Система герметизации с компенсацией давления для вала вращения или перемещения

Система герметизации с компенсацией давления для вала вращения или перемещения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается системы герметизации с компенсацией давления для вала вращения или перемещения машины.

Изобретение относится к области динамической герметизации (US 1632293), которая, в частности, необходима при использовании погружных вращающихся машин, например, для генерирования гидравлической энергии и морского бурения.

Проблема обеспечения герметичности отсека, заполненного средой, например смазочным материалом, и образованного вокруг вращающегося вала вращающейся машины, хорошо известна, причем вращение вала вызывает трение и, следовательно, значительный износ уплотнений, расположенных радиально вокруг последнего, если разбросы давлений между камерами являются весьма значительными.

Когда такая вращающаяся машина используется в погружной установке, проблема становится тем более значительной, что техническое обслуживание является дорогостоящим и исключен регулярный осмотр оператором для оценки нормальной работы.

Более того, когда вращающая машина использована для морского применения, дополнительная проблема заключается в том, что наличие перемещений воды волнами и изменения уровня моря, процессы операций погружения и извлечения подводной машины, которые также изменяют наружное давление, воздействуют на наружное уплотнение системы динамической герметизации. Такие изменения давления могут вызвать утечки и преждевременный износ уплотнений.

Из предшествующего уровня техники известна система динамической герметизации с двойным уплотнением, таким, например, как уплотнение «Supreme Ventus» (зарегистрированный товарный знак), включающее активный контроль давления между уплотнениями, осуществляемый блоком воздушного контроля, при этом давление воздуха измеряется блоком контроля (ограничитель давления, клапаны, ограничитель давления и датчики). Это решение позволяет компенсировать локальные изменения давления и обеспечить динамическую герметичность в подводной среде, но оно является сложным и требует активного контроля с помощью датчиков и петли активного регулирования.

Задачей изобретения является решение проблем предшествующего уровня техники и разработка системы динамичной герметизации, которая является более простой и более устойчивой, обеспечивающей герметичность в случае изменения наружного давления.

Для решения этой задачи в изобретении предлагается система герметизации с компенсацией давления для вала вращения или перемещения машины, предназначенная для обеспечения герметичности отсека, содержащего первую среду, и сформированная радиально вокруг вала, включающая, по меньшей мере, кольцевое уплотнение для изоляции упомянутого отсека, при этом упомянутое уплотнение расположено радиально вокруг вала и удерживается держателем уплотнения. Система герметизации по изобретению содержит:

- устройство усиления давления, соединенное с держателем уплотнения, содержащее цилиндрическую трубу и поршень, снабженный двумя головками различных диаметров, предназначенное для разделения цилиндрической трубы на две изолированных камеры различных диаметров, соответствующих диаметрам головок поршней, при этом камера меньшего диаметра соединена с держателем уплотнения и заполнена первой средой, а камера большего диаметра, по меньшей мере частично, заполнена второй средой, и

- устройство рекуперации среды, соединенное с камерой большего диаметра, заполненной газом и предназначенной для сбора части второй среды упомянутой камеры в процессе перемещения поршня для обеспечения того, чтобы давление на уровне первой среды, находящейся в контакте с упомянутым уплотнением, превышало наружное давление, приложенное к упомянутому уплотнению.

Предпочтительно, система герметизации по изобретению содержит устройство усиления давления, что позволяет обеспечить, даже в случае изменения давления, вызванного, например, волнами, изменениями уровня моря и в процессе фаз погружения и извлечения подводной машины, наружное давление, воздействующее на кольцевое уплотнение, ниже давления на уровне среды внутри отсека. Предпочтительно, система герметизации по изобретению является гораздо менее сложной, чем устройства, встроенные в активную петлю регулирования, так как она является полностью пассивной и необходимость в активном регулировании с помощью датчиков отсутствует.

