устройство для уплотнения проходного зазора между стенкой корпуса и валом

Формула изобретения

1. Устройство для уплотнения проходного зазора между стенкой корпуса и валом, содержащее охватывающее вал уплотнительное кольцо, уплотненное относительно стенки и вала, расположенное с возможностью перемещения относительно стенки и не приводимое в постоянное вращение валом, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним пружинящим элементом, установленным между стенкой корпуса и уплотнительным кольцом с возможностью механического напряжения за счет момента вращения, передаваемого на уплотнительное кольцо при вращении вала, и средствами для определения напряжения и выдачи сообщения при значительном отклонении напряжения от номинального.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства для определения напряжения содержат по меньшей мере один измерительный преобразователь, расположенный на пружинящем элементе и связанный с устройством обработки данных для работы измерительного преобразователя и выдачи сообщения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо по меньшей мере относительно стенки корпуса или вала снабжено смазочным средством, подводимым к уплотнительному кольцу через подающее устройство, которое связано со средствами для определения напряжения и является регулируемым ими.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что пружинящий элемент выполнен в виде работающего на изгиб стержня, измерительный преобразователь выполнен в виде по меньшей мере одной тензометрической полоски, а устройство обработки данных выполнено электрическим.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что стержень жестко связан со стенкой корпуса, а на уплотнительном кольце выполнен выступ с возможностью прижима к стержню.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на стенке корпуса выполнена контропора, а стержень жестко связан с уплотнительным кольцом и расположен с возможностью прижима к контропоре.

7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что стержень выполнен изгибаемым в направлении изгиба, а на каждой из его боковых сторон вдоль направления изгиба расположена тензометрическая полоска.

8. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что на уплотнительном кольце выполнен выступ, а на стенке корпуса - контропора, при этом измерительный преобразователь выполнен пьезоэлектрическим и расположен между выступом уплотнительного кольца и контропорой стенки корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для уплотнения проходного зазора между стенкой корпуса и приводимым во вращение относительно нее валом с окружающим его, уплотненным как относительно стенки, так и относительно вала перемещаемым и не приводимым во вращение валом уплотнительным кольцом. Подобные "уплотнения валов" находят многообразное применение, в частности, в случаях, в которых прохождение вала через стенку корпуса, в котором находится отличная от воздуха текучая среда, должно уплотняться. Это является необходимым, например, для охлаждаемых газом, например водородом, валов турбогенераторов. Является ли при этом давление заключенной в корпусе текучей среды больше или меньше давления окружающей среды при применении уплотнений не существенно.

Уплотнения валов такого рода следуют, например, из патентных заявок DE-A-3723729 и GB-A-0760781. Эти документы демонстрируют многочисленные возможности разработок уплотнений валов. Заявка DE-A-3723729 относится к расположению уплотняющего кольца на стенке корпуса с вводом, причем уплотняющее кольцо не должно быть вращаемым относительно стенки корпуса, однако должно быть легко смещаемым с целью центрирования; в GB-A-0760781 представлены многочисленные возможности для подвода уплотняющей и/или смазочной жидкости к зазорам между уплотняющим кольцом, стенкой корпуса и валом.

Изобретение относится к возможностям контроля функционирования уплотнения вала подобного рода. Во многих случаях, а именно в случае больших электрических машин и тому подобного, вал вращается относительно стенки корпуса и уплотняющего кольца с высокой скоростью (для турбогенераторов типичными являются скорости порядка 3000 об./мин). К способности скольжения уплотняющего кольца на валу поэтому должны предъявляться очень высокие требования и обычно также является необходимым предусматривать эффективную смазку. Во многих случаях является желательным функциональный контроль уплотнения. Подобный функциональный контроль уже был реализован путем измерения температуры непосредственно соседних с валом областей уплотнительного кольца с помощью подходящих датчиков. Этот метод измерения вследствие теплоемкости уплотнительного кольца имеет известную инерционность; ухудшение способности скольжения может быть распознано только тогда, когда через некоторое время уплотнительное кольцо заметно нагреется и распознавание повреждений уплотнительного кольца является возможным только с задержкой.

