Устройство и способ пропускания, по меньшей мере,двух текучих сред - RU2324853C2

Чертежи

Показать все 21 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к устройству и способу пропускания, по меньшей мере, двух текучих сред разного давления согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Осуществление движений и усилий удерживающими давление ограничительными стенками между двумя текучими системами, такими как газы и жидкости разного давления, реализуется традиционным образом, по существу посредством уплотнений валов и штоков, таких как сальники, уплотнительные кольца, и контактными уплотнительными кольцами. На стороне низкого давления находится большей частью окружающий воздух под атмосферным давлением. У вакуумных систем окружающий воздух находится на стороне высокого давления. Названные виды уплотнений требуют для своего безупречного функционирования определенной утечки от стороны более высокого давления к стороне более низкого давления, поскольку речь идет о соприкасающихся уплотнениях, требующих смазочного средства, чтобы не разрушиться при работе.

При многих применениях такая утечка, однако, нежелательна или даже недопустима, когда текучая среда является, например, токсичной, с неприятным запахом или взрывчатой, или когда должен поддерживаться высокий вакуум. Двойные системы с запорными средами, например контактные уплотнительные кольца двустороннего действия, могут уменьшать утечку или замещать утечку текучей среды под давлением на утечку менее вредной запорной текучей среды.

Технически лишенные утечек вводы реализованы сегодня, по существу, по трем принципам: погружной электродвигатель с защищенным статором, электромагнитная муфта и магнитожидкостное уплотнение.

У погружного электродвигателя с защищенным статором электродвигатель является частью машины, аппарата или прибора, например часто применяемой в насосах. Статор расположен на стороне низкого давления насоса и изолирован от стороны высокого давления ненамагничиваемой защитной трубой. Ротор находится в пределах стороны высокого давления насоса. Крутящий момент бесконтактно передается со статора на ротор посредством защитной трубы за счет электромагнитных сил.

Также распространенная в насосостроении электромагнитная муфта функционирует по аналогичному принципу, однако на стороне низкого давления насоса вместо обмотки статора находится внешний ротор с устройством из постоянных магнитов, напротив которого на стороне ротора расположено соответствующее устройство из постоянных магнитов, или индукционная клетка, или индукционное кольцо. Внешний ротор связан с обычным электродвигателем, создающим крутящий момент, передаваемый также бесконтактно на ротор силовыми линиями магнитного поля. Оба элемента муфты изолированы друг от друга в отношении давления большей частью посредством чашеобразно выполненного элемента корпуса - защитной чашки.

У ввода на основе магнитной жидкости намагничиваемая жидкость - большей частью дисперсия мельчайших ферромагнитных частиц - с помощью вспомогательного вещества в масле-носителе образует крайне гибкий и приспосабливаемый непроницаемый уплотнительный элемент, например в виде «жидкого кольца круглого сечения» между валом и корпусом, фиксируемый в месте герметизируемого зазора посредством соответственно созданного магнитного поля. Этот вид уплотнения используется, например, в дисководах жестких дисков и в вакуумных вводах в контактной технике.

Названные, свободные от утечек виды вводов имеют, в частности, в насосостроении несколько недостатков. Как погружной электродвигатель с защищенным статором, так и электромагнитная муфта требуют для установки ротора опорных элементов, которые должны смазываться рабочей средой самого насоса и являются тем самым подверженными сбоям. Преимущество электромагнитной муфты, а именно возможность применения стандартных двигателей, у погружного электродвигателя с защищенным статором отсутствует. По сравнению с этим электромагнитная муфта имеет тот недостаток, что при разной передаваемой мощности приходится использовать не только разные электродвигатели, но и по-разному рассчитанные муфты, чтобы при малых мощностях не приходилось мириться с повышенной ценой. Из-за вида передачи крутящего момента и установки в опорах оба принципа ограничены в своей возможности передачи мощности вследствие сверхпропорционально возрастающих затрат при высоких мощностях. В частности, недостатком являются высокие потери от вихревых токов, индуктируемые в защитных трубах и чашках традиционной конструкции в немагнитных металлических сплавах.

Магнитожидкостные уплотнения ограничены в своем применении из-за небольших перепадов давлений. Например, для герметизации 1 бар относительно вакуума необходимо шесть последовательно расположенных уплотнительных элементов. Обычная область давления для одноступенчатых центробежных насосов доходит, однако, уже до 25 бар, а для особых применений и других насосных систем далеко превышена. Кроме того, приходится учитывать химическую совместимость и процессы смешивания между участвующими текучими средами и магнитной жидкостью.

Исходя из этих обстоятельств целью изобретения является создание в описанном выше устройстве свободного от утечек ввода, который устранял бы упомянутые выше недостатки и обеспечивал передачу даже очень высоких мощностей между диапазонами с большими перепадами давлений, предпочтительно, по меньшей мере, 25 бар, без необходимой смазки подшипников рабочей текучей средой. Кроме того, изобретение должно быть также более дешевым и легким в обращении, чем устройства согласно уровню техники.

К решению этой задачи ведут признаки независимых пунктов формулы; в зависимых пунктах приведены благоприятные усовершенствования. К тому же в рамки изобретения попадают все комбинации, по меньшей мере, двух признаков, раскрытых в описании, на чертежах и/или в формуле. В указанных размерных диапазонах значения, лежащие в названных пределах, также должны быть раскрыты и произвольно использованы.

Согласно изобретению между передающим усилие органом, например валом, и изолирующим по давлению элементом, таким как корпус или т.п., уплотнительные средства или элементы расположены так, что возникают три полости, лежащие рядом друг с другом, в частности, в осевом направлении: полость с первой текучей средой определенного давления, например рабочей средой под давлением 25 бар, полость для второй текучей среды с перепадом давления 1 бар относительно первой текучей среды, например окружающего воздуха, и расположенная между этими полостями третья полость для вспомогательного средства или вспомогательной жидкости. Последняя полость разделена устройством на два отделения для двух разных областей давления.

