Система контактных уплотнительных колец

012134 Изобретение относится к системе контактного уплотнительного кольца, и в частности к смазываемой газом системе контактных уплотнительных колец, которая обеспечивает особые преимущества при применении при больших тепловых нагрузках и давлении. В известных системах контактных уплотнительных колец (US-А-4212475) взаимодействующие друг с другом контактные кольца опираются с уплотнением на смежные конструктивные части с помощью вторичных уплотнительных элементов. Вторичными уплотнительными элементами в большинстве случаев являются кольца с круглым поперечным сечением или манжетные уплотнительные кольца из податливого материала. Поскольку контактные кольца во время работы не находятся в свободном от нагрузки состоянии, то в местах, в которых контактные кольца через вторичные уплотнительные элементы опираются на смежные конструктивные части, могут возникать, например, вызванные обусловленными тепловым расширением относительными перемещениями силы трения, которые в зависимости от имеющихся опорных сил могут вызывать более или менее большие радиальные силы. Эти силы могут оказывать на соответствующее контактное кольцо при работе такой опрокидывающий момент, что он может привести к изменению геометрии уплотнительного зазора в такой мере, что это может вызвать преждевременный износ контактных колец и/или повышенную утечку. По меньшей мере, это может приводить к нежелательным колебаниям рабочих параметров системы контактных уплотнительных колец. Кроме того, из ЕР 1271023 А известна система контактных уплотнительных колец указанного вида, в которой вращающееся контактное кольцо удерживается в свободной посадке и опирается с уплотнением на опорный элемент из твердого материала с параметрами теплового расширения, аналогичными параметрам материала контактного кольца. Упоминается, что за счет подходящего выбора размеров прилегания вращающегося контактного колеса к опорному элементу можно минимизировать радиальные силы и, тем самым, их воздействие на геометрию уплотнительного зазора между контактными кольцами. Стационарное контактное кольцо опирается обычным образом на уплотнительный корпус и уплотнено относительно него с помощью кольца круглого поперечного сечения. В основу изобретения положена задача создания улучшенной системы контактных уплотнительных колец указанного в начале вида, в которой обеспечивается сохранение желаемой геометрии уплотнительного зазора. В частности, должно быть минимизировано вредное влияние на геометрию уплотнительного зазора вызываемых силами трения при работе опрокидывающих моментов. Эта задача решена с помощью признаков п.1 формулы изобретения. Изобретение представляет улучшение и дальнейшее совершенствование раскрытой в ЕР 1271023 А системы. В отличие от известной системы, не только вращающееся контактное кольцо, но также и стационарное контактное кольцо удерживаются со свободной посадкой, так что оба контактных кольца получают свойство самовыравнивания под действующими на них силами. Кроме того, оба контактных кольца опираются на кольцевые плоские поверхности прилегания, которые образуют уплотнительные поверхности, при этом силы прижатия можно не только точно задавать заранее, но также минимизировать. При опоре обоих контактных колец и их уплотнении на смежные конструктивные части системы контактных уплотнительных колец не участвуют вторичные уплотнительные элементы из податливого материала. От таких элементов можно, в принципе, отказаться, поскольку поверхности прилегания сами выполняют уплотнительные функции,когда на них действуют осевые силы в соответствии с правилом выбора размеров, согласно изобретению. Размер d1-d2 каждой поверхности прилегания должен быть 10 мм, предпочтительно составлять между 0,2 и 2,0 мм, наиболее предпочтительно 0,6 мм. Поверхности прилегания могут иметь предпочтительную приблизительно в виде режущих кромок конфигурацию. Для улучшения уплотнительного действия в одной модификации изобретения предусмотрено, что каждая поверхность прилегания выполнена плоской с допуском 10 мкм в окружном направлении и 5 мкм в радиальном направлении. При этом предпочтительно, что не зависящее от рабочих условий вторичное усилие предварительного натяжения, с которым вращающееся контактное кольцо дополнительно к имеющемуся между обоими контактными колесами основному усилию предварительного натяжения подпружинено относительно своей поверхности прилегания, составляет между 0,2 и 10 Н на 1 мм окружной длины втом месте со стороны