Система герметизации по изобретению может отвечать одной или нескольким нижеприведенным характеристикам:

- она содержит два упомянутых кольцевых уплотнения, расположенными «лицом к лицу» или «спиной к спине», при этом упомянутый усилитель давления соединен с держателем уплотнения и связан с внутренним отсеком, образованным между двумя уплотнениями;

- давление среды внутри изолированного отсека уравновешивается наружным относительно отсека давлением с помощью мембраны или герметичной закрытой гармошки, расположенной над головкой поршня большего диаметра;

- устройство усиления давления содержит, кроме того, герметичную защиту, размещенную над головкой поршня большего диаметра;

- отношение между большим и меньшим диаметрами поршневых головок составляет от 1 до 2;

- она содержит, кроме того, надувное уплотнение, управляемое клапаном, расположенным радиально вокруг вала;

- упомянутая первая среда является смазочным материалом;

- упомянутые первая и вторая среды являются одинаковыми, и система содержит, кроме того, насос, присоединяемый под водой, предназначенный для снабжения упомянутой цилиндрической трубы средой;

- упомянутые поршневые головки снабжены уплотнениями;

- упомянутые кольцевые уплотнения расположены на оболочке, снабженной покрытием и размещенной на валу.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 изображает вид в разрезе системы герметизации, размещенной на валу, в соответствии с первым примером воплощения изобретения;

- фиг.2 изображает вид в разрезе системы герметизации, размещенной на валу, в соответствии со вторым примером воплощения изобретения;

- фиг.3 изображает первый вариант первого примера осуществления, изображенный на фиг.1; и

- фиг.4 изображает второй вариант первого примера осуществления, проиллюстрированный на фиг.1.

Изобретение будет ниже описано на примере его размещения на валу вращения, являющемся частью погружной вращающейся машины для производства электроэнергии, использующей гидравлическую энергию.

Однако система динамической герметизации по изобретению может быть применена для любой детали, являющейся частью машины, в которой динамическая герметизация при перемещении или вращении необходима между двумя средами при бурении, для других подводных использований, как производство энергии или любое другое применение, использующее машину, в которой необходима динамическая герметизация между двумя средами.

Система динамической герметизации имеет особые преимущества в погружном состоянии, когда давление воды изменяется в соответствии с движениями воды. Тем не менее, система герметизации работает, также, когда вращающаяся машина расположена на поверхности на открытом воздухе.

Фиг.1 изображает в разрезе вращающийся вал 1, не изображенный на чертеже, который погружен в воду на глубину Н.

Глубина Н обычно составляет от 20 м до 80 м, но ограничение по глубине использования такой системы отсутствует.

В рассматриваемом примере внешняя среда, таким образом, образована водой, высота которой периодически изменяется вследствие наличия волн, изменения уровня моря и при погружении и подъеме машины.

На валу 1 радиально размещена система 2 герметизации в соответствии с первым примером воплощения изобретения, предназначенная для герметичного размещения отсека 3, размещенного между валом 1 и неподвижной деталью. Отсек 3 заполнен средой 4, называемой также внутренней средой по отношению к внешней среде, которая является водой в этом примере воплощения. Внутренней средой является, например, смазочный материал типа масла или жира.

Система 2 герметизации содержит в этом варианте воплощения два упомянутых выше уплотнения 6 и 8, которые являются уплотнениями с губками, удерживаемыми держателем 10 уплотнения радиально вокруг вала 1. Держатель 10 уплотнения является частью детали вращающейся машины, которая образует отсек 3, например деталь, неподвижно соединенную с вращающимся валом 1.

Уплотнение 6 находится в контакте с внутренней средой с обеих боковых сторон, тогда как уплотнение 8 является наружным уплотнением, контактирующим одной из сторон с внутренней средой, а противоположной стороной с водой, или, вообще, внешней средой.

Уплотнения 6 и 8 являются, например, кольцевыми прокладками из синтетического материала.

Две прокладки 6 и 8 образуют внутренний отсек 12, заполненный средой типа масла или жира. В данном примере речь идет о той же среде, что и внутренняя среда отсека 3, но это не является обязательным.