Вспомогательной жидкостью может быть, например, силиконовое масло, используемое также в качестве масла-носителя магнитной жидкости, поскольку оказалось благоприятным применение магнитожидкостных уплотнительных средств, в частности для ограничения полости для вспомогательной жидкости. Это магнитожидкостное уплотнение герметично перекрывает полость.

В зоне со вспомогательной жидкостью или вспомогательной текучей средой находятся средства, которые внутри этой зоны создают перепад давлений, причем более высокое давление создается на стороне в направлении к текучей среде более высокого давления и наоборот. Создаваемый перепад давлений должен, по меньшей мере, соответствовать максимально возникающему перепаду давлений между первой и второй текучими средами.

Предпочтительным образом полости более высокого давления должна соответствовать рабочая среда, а полости более низкого давления - окружающий воздух. Вспомогательной жидкостью должно быть масло-носитель относящейся к уплотнительному элементу магнитной жидкости, в данном случае силиконовое масло.

Согласно изобретению полость для вспомогательной жидкости имеет два присоединения, одно из которых выполнено для создания вакуума, а другое - в качестве прохода для вспомогательной жидкости. К тому же отделение для более высокого давления вспомогательной жидкости должно относиться к полости для текучей среды более высокого давления.

Также предмет изобретения отличается тем, что предусмотрены перемещаемые по отношению друг к другу, относящиеся к изолирующему давление элементу и к передающему усилие органу геометрические детали, которые для создания перепада давлений образуют подающее устройство для вспомогательной жидкости. Разделяющее полость для вспомогательной жидкости устройство является предпочтительно подающим устройством.

Перепад давлений внутри вспомогательной жидкости создается благоприятным образом за счет относительных движений геометрических деталей, статически связанных с передающим усилие органом и изолирующим давление элементом-корпусом и образующих подающее устройство, например, насос для вспомогательной жидкости. При этом подходящие меры, например расположение обратного клапана, гарантируют, что при остановке системы не произойдет выравнивания давления между областями высокого и низкого давлений вспомогательной жидкости.

Согласно другому признаку изобретения создаваемый перепад давлений соответствует, по меньшей мере, максимально возникающему перепаду давлений между текучими средами.

Согласно изобретению предусмотрены также средства, которые реагируют на перепад давлении между текучей средой высокого давления и максимальным давлением вспомогательной жидкости. Реакция используется согласно изобретению для регулирования подходящими средствами названного перепада давлений до значения, близкого к нулю. Это может происходить, например, посредством регулирования мощности создающих перепад давлений средств или посредством регулирования обратного потока из области более высокого давления вспомогательной жидкости в область более низкого давления. Имеются органы для регулирования мощности создающих перепад давлений средств или органы для регулирования обратного потока из отделения более высокого давления вспомогательной жидкости в отделение более низкого давления.

Предпочтительным образом между отделениями для вспомогательной жидкости предусмотрен трубопровод с клапанообразным перепускным устройством.

Если согласно изобретению объем, по меньшей мере, полости для вспомогательной жидкости выполнен изменяемым, то, в частности, отделение для участка вспомогательной жидкости низкого давления может быть выполнено изменяемым в объеме. За счет изменяемости объема полости для вспомогательной жидкости компенсируются изменения плотности и тем самым объема вспомогательной текучей среды, вызванные изменениями температуры или же давления.

За счет выполнения объема предназначенной для вспомогательной жидкости полости изменяемым можно согласно изобретению гарантировать, что перепад между минимальным давлением вспомогательной жидкости и давлением текучей среды под более низким давлением будет равен почти нулю. Это может быть реализовано, например, посредством гибкой мембраны между стороной полости для вспомогательной жидкости и текучей средой соответствующего давления или, что особенно предпочтительно, посредством подвижного расположения, по меньшей мере, одного магнитожидкостного уплотнения. В устройстве с окружающим воздухом под нормальным давлением (1 бар) на стороне низкого давления наиболее предпочтительно выполнить полость на этой стороне изменяемой в объеме.

Описанные средства приводят к тому, что магнитожидкостные уплотнения даже при больших перепадах давлений первой и второй текучих сред нагружены лишь небольшими перепадами давлений, что тем самым гарантирует их герметичную уплотняющую функцию. Передача усилия происходит механически через передающий усилие элемент, например вал, так что возможны высокие передаваемые мощности.

Магнитожидкостное уплотнение для стороны высокого давления состоит предпочтительно из трех уплотнительных элементов, изображенных тремя намагниченными в осевом направлении постоянными магнитами с соответствующими ферромагнитными полюсными башмаками, каждый из которых создает концентрированное магнитное поле, которое фиксирует магнитную жидкость в качестве уплотнительного средства. Они расположены в немагнитном несущем кольце. Несущее кольцо фиксировано согласно изобретению на корпусе сильфоном, предпочтительно металлическим. Последний должен прилегать к несущему или запорному кольцу, а с другой стороны - к несущему давление элементу. Хорошая возможность монтажа устройства реализована посредством закрепления сильфона на втулке, которая кольцом круглого сечения герметизирована от втулки корпуса и фиксирована на ней резьбовым кольцом.