В соответствии с этим изобретение должно предоставлять возможность устанавливать ухудшения скольжения между уплотнительным кольцом и валом без временной задержки, чтобы было возможным еще принять меры для предотвращения материального ущерба.

Для решения этой задачи согласно изобретению служит устройство для уплотнения проходного зазора между стенкой корпуса и приводимым относительно нее во вращение валом с уплотненным как относительно стенки корпуса, так и относительно вала, перемещаемого относительно стенки корпуса и не приводимым во вращение валом уплотнительным кольцом, а также по меньшей мере с одним пружинящим элементом, который может устанавливаться с механическим напряжением за счет момента вращения, действующего в результате вращения на уплотнительное кольцо, а также средствами для определения напряжения и подачи сообщения в случае, если напряжение существенно отклоняется от заранее задаваемого нормального значения.

За счет того что согласно изобретению действующий в результате вращения вала на уплотнительное кольцо момент вращения измеряют непосредственно, возможно мгновенное распознавание изменения характеристики скольжения между валом и уплотнительным кольцом; отпадает временная задержка, связанная с требованием известного накопления возникающей при трении тепловой энергии. В распоряжении имеется и может постоянно контролироваться измерительная величина, непосредственно описывающая характеристику скольжения уплотнительного кольца на валу, не только для распознавания уже происшедших повреждений, но и для нахождения сигнала предупреждения, что при продолжении эксплуатации предстоят повреждения.

Средства для определения механического напряжения пружинящего элемента охватывают, с одной стороны, предпочтительно по меньшей мере один находящийся на пружинящем элементе измерительный преобразователь, а также, с другой стороны, связанное с ним подходящее вычислительное устройство для оценки сигналов измерительного преобразователя и для выдачи упомянутого сообщения. В качестве измерительных преобразователей могут использоваться, в частности, электромеханические датчики, которые являются подключаемыми к соответствующим местам сопряжения обычных электронных вычислительных устройств. При этом множество измерительных преобразователей предпочтительно закрепляют в различных точках пружинящего элемента и подходящим образом монтируют в схему; например, на пружинящем элементе размещают четыре тензометрические полоски и соединяют друг с другом в виде моста Уитстона. Таким образом могут быть исключены влияния помех на измерение механического напряжения, которые могут вызываться, например, температурными воздействиями. Точность измерения и тем самым надежность контроля может быть таким образом заметно повышена.

В простейшем случае сообщение представляет собой акустический или оптический сигнал, с помощью которого оператор установки, частью которого является это устройство, побуждается к остановке вала. В рамках изобретения также возможно привлечение измерительных значений в рамках соответствующей автоматики для регулирования потока смазочного средства к уплотнительному кольцу; в этом случае должно предусматриваться подающее устройство для подачи смазочного средства, связанное со средствами измерения напряжения и регулируемое полученными там сигналами.

В дальнейшем выгодном развитии изобретения устройство имеет в качестве пружинящего элемента работающий на изгиб стержень, который является изгибаемым в результате момента вращения, действующего на уплотнительное кольцо, и снабжен по меньшей мере одним измерительным преобразователем, а именно по меньшей мере одной тензометрической полоской наряду с соответствующим электрическим устройством обработки данных.