торца вращающегося контактного кольца, в котором действует вторичное усилие предварительного натяжения. Это обеспечивает, что также при остановке и небольшом гидравлическом рабочем давлении имеется достаточное уплотнительное действие на этой поверхности прилегания. Другие модификации изобретения явствуют из формулы изобретения. Ниже приводится подробное описание изобретения на основе варианта выполнения и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено: фиг. 1 - частичный продольный разрез системы контактных уплотнительных колец согласно изобретению после установки в подлежащее уплотнению устройство; фиг. 2 - первый фрагмент системы контактных уплотнительных колец согласно фиг. 1 в увеличенном масштабе; фиг. 3 - второй фрагмент системы контактных уплотнительных колец согласно фиг. 1 в увеличенном масштабе. На фиг. 1 показана система контактных уплотнительных колец согласно изобретению в разрезе-1 012134 вдоль верхней половины относительно средней продольной оси. Позицией 1 обозначен уплотнительный корпус, который расположен в отверстии корпуса устройства (на чертеже показан лишь фрагментарно),например компрессора, и закреплен там соответствующим образом. Вал 3 проходит через отверстие в корпусе. В уплотнительном корпусе 1 расположено стационарное контактное кольцо 4 с возможностью осевого перемещения на гильзообразной опоре 2, которая выступает из уплотнительного корпуса 1 в осевом направлении и либо выполнена на нем за одно целое, либо смонтирована с уплотнением в виде отдельной части. На одной торцевой стороне стационарного контактного кольца 4 образована уплотнительная поверхность 5. Контактное кольцо 4 защищено от проворачивания относительно уплотнительного корпуса 1. Для этого в неизображенном месте окружности уплотнительного корпуса 1 выступающий в осевом направлении поводковый палец (не изображен) может входить в предусмотренную на стационарном контактном кольце 4 направленную выемку (также не изображена) с зазором соответствующего размера. За счет этого, в принципе, предотвращается поворот стационарного контактного кольца 4 относительно уплотнительного корпуса 1, однако оно остается свободно подвижным внутри зазора, так что оно может ориентироваться в осевом или радиальном направлении. Таким образом, стационарное контактное кольцо 4 удерживается со свободной посадкой на уплотнительном корпусе 1. Предусмотрено основное устройство предварительного натяжения, например, в виде основной пружины 7, создающей предварительное натяжение, которая одним концом опирается на уплотнительный корпус 1, для воздействия на стационарное контактное кольцо 4 с определенным основным усилием предварительного натяжения. Может быть предусмотрено несколько распределенных по окружности основных пружин 7, создающих предварительное натяжение. Однако изобретение не ограничивается показанным устройством предварительного натяжения. Как показано на фиг. 1, основная пружина 7, создающая предварительное натяжение, на своем другом конце опирается на насаженное подвижно в осевом направлении на опору 2 передающее усилие кольцо 8, которое на своей внутренней окружности несет уплотнение 9 из податливого материала, такого как резина, эластомер или углеродный материал, которое создает уплотнение с наружным периметром опоры 2. К выступающей, по меньшей мере, в ненагруженном состоянии слегка из передающего усилие кольца 8 зоне вторичного уплотнения 9 прилегает также надвинутое с возможностью перемещения в осевом направлении на гильзообразную опору 2 опорное кольцо 14, которое может быть предпочтительно кольцевой шайбой из материала с аналогичными контактному кольцу 4 параметрами теплового расширения. Из свободной, противоположной передающему усилие кольцу 8, торцевой стороны опорного кольца 14 выступает в осевом направлении кольцевой выступ 15, который, как показано на фиг. 3, создает кольцевую поверхность 16 прилегания в радиальной плоскости. К поверхности 16 прилегания прилегает стационарное контактное кольцо 4 своей торцевой стороной 21, противоположной уплотнительной поверхности 5, и за счет этого получает опору в осевом направлении. Одновременно, тем самым, передается основное усилие предварительного натяжения пружины 7, создающей предварительное натяжение, на стационарное контактное кольцо 4. На соединенную подходящим образом без возможности проворачивания с валом 3 втулку 10 насажено со свободной посадкой вращающееся контактное кольцо 11. Контактное кольцо 11 имеет на своей торцевой стороне уплотнительную