Запорное или несущее кольцо содержит в рамках изобретения выполненную предпочтительным образом из карбида кремния уплотнительную шайбу, являющуюся частью механической уплотнительной системы, которая состоит из двух однотипных SiC-шайб. Одна из шайб имеет на контактной поверхности в соответствии с действующим снаружи внутрь упорным подшипником со спиральными канавками спиралеобразно проходящие снаружи к центру шайбы углубления в несколько мкм; эти углубления начинаются предпочтительным образом от края шайбы и заканчиваются на расстоянии от центрального отверстия кольцеобразной уплотнительной шайбы. Задача сильфона заключается в подвижном опирании приданной втулке корпуса уплотнительной шайбы и ограничении ее подающего действия за счет перепада давлений.

Если уплотнительные шайбы создают при работе более высокое давление, чем герметизируемое внутри насоса, то несущее кольцо с приданной уплотнительной шайбой движется в направлении герметизируемого давления; расстояние между уплотнительными шайбами увеличивается и, следовательно, подающее действие ослабевает. Наоборот, слишком низкое, созданное уплотнительными шайбами давление приводит к уменьшению зазора между ними и тем самым к усилению подающего действия.

В рамках изобретения средства для достижения уплотняющего действия приданы втулке вала и втулке корпуса. Втулка вала и втулка корпуса, а также все находящиеся в контакте с рабочей средой насоса детали состоят из немагнитных материалов, достаточно прочных и химически стойких к рабочей среде. Втулка вала статически герметизирована от вала, а втулка корпуса - от корпуса кольцами круглого сечения. Втулка корпуса может быть закреплена на корпусе с помощью винтов. Герметичное уплотнение выполнено при этом с возможностью его монтажа и демонтажа в виде блока.

Согласно другому признаку изобретения втулка вала и втулка корпуса удерживаются с возможностью концентричного вращения на определенном аксиальном расстоянии друг от друга подшипниками качения, например двойным радиально-упорным шарикоподшипником. При необходимости этот подшипник пригоден также для восприятия действующих на вал осевых усилий. Для этого гильза вала должна быть фиксирована на валу, например предохранительным кольцом или гайкой.

Благоприятной оказалось установка подшипника качения в кольцевом пространстве, ограниченном втулкой вала и втулкой корпуса. Этот подшипник качения должен быть фиксирован в кольцевом пространстве посредством предохранительных колец втулки корпуса или втулки вала и/или посредством фланцеобразного радиального внешнего кольца.

Согласно другому признаку изобретения подшипник качения прилегает к внешнему кольцу втулки вала, которому с другой стороны придана одна из уплотнительных шайб из карбида кремния. Предпочтительным образом одна из уплотнительных шайб установлена в аксиально ступенчато расширяющемся от внешнего кольца участке кольцевого пространства, перед которым установлено запорное кольцо с другой уплотнительной шайбой.

Согласно изобретению между внешней поверхностью уплотнительной шайбы и соседним запорным кольцом проходит радиальный зазор, к которому, при необходимости, с одной стороны примыкает осевой кольцевой зазор между валом и уплотнительными элементами, а с другой стороны - дополнительный осевой кольцевой зазор, охватывающий снизу соседнюю уплотнительную шайбу.

Для лучшей фиксации уплотнительная шайба должна быть к тому же присоединена к средней стенке запорного кольца посредством, по меньшей мере, одного осепараллельного поводкового штифта.

Важное значение для изобретения имеет также то, что на стороне устройства, нагруженной жидкостью в качестве текучей среды, например, перед магнитожидкостным уплотнительным элементом на несущем или запорном кольце, может быть расположена частично заполненная газом, например воздухом или инертным газом, камера, которая к тому же на обращенной от устройства стороне в направлении вала герметизирована уплотнительным зазором шириной около 0,1 мм; его диаметр выбирают большим, чем диаметр уплотнительного зазора магнитожидкостного уплотнительного элемента на несущем кольце, однако меньшим, чем диаметр внешней стенки камеры.

Объем камеры и ширина уплотнительных зазоров рассчитаны согласно изобретению так, что при горизонтальном расположении и остановке системы, а также при окружающем давлении внутри камеры всегда имеется определенный остаточный газовый объем в верхней части камеры над ее уплотнительным зазором. При работе этот газовый объем скапливается в зоне наименьшего диаметра вала, в этом случае - уплотнительного зазора магнитожидкостного уплотнения, концентрично вокруг вала и сжимается рабочим давлением до меньшего объема. Даже если оба объема имеют одинаковую величину, газ не должен при этом улетучиваться из уплотнительного зазора камеры при подходящем выборе его ширины. С другой стороны, второй объем должен быть достаточно большим, чтобы полностью закрывать при работе уплотнительный зазор магнитожидкостного уплотнения даже при максимальном давлении. Благоприятное соотношение ширин или диаметров уплотнительного зазора магнитожидкостного уплотнения, уплотнительного зазора камеры и ее внутреннего внешнего диаметра составляет согласно другому признаку изобретения 1:1,2:1,5.

Такая конструкция гарантирует, что магнитожидкостное уплотнение при работе всегда будет контактировать только с газом. Таким образом, эффективно предотвращается смешивание магнитной и герметизируемой жидкостей.

У герметизируемых жидкостей, от которых можно не ожидать химической реакции с воздухом или реакция которых является безвредной, остаточный объем воздуха внутри камеры можно использовать при заполнении насоса. В противном случае требуется вспомогательное присоединение к камере, чтобы перед пуском насоса в работу заполнить ее инертным газом.

Изобретение включает в себя, следовательно, несколько взаимосвязанных между собой функциональных комплексов, а именно, во-первых, полости с герметичными уплотнениями и вспомогательной текучей средой, средства для создания перепада давлений, затем регулирование перепада давлений с высоким давлением, также выравнивание давления вспомогательной текучей среды, перепад давлений в сторону низкого давления, а также описанное дополнительное устройство для подвода газа.

