой или пластической деформации /2/. Однако известный уплотнительный узел влечет за собой большие габариты арматуры. В работе же с высокими и сверхвысокими давлениями развитие габаритов запорного органа весьма существенно влияет на габаритные, весовые и мощностные характеристики арматуры.

Кроме того, наличие развитой деформируемой поверхности затвора уменьшает жесткость уплотнительного узла, что влечет за собой уменьшение ресурса и надежности работы затвора, возможность возникновения пульсации потока из-за автоколебаний запорного органа.

Наиболее близким к заявляемому решению является уплотнительный узел вентилей и клапанов, содержащий уплотнительный U элемент, закрепленный на корпусе вентиля и выполненный из материала, способного к упругой или пластической деформации /3/. Кроме того, элемент дублирован уплотнительной шайбой, деформируемой в процессе уплотнения, Однако известный уплотнительный узел может найти лишь ограниченное применение. Это обусловлено, во-первых, сравнительно большими габаритами запорного органа, т.к. он включает в себя несколько деталей, собираемых в узел, и поэтому уже увеличенных габаритов; во-вторых, потому что конструкция уплотнительного элемента не предусматривает самоуплотнения, и в-третьих, в случае разгерметизации основного уплотнения дублирующее не будет выдерживать высокого давления и следовательно, необходим очень мощный привод для деформации толстостенных деталей; в четвертых, если это уплотнение и не разовое, то, во всяком случае, в нем происходит существенный износ уплотнительных поверхностей ввиду больших перемещений их относительно друг друга под рабочими контактными нагрузками.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции узла, уменьшение его геометрических размеров и увеличение ресурса работы уплотнения. Ввиду массивности дублирующего уплотнения требуется мощный привод на запорный орган.

Технический результат достигается тем, что в известном уплотнительном узле, содержащим конический запорный орган, а так же седло с опорной поверхностью и кольцевым эластичным элементом, установленным с возможностью взаимодействия уплотнительной поверхности с запорным органом, седло снабжено упругой шайбой с коническим отверстием, уплотнительная поверхность эластичного элемента выполнена конической, а шайба размещена на эластичном элементе с возможностью их деформации и образования ими общей уплотнительной поверхности при контакте с запорным органом.

К отличительной особенности изобретения относится также то, что в случае применения эластичного уплотнителя, обладающего упругими свойствами, уплотнительная кромка уплотнителя в открытом состоянии не совпадает с уплотнительной кромкой упругого оболочечного элемента. Это обусловлено тем, что контакт уплотнителя с ответной поверхностью происходит в предварительно напряженном состоянии уплотнителя, вследствие чего износ уплотнителя, в т.ч. и эрозионный, характерный для высоких давлений, будет минимальным.

В предложенной конструкции уплотнительного узла отсутствуют места трения и износа входящих в узел деталей, а значит, возможно применение для работы с особо чистыми веществами /средами/.

Имеется также принципиальная разница между предложенным решением и прототипом,которая заключается в том, что разместив крепление уплотнителя не на штоке, а на корпусе, и учитывая простоту контактных поверхностей входящих деталей /отверстия с незначительной конусностью, или даже без нее/, данная конструкция делает прорыв в решении задачи создания надежных уплотнений на высокие давления с минимальными проходными отверстиями /порядка десятых долей миллиметра/ необходимыми, например, для дроссельных или регулирующих вентилей.

При работе с высокими или сверхвысокими давлениями в прототипе не решена проблема бесконтактного разъема уплотнения, т.е. когда в начале цикла при закрывании или в конце цикла при открывании контакт с уплотнителем отсутствует. Это важно для ресурса работы уплотнителя, поскольку начало контакта или разъем при контакте с уплотнителем, находящимся в ненапряженном состоянии, влечет за собой его эрозионный износ, учитывая большие перепады давления на уплотнении в момент разъема.

Малорасходный режим уменьшает эти перепады.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 разрез уплотнительного узла в закрытом состоянии; на фиг.2 разрез уплотнительного узла в открытом состоянии.

Уплотнительный узел состоит из подвижного штока 1, снабженного уплотнительной поверхностью 2, В контакт с конусной поверхностью 2 входят пружинная шайба 3 из пружинного материала, уплотнитель 4 и упорный конус 5, выполненный в корпусе 6. Уплотнитель 4 размещен в кольцевой канавке 7. Уплотнитель 4 и шайба 3 зажимаются в корпусе 6 кольцом 8, обеспечивающим фиксацию шайбы 3 и уплотнителя 4.

В открытом состоянии между штоком 1 и шайбой 3 обеспечивается кольцевая щель с зазором S, с уплотнителем щель с зазором S₁, а с упорным конусом 5 зазор S₂, причем обеспечивается условие: S<S<S /см. фиг.2/. Угол α конуса 2 штока и угол a₁ конусного отверстия 9 шайбы 3 не совпадает, причем α<α₁ /см. фиг.2/.

Уплотнительный узел работает следующим образом. В открытом состоянии газ или жидкость беспрепятственно проходит по кольцевой щели.

При движении же штока 1 вниз к шайбе 4 щель между конусной поверхностью 2 штока и отверстием шайбы 3 уменьшается. Дроссельная щель уменьшается до тех пор, пока не произойдет контакта между конусной поверхностью 2 штока и шайбы. Затем, при дальнейшем движении штока 1 начинается процесс деформации уплотнителя 4.

Осевая нагрузка на уплотнитель передается в радиальном направлении и он, деформируясь, создает при малорасходном режиме полностью герметичное уплотнение. При дальнейшем движении штока 1 конусная поверхность 2 упирается в упорный конус 5, чем предотвращается излишняя нагрузка на материал уплотнителя и его преждевременный износ.

Открытие проходного сечения происходит в обратном порядке. В первоначальный момент открывается кольцевая щель между конусной поверхностью 2 штока и упорным конусом 5. В это время еще сохраняется контакт между конусной поверхностью 2 и уплотнителем 4 и шайбой 3. При дальнейшем движении штока 1 на открытие происходит уменьшение контактных усилий за счет упругих свойств уплотнителя 4, уменьшается площадь контакта и, наконец, происходит отрыв уплотнителя от конусной поверхности в малорасходном режиме, поскольку еще сохранен контакт между пружинящей шайбой 3 и конусной поверхностностью 2 штока 1. В последней стадии открытия происходит отрыв шайбы 3 от конусной поверхности 2 штока 1, и расход через увеличивающуюся щель возрастает до максимума.

Техническое преимущество заявляемого уплотнительного узла по сравнению с прототипом заключается в уменьшении усилия, потребного для герметизации и вследствие этого увеличении ресурса работы уплотнения при высоких давлениях.

Применение такого уплотнительного узла позволит уменьшить габариты запорной арматуры и повысить культуру производства.

Формула изобретения

Уплотнительный узел высокого давления, содержащий конический запорный орган и седло с опорной поверхностью и кольцевым эластичным элементом, установленным с возможностью взаимодействия его уплотнительной поверхности с запорным органом, отличающийся тем, что седло снабжено упругой шайбой с коническим отверстием, уплотнительная поверхность эластичного элемента выполнена конической, а шайба размещена на эластичном элементе с возможностью его деформации и образования ими общей уплотнительной поверхности при контакте с запорным органом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2