При этом для размещения работающего на изгиб стержня существует много возможностей. Так работающий на изгиб стержень может быть закреплен в стенке корпуса; в этом случае уплотнительное кольцо снабжено выступом, который прижимается под действием момента вращения относительно работающего на изгиб стержня так, что работающий на изгиб стержень упруго изгибается. На работающем на изгиб стержне известным образом размещены измерительные преобразователи, например тензометрические полоски, с помощью которых может быть измерен изгиб. Вместо выступа уплотнительное кольцо может быть разумеется снабжено вырезом, через который вставляют работающий на изгиб стержень. Далее работающий на изгиб стержень может быть также непосредственно связан с уплотнительным кольцом, например ввинчен перпендикулярно валу в соответствующее отверстие уплотнительного кольца. В таком случае должна предусматриваться жестко закрепленная в стенке корпуса контропора, относительно которой работающий на изгиб стержень прижимается под действием момента вращения. Как уже упоминалось, работающий на изгиб стержень должен снабжаться соответствующими измерительными преобразователями.

В рамках выполнения изобретения с пружинящим элементом в виде работающего на изгиб стержня работающий на изгиб стержень снабжен множеством измерительных преобразователей, которые поставляют комплементарные сигналы для определения изгиба. Момент вращения вызывает постоянный изгиб работающего на изгиб стержня в определенном, тангенциальном относительно вращения направлении изгиба. Целесообразно снабжать каждую боковую сторону работающего на изгиб стержня, которым он ограничен вдоль направления изгиба, измерительным преобразователем, в частности тензометрической полоской. При изгибе на одной стороне возникает напряжение давления, на другой стороне напряжение растяжения. Это означает, что измерительные преобразователи поставляют комплементарные сигналы, комбинация которых может быть использована для улучшения точности измерения напряжения. Нелинейности процесса измерения также могут быть подавлены так, что конфигурация работающего на изгиб стержня с двумя измерительными преобразователями для комплементарных сигналов особенно хорошо пригодна для введения в регулирующее устройство, например, уже упомянутого регулирующего устройства для подачи уплотняющей и/или смазочной текучей среды для уплотнительного кольца.

Наряду с известными тензометрическими полосками в качестве измерительных преобразователей могут использоваться также пьезоэлектрические измерительные преобразователи; подобные измерительные преобразователи предпочтительно используются в смысле изобретения таким образом, что они вводятся между жестко связанной со стенкой корпуса контропорой и выступом уплотнительного кольца; под действием момента вращения выступ давит относительно контропоры и сжимает при этом пьезоэлектрический измерительный преобразователь, за счет чего возникает измеряемое обычными средствами электрическое напряжение.

Разумеется, что можно предусматривать несколько видов измерительных преобразователей, за счет чего в измерение напряжения, с одной стороны, может вводиться интересная с точки зрения надежности избыточность, а с другой стороны, может быть повышена точность процесса измерения с помощью комбинации нескольких методов измерения с вероятно отличными друг от друга диапазонами измерения.

Дальнейшее пояснение изобретения производится на основе представленных на чертежах примеров выполнения. На чертежах показано: фиг. 1 - схематическое представление контролируемого уплотнения вала согласно изобретению; фиг. 2 - дальнейшее специальное развитие уплотнения вала согласно изобретению; фиг. 3 - эскиз особенно выгодного расположения измерительных преобразователей в рамках изобретения.

Фиг. 1 показывает уплотнительное кольцо 1, которое уплотняет прохождение вала 3 из корпуса, стенка корпуса 2 здесь показана только эскизно. По своему внешнему периметру уплотнительное кольцо не является полностью круговым, что собственно и не обязательно требуется в смысле изобретения; обозначение в первую очередь относится к круговому выполнению или выполнению в виде кругового цилиндра внутреннего периметра уплотнительного кольца 1. Между уплотнительным кольцом 1 и стенкой корпуса 2 введена пружина 9, представленная здесь лишь в виде простой винтовой пружины; если вал 3 вращается, то на уплотнительное кольцо 1 действует определенный момент вращения, который со своей стороны приводит к усилию на пружину 9, в результате чего она в конкретном случае растягивается. Удлинение пружины 9 определяют с помощью измерительного преобразователя 5, который является, например, потенциометром с подвижным контактом, связанным с концом пружины 9, который находится в значительной степени жестком соединении с уплотнительным кольцом 1. Растяжение пружины 9 обусловливает перемещение движка на потенциометре, за счет чего изменяются электрические свойства измерительного преобразователя 5, что может быть установлено с помощью электрического устройства обработки данных 7. Устройству обработки данных 7 предварительно задают нормальное значение момента вращения, действующего с вала 3 на уплотнительное кольцо 1; это является, как правило, значением, которое устанавливается при нормальной работе. Устройство обработки данных 7 сравнивает установленное через измерительный преобразователь 5 значение с заранее заданным нормальным значением и выдает сообщение в случае, если измерительное значение существенно отклоняется от нормального значения. Это сообщение в конкретном случае заключается, например, в том, что зажигается лампа 16; разумеется, что могут предусматриваться любые формы сообщений, акустические сигналы или электрические сигналы на другие управляющие устройства всей установки.