В рамках изобретения находится также способ, при котором, в частности, при использовании описанного выше устройства, между передающим усилие органом и изолирующим давление элементом в каждой ограниченной соответствующим уплотнительным элементом полости удерживают текучие среды разного давления, а между ними в одной полости - вспомогательную жидкость или вспомогательную текучую среду; в последней создают две области давления, к тому же отделение для более высокого давления этой вспомогательной жидкости должно быть предназначено полости для текучей среды более высокого давления. Полость для вспомогательной жидкости должна быть термически герметизирована с обеих сторон относительно полостей для текучих сред магнитожидкостными уплотнительными элементами.

Другой этап способа предусматривает, что полость для вспомогательной жидкости перед ее подачей вакуумируют; вспомогательная жидкость в состоянии, таким образом, заполнить все пустоты внутри устройства.

К тому же следует регулировать обратный поток из отделения более высокого давления вспомогательной жидкости в отделение более низкого давления.

Способ согласно изобретению включает в себя также то, что перепад давления вспомогательной жидкости создают посредством относительного движения геометрических элементов, которые приданы валу, с одной стороны, и изолирующего давление элемента, с другой стороны, и образуют подающее устройство.

Согласно другому признаку способа посредством уплотнительных шайб, ограничивающих между собой спиралеобразные канавки или углубления, создают подающее действие для вспомогательной жидкости. Подающее действие уплотнительных шайб друг к другу должно быть усилено за счет повышения их давления, а также давления этого участка.

Согласно другому признаку способа согласно изобретению в расположенной перед уплотнительным элементом и содержащей газ камере газовый объем при работе собирают в зоне уплотнительного зазора между уплотнительным элементом и валом концентрично вокруг него и сжимают рабочим давлением.

В качестве преимуществ системы согласно изобретению можно рассматривать прежде всего следующие:

- возможность реализации с небольшими расходами;

- отсутствие потерь от вихревых токов;

- возможность монтажа в виде картриджа;

- возможность простой замены;

- небольшая потребность в площади;

- отсутствие необходимости в подшипниках скольжения внутри насоса;

- возможность восприятия осевого сдвига посредством встроенного подшипника качения;

- возможность использования недорогих ферритовых магнитов;

- возможность использования также для насосов очень высокой мощности;

- интеграция в имеющиеся серии насосов с небольшими конструктивными затратами.

Другие преимущества, признаки и подробности изобретения приведены в нижеследующем описании предпочтительных примеров его осуществления, а также на чертежах, на которых изображают:

- фиг.1: уплотняемый участок вала насоса в продольном разрезе с уплотнением согласно изобретению перед сборкой;

- фиг.2: уплотняемый участок на фиг.1 в собранном состоянии;

- фиг.3: в немного увеличенном по сравнению с фиг.2 виде уплотняемый участок без вала насоса;

- фиг.4: увеличенный фрагмент фиг.2 и 3;

- фиг.5: увеличенный фрагмент фиг.4 в другом выполнении;

- фиг.6: втулку корпуса уплотняемого участка в продольном разрезе;

- фиг.7: втулку вала уплотняемого участка в продольном разрезе;

- фиг.8-10: диаметральные разрезы различных охватывающих втулку вала органов уплотняемого участка;

- фиг.11: увеличенную деталь фиг.10;

- фиг.12: вид сверху предназначенной для уплотняемого участка кольцеобразной уплотнительной шайбы;

- фиг.13, 14: диаметральные разрезы пары уплотнительных шайб по линии D на фиг.12;

- фиг.15: схематичное поперечное сечение участка устройства;

- фиг.16: схематичный эскиз магнитожидкостного уплотнения;

- фиг.17а-17с: схематичную взаимосвязь сечений с дополнительным устройством к различным этапам способа;

- фиг.18-20: три разных состояния уплотнения на валу насоса, вид сбоку.

Уплотняемый участок Q вала 10 центробежного насоса (не показан) содержит коаксиальную своей продольной осью M₁ продольной оси М вала 10 втулку 12 длиной а 60 мм и внутренним диаметром d здесь 30 мм; толщина b стенки втулки 12 вала составляет 5 мм. На среднем расстоянии a₁ около 25 мм от торцевой кромки 14 втулки 12 вала на фиг.7 от нее отстоит отформованное внешнее кольцо 16, имеющее такую же толщину b стенки и вылет е около 7 мм. Вблизи внешнего кольца 16 видна внешняя канавка 18 для кольца 20 круглого сечения; дополнительное кольцо 20 круглого сечения расположено в близкой к торцевой кромке 14 внутренней канавке 19. Вблизи задней кромки 15 втулки 12 вала выполнена вторая внешняя канавка 22 в виде выточки для предохранительного кольца (описано ниже).

Втулка 12 вала окружена коаксиальной втулкой 26 корпуса длиной а, внутренний диаметр d₁ которой здесь составляет 68 мм при толщине b₁ стенки также 5 мм. Втулка 12 вала статически герметизирована от вала 10 насоса, а втулка 26 - от корпуса насоса кольцами 20 круглого сечения. В остальном втулка 26 корпуса может быть закреплена на корпусе винтами.

На среднем расстоянии а₂ здесь около 20 мм от торцевой кромки 28 втулки 26 корпуса от ее стенки 30 выступает отформованное фланцевое кольцо 32 диаметром f 100 мм и шириной g 10 мм, имеющее, например, два радиальных резьбовых отверстия 34 для заглушек 35 и примерно четыре осепараллельных отверстия 36 для присоединительных винтов 38.