Стрелками показано основное направление давления для исключения утечек в процессе работы вала 1 вращения.

Уплотнения 6 и 8 установлены «спиной к спине» или «лицом к лицу», то есть в противоположном направлении.

В примере воплощения на фиг.1 изображено, что для уплотнения 8 предпочтительно, чтобы давление в отсеке 12 превышало наружное давление воды.

Для уплотнения 6 предпочтительно, чтобы давление в отсеке 12 превышало давление внутренней среды отсека 3, оказываемое на противоположную поверхность уплотнения 8.

В варианте воплощения, изображенном на фиг.1, соответствующие уплотнения 6 и 8 расположены на рубашке 14, снабженной покрытием для ограничения износа вала 1.

Устройство 16 усиления давления соединено с держателем 10 уплотнений таким образом, чтобы сообщаться с отсеком 12, образованным между двумя уплотнениями.

Устройство 16 усиления давления выполнено в виде гидравлического силового цилиндра и содержит цилиндрическую трубу 18 из двух частей 20 и 22 различных диаметров и поршень 24, содержащий две головки 25 и 26 различных диаметров, обозначенных, каждый, со своей стороны позициями d1 и d2, соответствующими внутренним частям трубы 18. Поршень 24 в состоянии покоя в цилиндрической трубе 18 образует две изолированных камеры 28 и 29, при этом две поршневых головки 25 и 26 вставлены в соответствующие части цилиндрической трубы с помощью уплотнений 30.

Камера 29 меньшего диаметра сообщается с отсеком 12, образованным между прокладками 6 и 8. Внутренняя труба 18 устройства усиления давления заполнена средой, также имеющейся в отсеке 12, например, смазочным материалом.

Как вариант, камеры 28 и 29 заполнены, соответственно, различными средами.

В этом примере воплощения устройство усиления давления содержит также защитную герметичную гармошку 32, расположенную над головкой 25 большего диаметра. Эта защитная гармошка, выполненная предпочтительно из эластомерного материала, приклеена, например, к наружной части трубы 18 и позволяет защитить головку 25 поршня от коррозии. Она позволяет также улавливать возможные небольшие утечки смазочного материала.

Рекуператор 34 среды связан с частью 20 большего диаметра трубы 18, соответствующей камере 28 большего диаметра, образованной поршнем в состоянии покоя. Рекуператор 34 среды содержит среду и газ 35 и служит для сбора среды из камеры 28, когда поршень 24 опускается. Газ 35, содержащийся в рекуператоре 34 среды, сжимается при опускании поршня.

Размеры поршня 24 рассчитаны так, чтобы иметь достаточную массу для возможности приложения давления в отсеке 12 и для противодействия давлению, осуществляемому столбом среды рекуператора 34 среды. Такая масса позволяет гарантировать работу системы герметизации, даже когда вращающая машина расположена на поверхности в атмосфере.

Более того, в этом примере воплощения система герметизации содержит мембрану 36 или герметичную гармошку, расположенную на стенке отсека 3, предназначенную для обеспечения гарантии равного давления между водой и внутренней средой отсека 3 на своем уровне. Предпочтительно, когда отсек 3 образован неподвижной деталью, сочлененной с валом вращения, мембрану 36 располагают на верхней стенке неподвижной детали так, чтобы давление на уровне мембраны 36 систематически превышало давление внутренней среды на уровне вала 1 и, таким образом, на уровне стороны уплотнения 6, обращенной к отсеку 3. Это свойство выверено в той мере, что внутренняя среда имеет объемную массу, меньшую объемной массы воды, что, в частности, наблюдается в случае смазочного материала.

Когда уровень воды Н над вращающейся погружной машиной изменяется, давление воды изменяется с изменением плюс-минус 1 бар относительно уровня давления Р1 над поршнем 24.

Благодаря устройству 16 усиления давления давление Р2 на уровне внутренней среды в отсеке 12 всегда выше давления воды Р3, приложенного к наружной стороне наружного уплотнения 8, которая находится в контакте с водой.