поверхность 12 для взаимодействия с уплотнительной поверхностью 5 стационарного контактного кольца 4. В канавке 13 на наружной окружности втулки 10 расположено поводковое кольцо 14, которое находится в зацеплении с фрикционным замыканием с внутренней окружностью контактного кольца 11 для создания между втулкой 10 и контактным кольцом 11 такого соотношения передачи вращающего момента, что, с одной стороны, контактное кольцо 11 при вращении втулки 10 приводится во вращение, в то время как, с другой стороны,обеспечиваемая свободной посадкой подвижность контактного кольца 11 не ограничивается или ограничивается лишь несущественно. Поводковое кольцо 14 может быть кольцом круглого поперечного сечения из обладающего упругостью резины материала, которое, однако, не имеет или имеет лишь пренебрежительно малое уплотнительное действие. Вместо кольца круглого поперечного сечения, может быть предусмотрен кольцевой элемент в виде спиральной пружины с наклонной спиралью. Такие элементы в виде спиральной пружины, в принципе, известны для специалистов в данной области техники и поэтому не требуют подробного пояснения. Кроме того, поводковое кольцо 14 оказывает центрирующее действие на контактное кольцо 11. Изобретение не ограничивается указанным выше видом передачи вращающего момента с втулки 10 на контактное кольцо 11. Могут быть также предусмотрены другие выполняющие эту функцию средства. Вращающееся контактное кольцо 11 предпочтительно имеет прямоугольную форму поперечного сечения. Из втулки 10 выступает в радиальном направлении наружу фланцевая или опорная часть 17, на наружной окружности которой может быть образована закраина или экран 18, который выходит, по меньшей мере, частично за наружную окружность контактного кольца 11 и экранирует его от вредного влияния окружения. Между смежными зонами стенок контактного кольца 11, с одной стороны, и опорной части 17 и экрана 18, с другой стороны, предусмотрен достаточный зазор, так что не ограничивается подвижность контактного кольца 11 внутри подходящих допусков зазора.-2 012134 Из опорной части 17 выступает в осевом направлении кольцевой выступ 19, который, как показано на фиг. 2, создает в радиальной плоскости кольцевую поверхность 20 прилегания, аналогично поверхности 16 прилегания на выступе 15. К поверхности 20 прилегания вращающееся контактное кольцо 11 прилегает своей противоположной уплотнительной поверхности 12 торцевой стороной 21 и за счет этого получает опору в осевом направлении и уплотнение относительно опорной части 17. Между обращенными друг к другу, по существу, радиально ориентированными поверхностями 5,12 скольжения контактных колец 4, 11 во время работы образуется уплотнительный зазор, который удерживает поверхности 5, 12 скольжения на расстоянии без соприкосновения. В противоположность этому,при остановке вала 3 поверхности 5, 12 прижимаются друг к другу с уплотнительным сцеплением с помощью основного усилия предварительного натяжения пружины 7, создающей предварительное натяжение. По меньшей мере в одной из поверхностей 5, 12 скольжения предпочтительно выполнены транспортировочные структуры для нагнетания газообразной уплотняющей среды между поверхностями 5, 12 скольжения и образования за счет этого уплотнительного зазора. Такие транспортировочные структуры известны для специалистов в данной области техники и поэтому не требуют подробного пояснения. Можно сослаться, например, на монографию Burgmann Уплотнения с контактными кольцами с газовой смазкой, Selbstverlag 1988, стр.16 и далее. Предпочтительными материалами для контактных колец 4, 11 являются твердые материалы, такие как карбид вольфрама, карбид кремния, нитрит кремния, а также трибологически действующие материалы, такие как углеродный материал, соответственно, в подходящих парах. За счет различного теплового расширения и других факторов, таких как механические нагрузки, во время работы на контактные кольца 4, 11 могут действовать, например, за счет трения, радиально направленные силы или силы с радиальной составляющей, которые могут приводить к наклону в направлении по или против часовой стрелки одного или обоих контактных колец 4, 11 и, тем самым, к изменению геометрии уплотнительного зазора между уплотнительными поверхностями 5, 12. Было установлено, что эти радиальные силы можно минимизировать, если на обеих поверхностях 16, 20 прилегания выдерживается нагрузочная характеристика (d12-dH2)/(d12-d22)2,0, предпочтительно между 0,8 и 2,0, наиболее предпочтительно между 1,0 и 1,5 и еще