На осевом расстоянии i около 10 мм от торцевой кромки 28 стенка 30 втулки 26 корпуса выполнена относительно оси дважды уступчатой. Оба уступа 40, 40_а небольшой радиальной высоты необходимы, поскольку внутренний диаметр d₂ торцевой кромки 28, составляющий 73 мм, больше диаметра d₁, составляющего 68 мм; торцевая кромка 28 принадлежит к участку 30а стенки, примыкающему к фланцевому кольцу 32. В зоне этого фланцевого кольца 32 в стенке 30 отформовано внутреннее фасонное кольцо 42, имеющее небольшую радиальную высоту и ширину i₂ 10 мм (фиг.6).

Вблизи задней кромки 44 втулки 26 корпуса выполнена внутренняя канавка 23, которая лежит напротив упомянутой внешней канавки 22 втулки 12 вала и удерживает вместе с ней пару предохранительных колец 46, 46_i, расположенную в образованном втулкой 12 вала и втулкой 26 корпуса цилиндрическом кольцевом пространстве 50; последнее переходит на фасонном кольце 42 на фиг.1 в ступенчатый участок 51 промежутка между втулкой 12 вала и втулкой 26 корпуса.

Между предохранительными кольцами 46, 46_i и внешним кольцом 16 втулки 12 корпуса в цилиндрическом кольцевом пространстве 50 расположен подшипник 52 качения, например двойной радиально-упорный шарикоподшипник, который удерживает втулку 12 вала и втулку 26 корпуса на определенных радиальном и осевом расстояниях с возможностью концентричного вращения. Для этого втулка 12 вала должна быть фиксирована на валу 10, например посредством внутреннего предохранительного кольца 46_i или гайки.

Прежде всего фиг.1, 4, 5 поясняют, что уступы 40, 40_а служат упором для L-образного в сечении удерживающего кольца 56 и удерживаемого им кольца 20 круглого сечения; их вставляют по фиг.1 аксиально в ступенчатый участок 51. Прижатое окруженным торцевой кромкой 28 передним кольцом 54 к уступу 40_а удерживающее кольцо 56 внутренним диаметром n 64 мм, внешним диаметром n₁ 74 мм и шириной к 7 мм находится на расстоянии напротив другого уступа 40 с отформованным внешним кольцом 57 высотой n₃ около 5 мм.

Внутри переднего кольца 54 и удерживающего кольца 56 размещено радиально двухступенчатое несущее или запорное кольцо 60 осевой шириной k₁ 15 мм, которое хорошо видно на фиг.8, с осепараллельной внешней стенкой 61 внутренним диаметром z 65 мм. Приблизительно посередине между внешней кромкой 62 этой внешней стенки 61 и радиальной кольцеобразной передней стенкой 65 запорного кольца 60 последнее выполнено за счет также кольцеобразной радиальной средней стенки 63 уступчатым; к ней приформовано осепараллельное кольцо-стенка 64 внешним диаметром z₁ 51 мм, а к последнему - передняя стенка 65. Диаметр z₂центрального отверстия 66 передней стенки 65 составляет 35 мм. Поперечное сечение удерживающего кольца 56 состоит, следовательно, из двух угловых отрезков, внешний из которых содержит внешнюю стенку 61 и среднюю стенку 63; к последней примыкает кольцо-стенка 64 внутреннего углового отрезка, который включает в себя также переднюю стенку 65 и заканчивается на центральном отверстии 66.

Между средней стенкой 63 немагнитного несущего или запорного кольца 60 и упомянутым передним кольцом 54 виден кольцеобразный, предпочтительно металлический сильфон 68, который примыкает к внешнему кольцу 57, а с внутренней стороны - к средней стенке 63 несущего или запорного кольца 60. Последнее фиксировано во втулке 26 корпуса. Внутри кольца-стенки 64 или несущего или запорного кольца 60 расположены три кольцеобразных магнитных уплотнительных элемента 70, конструкция которых видна, в частности, на фиг.10 и 11. Их ширина q составляет около 3 мм, внутренний диаметр у кольцевого отверстия 72 - около 35 мм, а внешний диаметр y₁ здесь 50 мм. Поз.74 обозначен постоянный магнит для магнитной жидкости, содержащий на фиг.16 два полюсных башмака N, S, например на фиг.11 U-образное в сечении кольцо 76, по меньшей мере, из двух частей в качестве стального ярма с открытым к кольцевому отверстию 72 зазором 78 шириной q₁ около 0,1 мм.

Три уплотнительных элемента 70 образуют магнитожидкостное уплотнение в сторону высокого давления и представляют собой три намагниченных в осевом направлении постоянных магнита с соответствующими полюсными башмаками N, S, каждый из которых создает концентрированное магнитное поле, которое фиксирует магнитную жидкость в качестве уплотнительного средства. Для лучшей сборки устройства сильфон 68 прилегает к переднему кольцу 54 и герметизирован с удерживающим кольцом 56 относительно втулки 26 корпуса кольцом 20 круглого сечения, которое фиксируют на втулке 26 корпуса снабженным наружной резьбой передним кольцом 54.

Два дополнительных магнитных уплотнительных элемента 70 описанного рода расположены с задней стороны предохранительных колец 46. Эти магнитные уплотнительные элементы 70 окружены двумя соответствующими магнитными уплотнительными элементами 70_а другого диаметра при промежуточном расположении дистанцирующего кольца 79.