Когда давление Р1 повышается, давление Р2 увеличивается вследствие отношения диаметров головок поршней 25 и 26, что увеличивает давление Р2 на уровне отсека 12.

Если часть среды утекает из отсека 12, поршень 24 опускается и среда из камеры 28 выходит в устройство 34 рекуперации среды. Газ в устройстве рекуперации среды слегка сжимается без воздействия на работу при условии, что объем первоначального газа превышает объем собираемой среды.

Так, возможно рассчитать размер устройства 16 повышения давления для того, чтобы изменение давления ΔР=Р2-Р3 было всегда положительным и всегда находилось в диапазоне оптимальной работы уплотнений.

Соответствующие диаметры поршневых головок 25 и 26, d1 и d2, рассчитаны для предполагаемых условий использования. Например, с усилителем, размеры которого составляют d1=0,48 м и d2=0,457 м, система герметизации по изобретению гарантирует компенсацию давления до Н=30 м глубины. Так, например, для давления Р1 в 3,02 бар и Р3 в 3,12 бар давление Р2 составляет 3,49 бар.

Предпочтительно, отношение диаметров находится в диапазоне от 0,5 до 2, в котором отношение d1/d2 между наружным диаметром и внутренним диаметром составляет от 1 до 2. Чем более значительной будет глубина, тем больше отношение диаметров d1/d2 будет ближе к 1 для ограничения разности давлений между Р3 и Р2.

Расчет размеров диаметров d1 и d2 осуществлен таким образом, что разность давления, приложенного соответственно к каждому из уплотнений, ограничена заданным диапазоном, например, в 0,4 бара ±0,3 бара, который является диапазоном хорошей работы уплотнений.

Предпочтительно, расчетным путем выявлено, что система герметизации с одинаковыми размерами работает удовлетворительно на 80 м глубины и на открытом воздухе. Так, система герметизации по изобретению способна работать на изменяемых глубинах и изменяемых уровнях давлений.

В представленной со ссылкой на фиг.1 системе герметизации использованы два герметизирующих уплотнения 6 и 8 для обеспечения безопасности работы: если уплотнение 8 разрушается, теряется малое количество среды, камера меньшего диаметра устройства увеличения давления опустошается, но уплотнение 6 остается герметичным.

Так, в предпочтительном варианте воплощения предусмотрены, по меньшей мере, два уплотнения.

В качестве упрощенного варианта, в системе герметизации по изобретению предусмотрено только одно кольцевое уплотнение.

В соответствии с этим упрощенным вариантом, изображенным на фиг.2, в которой использована та же нумерация позиций, что и на фиг.1, система 2 герметизации содержит единственное кольцевое уплотнение 6, расположенное радиально вокруг вала 1. Устройство 16 усиления давления аналогично ранее описанному устройству усиления давления, единственным отличием является его соединение с отсеком 3 и герметизация уплотнением 6.

Работа аналогична работе, описанной со ссылкой ни фиг.1. Когда давление Р1 повышается, давление Р2 повышено отношением диаметров поршневых головок 25 и 26, что повышает давление Р2 на уровне отсека 3.

Поршень рассчитан в этом случае таким образом, чтобы разность давления ΔР=Р2-Р3 получать всегда положительной и находиться в этом выбранном диапазоне.

В соответствии также с другим, не представленным вариантом, можно было бы представить себе, напротив, добавление еще одного кольцевого уплотнения для безопасности, образующего, таким образом, систему с тремя уплотнениями.

Предлагаемое усовершенствование варианта воплощения по фиг.1 изображено на фиг.3. В соответствии с этим первым улучшенным вариантом добавлено надуваемое уплотнение 40. Это надуваемое уплотнение расположено между уплотнением 6 и отсеком 3 вблизи уплотнения 6 для того, чтобы исключить массовые потери среды 4, содержащейся в отсеке 3, в случае повреждения двух уплотнений 6 и 8. Надуваемое уплотнение 40 управляется клапаном 42, питаемым запасом 44 сжатого воздуха. Сжатый воздух, например, имеет давление в 10 бар.