предпочтительней около 1,3. В этой формуле обозначают: d1 - наружный диаметр соответствующей поверхности 16 или 20 прилегания, d2 внутренний диаметр соответствующей поверхности 16 или 20 прилегания, dH - диаметр подвергаемой гидравлическому давлению подлежащей герметизации среды эффективной поверхности пары контактных колец. Действующее на эффективную поверхность гидравлическое давление вызывает силу, которая накладывается на действующие силы предварительного натяжения и под действием которой контактные кольца 4, 11 прилегают к соответствующим поверхностям 16, 20 прилегания. При относительном перемещении между соответствующим контактным кольцом и поверхностью прилегания эта сила может вызывать радиальную составляющую с указанным выше вредным действием. Согласно изобретению размеры обеих поверхностей 16, 20 прилегания дополнительно ограничиваются соотношением (d1-d2)10 мм, предпочтительно между 0,2 и 2,0 мм, наиболее предпочтительно примерно 0,6 мм, так что поверхности прилегания могут иметь приблизительно характер режущих кромок. При выдерживании указанных выше условий обеспечивается, с одной стороны, что результирующая сила является достаточно большой для получения надежного уплотняющего взаимодействия между контактными кольцами 4, 11 и поверхностями 16, 20 прилегания, так что утечка вдоль поверхностей прилегания предотвращается или, по меньшей мере, удерживается на минимальной величине. Поэтому они могут выполнять функцию вторичного уплотнения. Уплотняющее соотношение дополнительно улучшается, когда каждая кольцевая поверхность прилегания выполнена плоской с допуском 10 мкм в окружном направлении и 5 мкм в радиальном направлении. С другой стороны, возникающие, например, вследствие различного радиального теплового расширения на поверхностях 16, 20 прилегания радиальные силы не могут быть настолько большими, что воздействующий за счет этого на контактные кольца 4, 11 опрокидывающий момент может приводить во время работы к недопустимому отклонению от идеально параллельной ориентации поверхностей 5, 12 скольжения. Например, действующий на вращающееся контактное кольцо 11 в направлении часовой стрелки на чертеже опрокидывающий момент от направленной радиально наружу радиальной силы может приводить к образованию уплотнительного зазора между поверхностями 5, 12 скольжения с А-образным поперечным сечением, в то время как опрокидывающий момент в направлении против часовой стрелки приводит к образованию V-образного зазора. Аналогичные последствия вызывают опрокидывающие моменты на стороне стационарного контактного кольца 4. Каждое отклонение от идеально параллельной конфигурации зазора приводит обычно к повышенному износу уплотнительных поверхностей 5, 12 и к неконтролируемой утечке вдоль уплотнительного зазора. С помощью изобретения полностью или, по меньшей мере, максимально предотвращается образование V-образного или А-образного зазора, так что исключается обусловленное этим ограничение срока службы и/или снижение эксплуатационной надежности системы контактных уплотнительных колец. Другим следствием указанного выше выполнения поверхностей 16, 20 прилегания является то, что-3 012134 они приходят в положение с примерно одинаковым радиальным расстоянием от средней продольной оси системы контактных уплотнительных колец, что обеспечивает, соответственно, максимально свободную от образования моментов передачу осевых сил с одной поверхности 16 прилегания на другую поверхность 20 прилегания. Как показано на чертеже, в кольцевой канавке 22 в концевой поверхности гильзы 23, насаженной на втулку 10 для совместного вращения, может быть дополнительно размещен вторичный элемент 24 предварительного натяжения, который может быть предпочтительно кольцевым элементом в виде спиральной пружины с наклонной спиралью, как уже указывалось выше. Вторичный элемент 24 предварительного натяжения опирается по окружности на смежную торцевую сторону вращающегося контактного кольца 11 и воздействует на него независимым от основной пружины 7, создающей предварительное натяжение, определенным осевым вторичным усилием предварительного натяжения. В рамках изобретения было установлено, что вторичное усилие предварительного натяжения должно составлять между 0,2 и 10 Н на 1 мм окружной длины в месте на окружности, в котором вторичный элемент 24 предварительного натяжения опирается на вращающееся контактное кольцо 11. Это создает улучшенное уплотняющее взаимодействие между поверхностью 20 прилегания и примыкающей торцевой стороной