Несущее или запорное кольцо 60 содержит далее изображенную на фиг.12, 13 шайбу 80 из карбида кремния, которая является частью механической уплотнительной системы из двух однородных SiC-шайб 80, 80_а шириной g₁ около 7 мм с центральным отверстием 82 диаметром t около 39 мм. Внешний диаметр t₁ шайб 80, 80_асоставляет около 65 мм. В правой на фиг.1-5 13 шайбе 80_а на передней или контактной поверхности 84 в соответствии с действующим снаружи внутрь упорным осевым подшипником со спиральными канавками вытравлены или вышлифованы здесь шестнадцать начинающихся от края 81 шайбы, изогнутых на виде сверху в форме части окружности углублений 86 в виде спиральных канавок глубиной 10-20 мкм. Эти спиральные канавки 86 заканчиваются на радиальном расстоянии от центрального отверстия 66 и отделены соответственно изогнутыми перемычковыми ребрами 88. Направление перекачивания и спиральные канавки 86 проходят на фиг.12 на шайбе 80_а снаружи к середине.

Спиральные канавки или углубления 86 могут быть выполнены как в неподвижной, так и в подвижной шайбе 80, 80_а. Важно, чтобы обработанная передняя поверхность 84 другой шайбы 80, 80_а лежала прямо напротив, с тем чтобы при работе создавалось подающее действие.

Уплотнительные элементы 70 и шайба 80 в несущем или запорном кольце 60 герметизированы от последнего, например плотно запрессованы в горячем состоянии. Вторая шайба 80_а расположена напротив первой на втулке 12 вала. На фиг.5 виден кольцевой зазор 13 между шайбой 80 и втулкой 12 вала. В выбранном примере выполнения SiC-шайба 80_а фиксирована посредством внешнего кольца 16 в качестве бокового упора и кольца 20 круглого сечения, которое представляет собой одновременно герметизацию относительно втулки 12 вала и вращательный захват. При необходимости вращательному захвату может способствовать, например, поводковый штифт между упором 16 и SiC-шайбой 80_а. Противолежащие поверхности шайб 80, 80_а плоско обработаны в микрометровом диапазоне и имеют соответственно небольшую высоту неровностей профиля. Сильфон 68 несущего или запорного кольца 60 обеспечивает осевую подвижность контактных поверхностей шайб 80, 80_а по отношению друг к другу с расстоянием от нуля до нескольких десятых миллиметра. При остановке шайбы 80, 80_а прижимаются друг к другу за счет герметизируемого перепада давлений и тем самым герметизируют сторону высокого давления устройства относительно стороны низкого давления. Уплотнительные элементы 70 и уплотнительная шайба 80 на несущем или запорном кольце 60, как уже сказано, удерживаются относительно втулки 12 вала за счет кольцевого зазора 13 на определенном концентричном расстоянии около 0,1 мм (фиг.5).

На фиг.14 поясняется возрастание давления за счет подающего действия между обеими шайбами 80, 80_а. Верхний фрагмент показывает возрастание давления, когда левая шайба 80 нагружена только одним усилием, а уровень давления на ее внешней и внутренней сторонах один и тот же (функция в качестве упорного подшипника со спиральными канавками). Оба нижних фрагмента показывают возможные изменения давления, когда усилие создается давлением среды на левую шайбу 80 при соответственно более высоком уровне давления на внутренней стороне шайбы, как это происходит согласно изобретению. В зависимости от изменения давления могут потребоваться дополнительные меры для регулирования давления в соответствии с фиг.5, поясняемые ниже.

Магнитожидкостное уплотнение относительно стороны атмосферы состоит из четырех описанных выше уплотнительных элементов 70, 70_а, которые, как сказано, расположены на предохранительных кольцах 46 так, что два уплотнительных элемента 70 направлены к втулке 12 вала, а два уплотнительных элемента 70_а - к втулке 26 корпуса. Магнитная среда обладает в этом случае не только уплотняющим, но и центрирующим действием, так что шайба 80 с уплотнительными элементами аксиально свободно подвижна между расположенными в виде концентричных цилиндров по отношению друг к другу в этой зоне втулкой 12 вала и втулкой 26 корпуса. За счет этого объем в зоне между магнитожидкостными уплотнениями, как и требуется, является переменным на стороне низкого давления и обеспечивает тем самым уменьшающийся до нуля перепад давлений между стороной низкого давления вспомогательной текучей среды и окружением.

На фиг.15 видно, как пространство между магнитожидкостными уплотнительными элементами 70 предпочтительным образом заполняется вспомогательной жидкостью с помощью двух присоединений 33 или обоих резьбовых отверстий 35. В то время как одно присоединение 33 используют для заполнения вспомогательной жидкостью, другое служит для предварительного создания в устройстве вакуума, так что вспомогательная жидкость заполняет все пустоты внутри устройства Q. За счет подходящего расположения присоединений 33 на противоположных сторонах кольцевого пространства 27 во втулке 26 корпуса, которое охватывает приданную втулке 12 вала уплотнительную шайбу 80_а, можно создать перепад давлений между присоединениями 33, который можно использовать для обтекания устройства вспомогательной жидкостью из внешнего резервуара во время работы, например для охлаждения. Это достигается, например, за счет того, что кольцевое пространство 27 имеет две разные стороны, и одна из сторон кольцевого пространства 27 образует в направлении шайбы 80 очень маленькое радиальное расстояние здесь 0,1 мм, а другая сторона - большее расстояние около 1 мм.

При работе уплотнительные SiC-шайбы 80, 80_а оказывают спиральными канавками 86 подающее действие на вспомогательную жидкость, которая создает между сторонами низкого и высокого давлений устройства Q соответствующий подающему действию перепад давлений. Вспомогательную жидкость выбирают так, чтобы, с одной стороны, обеспечивалась хорошая смазка подшипника качения 52 и мог возникать как можно больший перепад давлений на уплотнительных шайбах 80, 80_а (предпочтительно: высокая вязкость), а, с другой стороны, нагрев вспомогательной жидкости оставался в контролируемых пределах (максимально около 80°С, предпочтительно: низкая вязкость). Вспомогательную жидкость выбирают, кроме того, так, чтобы она была совместима с магнитной жидкостью уплотнительных элементов 70, 70_а, в лучшем случае можно прибегнуть к маслу-носителю магнитной жидкости (например, силиконовому маслу).