Такое надуваемое уплотнение срабатывает, когда вращающая машина останавливается, например, в процессе ее установки, или при повреждении двух уплотнений, или когда кончается запас среды устройства усиления давления. Клапан 42 управляется дистанционно, например, с поверхности.

Предпочтительно, клапан 42 позволяет гарантировать герметичность в статике в случае неисправности системы.

В соответствии со вторым вариантом усовершенствования, изображенным на фиг.4, насос 46, подсоединяемый под водой, используется для пополнения резерва среды устройства для усиления давления. Соединительная труба 48 предусмотрена для сообщения с частью нижнего диаметра трубы 18. Так, если резерв среды устройства опустошается по окончании определенного срока службы, предусмотрено пополнение этого резерва под водой без необходимости демонтажа вращающейся машины для осуществления технического обслуживания на поверхности.

Система герметизации по изобретению имеет преимущество полного пассивного приспособления к изменениям давления для обеспечения герметичности в широком диапазоне изменений давления.

1. Система (2) герметизации с компенсацией давления для вала (1) вращения или перемещения машины, предназначенная для обеспечения герметичности отсека (3), содержащего первую среду (4), и расположенная радиально вокруг вала (1), содержащая, по меньшей мере, одно кольцевое уплотнение (6, 8) для изолирования упомянутого отсека (3), при этом уплотнение (6, 8) расположено вокруг вала (1) и удерживается держателем (10), отличающаяся тем, что содержит:- устройство усиления давления (16), соединенное с держателем (10) уплотнения, содержащее цилиндрическую трубу (18) и поршень (24), снабженный двумя головками с различными диаметрами, предназначенный для разделения цилиндрической трубы на две изолированные камеры (28, 29) с диаметрами, соответствующими диаметрам поршневых головок, при этом камера (29) меньшего диаметра соединена с держателем (10) уплотнений и сообщается с первой средой, а камера (28) большего диаметра является заполненной, по меньшей мере, частично, второй средой, и- устройство рекуперации среды (34), соединенное с камерой (28) большего диаметра, заполненное газом (35) и предназначенное для сбора части второй среды упомянутой камеры (28) в процессе перемещения поршня (24) для обеспечения превышения давления (P2) на уровне первой среды (4), находящейся в контакте с уплотнением (6, 8), наружного давления (P3), воздействующего на упомянутое уплотнение (6, 8).

2. Система герметизации по п.1, отличающаяся тем, что содержит два кольцевых уплотнения (6, 8), расположенных «лицом к лицу» или «спина к спине», причем устройство (16) усиления давления соединено с держателем уплотнений и сообщается с внутренним отсеком (12), образованным между двумя уплотнениями (6, 8).

3. Система герметизации по п.2, отличающаяся тем, что давление среды (4) внутри изолируемого отсека (3) уравновешивается с внешним давлением упомянутого отсека (3) с помощью мембраны или гармошки (36), расположенной на изолируемом отсеке (3).

4. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что устройство (16) усиления давления дополнительно содержит герметичную защитную гармошку (32), расположенную над головкой (25) поршня большего диаметра.

5. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что отношение между большим диаметром и меньшим диаметром составляет от 1 до 2.

6. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит надуваемое уплотнение (40), управляемое клапаном (42) и расположенное вокруг вала (1).

7. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что первой средой (4) является смазочный материал.

8. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что первая и вторая среды являются одинаковыми, причем система дополнительно содержит насос (46), подсоединяемый под водой и предназначенный для снабжения средой цилиндрической трубы (18).

9. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что поршневые головки (25) и (26) снабжены уплотнениями (30).

10. Система герметизации по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что кольцевые уплотнения (6, 8) расположены на оболочке (14), снабженной покрытием и размещенной на валу (1).