вращающегося контактного кольца 11 при остановке системы контактных уплотнительных колец. Выше было приведено описание изобретения на основе варианта выполнения, в котором поверхности прилегания предусмотрены на выступах соответствующих опорных частей. Однако понятно, что поверхности прилегания, если желательно, могут быть выполнены также на самих контактных кольцах. Кроме того, соотношения на вращающемся и стационарном контактных кольцах могут быть различными. Выступы могут быть либо интегральной составляющей частью соответствующей опорной части, соответственно, контактного кольца, либо представлять вставляемые части, закрепленные на них соответствующим образом. Применение вставляемых частей обеспечивает их предпочтительное выполнение из износостойких материалов указанного выше вида. Хотя изобретение обеспечивает особые преимущества при применении для смазываемой газом системы контактных уплотнительных колец, его можно применять также в смазываемых жидкостью системах для исключения или, по меньшей мере, минимизации термически обусловленных деформаций заданной геометрии уплотнительного зазора. Основное устройство предварительного натяжения может воздействовать вместо стационарного контактного кольца на вращающееся контактное кольцо, которое в этом случае должно быть расположено с возможностью осевого сдвига на вращающейся конструктивной части. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система контактных уплотнительных колец, содержащая установленное без возможности проворачивания контактное кольцо (4) и предусмотренное для совместного вращения с вращающейся конструктивной частью (3, 10) контактное кольцо (11), каждое из которых удерживается со свободной посадкой и имеет взаимодействующие друг с другом, по существу, радиально ориентированные, подпружиненные в зацепление друг с другом с помощью основного усилия предварительного натяжения уплотнительные поверхности (5, 12), причем каждое контактное кольцо на своей торцевой стороне, противоположной уплотнительной поверхности, опирается в осевом направлении на соответствующую опорную часть (14, 17) пары опорных частей, из которых одна предназначена для совместного вращения с вращающейся конструктивной частью, а другая установлена без возможности проворачивания, через предусмотренную между соответствующей опорной частью и смежной торцевой стороной соответствующего контактного кольца кольцевую поверхность (16, 20) прилегания, на которой соблюдается нагрузочная характеристика: (d12-dH2)/(d12-d22)2,0, предпочтительно между 0,8 и 2,0, наиболее предпочтительно между 1,0 и 1,5 и еще предпочтительней около 1,3, причем размер (d1-d2) каждой поверхности (16, 20) прилегания составляет 10 мм, предпочтительно между 0,2 и 2,0 мм, наиболее предпочтительно 0,6 мм, где d1 наружный диаметр поверхности прилегания, d2 - внутренний диаметр поверхности прилегания, dH - диаметр гидравлической эффективной поверхности. 2. Система контактных уплотнительных колец по п.1, отличающаяся тем, что каждая поверхность(16, 20) прилегания выполнена плоской с допуском 10 мкм в окружном направлении и 5 мкм в радиальном направлении. 3. Система контактных уплотнительных колец по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из поверхностей (16, 20) прилегания предусмотрена на выступающем в радиальном направлении из торцевой стороны соответствующего контактного кольца (4, 11) выступе (15, 19). 4. Система контактных уплотнительных колец по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из поверхностей (16, 20) прилегания предусмотрена на выступающем в осевом направлении из соответствующей опорной части (14, 17) выступе. 5. Система контактных уплотнительных колец по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что вторичное усилие предварительного натяжения, с которым вращающееся контактное кольцо (11) дополнительно подпружинено относительно соответствующей поверхности (20) прилегания, составляет между-4 012134 0,2 и 10 Н на 1 мм окружной длины окружной зоны прилегания вторичного элемента (24) предварительного натяжения к вращающемуся контактному кольцу. 6. Система контактных уплотнительных колец по п.5, отличающаяся тем, что вторичный элемент(24) предварительного натяжения содержит кольцевой спиральный пружинный элемент с наклонной спиралью. 7. Система контактных уплотнительных колец по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что в уплотнительной поверхности (5, 12) по меньшей мере одного из контактных колец (4, 11) выполнены транспортировочные структуры.