Во избежание «пробоя» магнитожидкостного уплотнения на стороне высокого давления за счет избыточного давления - три кольца выдерживают перепад давлений максимально около 0,5 бар - подающее действие уплотнительных шайб 80, 80_а следует ограничить перепадом давлений на уплотнении, прилегающем к стороне высокого давления. Это достигается посредством уже упомянутой подвижности приданной втулке 26 корпуса уплотнительной шайбы 80 за счет сильфона 68. Если уплотнительные шайбы 80, 80_а создают при работе более высокое давление, чем герметизируемое давление внутри насоса, то несущее или запорное кольцо 60 с приданной уплотнительной шайбой 80 движется в направлении герметизируемого давления: расстояние между уплотнительными шайбами 80, 80_а увеличивается, и подающее действие, следовательно, ослабевает. Наоборот, слишком низкое, созданное уплотнительными шайбами 80, 80_а давление приводит к уменьшению зазора между ними и тем самым к усилению подающего действия.

В случаях, когда описанного выше саморегулирующего действия между уплотнительными шайбами 80, 80_а недостаточно, может быть реализована поддержка регулирования с помощью функции перепуска между областями высокого и низкого давлений вспомогательной жидкости. При этом уплотнительную шайбу 80 на стороне высокого давления устанавливают с возможностью осевого перемещения внутри несущего или запорного кольца 60 и наружу с радиальным люфтом 0,1 мм - радиальным зазором 17 между несущим или запорным кольцом 60 и уплотнительной шайбой 80 (фиг.5). Для радиальной фиксации и вращательного захвата несущего или запорного кольца 60 по фиг.5 служат, по меньшей мере, два поводковых штифта 67. На внешнем конце уплотнительной шайбы 80 радиальная упорная поверхность 69 ограничивает уплотнительный зазор. Расположение упорной поверхности 69 выбрано так, что уплотнительная шайба 80 приподнимается от несущего или запорного кольца 60 и тем самым открывает уплотнительный зазор, когда давление между уплотнительной шайбой 80 и несущим или запорным кольцом 60 выше, чем давление герметизируемой текучей среды на стороне высокого давления. От упорной поверхности 69 осепараллельно проходит кольцевой зазор 21, который, с одной стороны, ограничен внешней стенкой 61 несущего или запорного кольца 60, а, с другой стороны, - периферией приданной втулке 26 корпуса уплотнительной шайбы 80.

В частности, в случае применений, где не приходится герметизировать химически агрессивные среды, существуют различные возможности сокращения расходов на конструкцию. Так, функции втулки 12 вала и втулки 26 корпуса могут выполняться валом 10 и корпусом. Магнитожидкостные уплотнения могут быть реализованы более экономично, если вал 10 выполнить из ферромагнитного материала, так что силовые линии магнитного поля будут направляться валом 10. За счет этого возможны устройства, у которых магнитное поле единственного постоянного магнита направляется через несколько уплотнительных зазоров. Необходимого на стороне низкого давления центрирующего действия тогда, однако, не оказывается. Напротив, возникает нестабильность, так что подгонка объема полости для вспомогательной жидкости должна быть реализована иным образом, нежели описано. Уплотнительные SiC-шайбы 80, 80_а могут быть изготовлены для простых применений из более дешевых материалов и интегрированы в другие конструктивные детали.

Изложенный принцип создания перепада давлений с помощью уплотнительных шайб 80, 80_а со спиральными канавками 86 представляет собой лишь одну возможность выполнения. Другие принципы, например подающие резьбы, также возможны.

Принципиальная конструкция магнитожидкостного уплотнения изображена на фиг.16. Магнитное поле кольцеобразного постоянного магнита 74 с осевой намагниченностью концентрируется за счет двух полюсных башмаков 73 до кольцевого зазора 77 вокруг вала 10. Концентрированное поле удерживает неподвижно магнитную жидкость 75 в кольцевом зазоре 77, который вызывает тем самым уплотняющее действие между обеими сторонами конструкции.

Во избежание смешивания герметизируемой жидкости и магнитной жидкости уплотнительного элемента 70 описанное выше устройство дополняют по фиг.17 следующим образом.

На несущем или запорном кольце 60 перед магнитожидкостным уплотнительным элементом 70 предусматривают участок, камеру или полость 90, который/которая частично заполнен/заполнена газом G, например воздухом или инертным газом. Полость 90 на обращенной от устройства стороне герметизируют относительно вала 10 кольцевым или уплотнительным зазором 92 шириной q₃ около 0,1 мм, диаметр f₁ которого больше диаметра уплотнительного зазора 78 магнитожидкостного уплотнительного элемента 70 на несущем или запорном кольце 60, однако меньше диаметра f₂ внешней стенки 62 камеры.

Объем полости 90 и диаметры уплотнительных зазоров рассчитаны так, что при горизонтальном расположении и остановке системы, а также при окружающем давлении внутри полости 90 всегда имеется определенный остаточный газовый объем V0 в верхней части полости 90 над ее уплотнительным зазором 92. При работе этот газовый объем скапливается в зоне наименьшего диаметра ротора, - а это в данном случае уплотнительный зазор 77 магнитожидкостного уплотнительного элемента 70, - концентрично вокруг вала 10 и сжимается рабочим давлением до объема V1. Даже если объем V1 равен объему V0, газ не должен при этом улетучиваться из уплотнительного зазора 92 полости 90 при соответствующем выборе его диаметра f1. С другой стороны, объем V1 должен быть достаточно большим, чтобы полностью закрывать при работе уплотнительный зазор 77 магнитожидкостного уплотнительного элемента 70 даже при максимальном давлении. Благоприятное соотношение диаметров уплотнительного зазора 77 магнитожидкостного уплотнительного элемента 70, уплотнительного зазора 92 полости 90 и ее внутреннего внешнего диаметра составляет 1:1,2:1,5. V1* обозначает на фиг.17 газовый объем при максимальном давлении.

Как уже сказано, устройство гарантирует, что магнитожидкостное уплотнение при работе будет всегда контактировать только с газом. Таким образом, эффективно предотвращается смешивание магнитной и герметизируемой жидкостей.

На фиг.18-20 схематично изображен принцип изобретения в отношении двух, расположенных на осевом расстоянии s друг от друга магнитожидкостных уплотнительных элементов 70, которые расположены на валу 10 и параллельной ему стенке 24 корпуса в качестве изолирующего давление элемента так, что возникают три области или полости: полость 90_а с герметизируемой текучей средой А определенного давления (например, рабочая среда давлением 25 бар), полость 96 со вспомогательной жидкостью Н между уплотнительными элементами 70 и полость 98 с текучей средой В с перепадом давлений относительно текучей среды А (например, окружающий воздух с абсолютным давлением 1 бар). Средняя полость 96 разделена на две половины или два отделения 96_а, 96_b подающим устройством 100, которое обозначено символом насоса в форме кружка с треугольником внутри для средств, создающих подающее действие и тем самым перепад давлений. Соединение 71 кружка со стороной корпуса и соединение 71_а треугольника со стороной вала символизируют взаимосвязь деталей подающего устройства с подвижными и неподвижными частями устройства.

Заполненные точками полости 90_а, 96_а обозначают области высокого давления; перепад давлений между этими полостями воспринимается подходящими средствами, обозначенными «измерительной линией» 95 и символом «Δр=0!», а для регулирования подающего устройства 100 в зависимости от перепада давлений вырабатывают сигнал, обозначенный стрелкой 95_а. В свободных от точек полостях 96b, 98 господствует низкое давление.

На фиг.18 регулирование давления происходит только за счет регулирования подающего устройства через перепад давлений (предпочтительное решение). В дополнение следует сослаться на фиг.4. На фиг.19 изображено регулирование давления с помощью присоединенного к измерительной линии 95 стрелкой 95_b и обозначенного перепускным клапаном перепускного устройства 97, управляемого перепадом давлений и находящегося в соединяющей полости 96_b, 98 линии 99. Фиг.20 поясняет комбинацию обоих вариантов регулирования в соответствии с фиг.5 конкретного выполнения.

В полости 96 со вспомогательной жидкостью Н находятся, следовательно, средства, которые создают внутри этой полости 96 перепад давлений, причем более высокое давление создается на стороне текучей среды А более высокого давления и наоборот. Создаваемый перепад давлений должен соответствовать, по меньшей мере, максимально возникающему перепаду давлений текучих сред А и В. Для этого имеются средства, которые реагируют на перепад давлений между текучей средой А более высокого давления и максимальным давлением вспомогательной жидкости Н. Реакцию используют для регулирования подходящими средствами указанного перепада давлений до значения, близкого к нулю. Это может происходить, например, посредством регулирования мощности создающих перепад давлений средств или посредством регулирования обратного потока из полости 90_а высокого давления вспомогательной жидкости Н в полость 96_а более низкого давления.

За счет выполнения объема для вспомогательной жидкости Н полости 96 изменяемым можно согласно изобретению гарантировать, что также перепад между минимальным давлением вспомогательной жидкости Н и более низким давлением текучей среды В будет почти равен нулю. Это может быть реализовано, например, посредством гибкой мембраны между стороной полости для вспомогательной жидкости Н и текучей средой соответствующего давления или посредством подвижного расположения одного из магнитожидкостных уплотнительных элементов 70. В устройстве с окружающим воздухом под нормальным давлением (1 бар) на стороне низкого давления наиболее предпочтительно выполнить полость 96 на этой стороне изменяемой в объеме.

Описанные средства гарантируют, что магнитожидкостные уплотнительные элементы 70 даже при больших перепадах давлений текучих сред А, В нагружены лишь небольшими перепадами давлений, что тем самым гарантирует их герметичную уплотняющую функцию. Передача усилия происходит механически через передающий усилие элемент, например вал 10, так что возможны высокие передаваемые мощности.

Перепад давления внутри вспомогательной жидкости Н создается, например, посредством относительного движения геометрических элементов, которые статически связаны с валом 10 и корпусом и образуют подающее устройство для вспомогательной жидкости Н. При этом подходящие меры, например обратный клапан, гарантируют, что при остановке системы не произойдет выравнивания давления между областью 96_а высокого и соответственно областью 96_b низкого давлений вспомогательной жидкости Н.

Реферат

Изобретение относится к устройству и способу для пропускания, по меньшей мере, двух текучих сред разного давления. Устройство содержит вал или подобный передающий усилие орган и изолирующий давление элемент, такой как окружающий вал корпус. Между валом или подобным передающим усилие органом и изолирующим давление элементом посредством уплотнительных элементов образованы лежащие рядом друг с другом в осевом направлении полости. Один из уплотнительных элементов выполнен лишенным утечек, а две полости для текучих сред разного давления ограничивают с двух сторон полость для вспомогательной текучей среды. Полость для образованной, в частности, вспомогательной жидкостью вспомогательной текучей среды разделена устройством на два отделения для двух различных областей давления, и предусмотрены средства для создания перепада давлений между отделениями. Изобретение повышает надежность уплотнения. 2 н. и 49 з.п. ф-лы, 20 ил.

Формула