Предложения по дальнейшему развитию изобретения представлены на фиг. 2. Фиг. 2 показывает уплотнительное кольцо 1, введенное в соответствующую выемку стенки корпуса 2, которое служит для уплотнения проходного зазора 4 между стенкой корпуса 2 и валом 3. Для реализации контроля момента вращения, передаваемого вращающимся валом 3 на уплотнительное кольцо 1, в стенку корпуса 2 введен пружинящий элемент в виде работающего на изгиб стержня 10 и зафиксирован с помощью болта 23. Относительно работающего на изгиб стержня 10 за счет момента вращения сжимается выступ 12 на уплотнительном кольце 1. За счет этого работающий на изгиб стержень 10 упруго изгибается; изгиб измеряют и обрабатывают с помощью тензометрической полоски 6 в соединении с соответствующим устройством обработки данных 7. В представленном случае уплотнительное кольцо 1 в основном полностью омывается маслом; внешний периметр уплотнительного кольца 1 в основном полностью входит в смазочную канавку 17, в которой находятся также работающий на изгиб стержень 10 и выступ 12. В соответствии с этим работающий на изгиб стержень 10 должен быть введен в стенку корпуса 2 с уплотнением, чтобы избежать утечки из смазочной канавки 17. Этим объясняется несколько сложное крепление работающего на изгиб стержня 10. Тензометрическая полоска 6 находится внутри работающего на изгиб стержня 10, что хотя и связано с уменьшением точности измерения, однако является необходимым, так как тензометрическая полоска не должна смачиваться жидкостью. Также и к боковым сторонам уплотнительного кольца 1 через смазочные канавки 18 и 19 подводят масло с целью смазки и/или уплотнения; это является необходимым, чтобы, с одной стороны, обеспечить способность скольжения уплотнительного кольца 1 относительно стенки корпуса 2 и, с другой стороны, достичь возможно более полного уплотнения проходного зазора 4. Внутренний периметр уплотнительного кольца 1 также снабжен смазочными канавками 20 и 21; предусматривание смазочной канавки, как правило, является необходимым для смазки и уплотнения; посредством двух смазочных канавок 20, 21 может, кроме того, предотвращаться, чтобы все используемое для смазки и уплотнения масло обогащалось заключенным в корпусе газом (например, водородом в случае турбогенераторов). Путем предусматривания двух отдельных смазочных систем можно в достаточной мере ограничить загрязнение масла. В представленном случае подачу масла к упомянутым смазочным канавкам 17, 18, 19, 20 и 21 производят через маслопроводы 22 от подающих устройств 8. Подающие устройства 8 связаны с устройством обработки данных 7 и регулируются им. Таким образом можно управлять свойствами скольжения уплотнительного кольца 1 на валу 3 за счет регулирования давления масла. Представленная на фиг. 2 тензометрическая полоска 6 должна рассматриваться в качестве представителя множества измерительных преобразователей. Работающий на изгиб стержень 10 омывается маслом и соответственно подвержен нагрузке давления, которая разумеется воспринимается также размещенным на работающем на изгиб стержне 10 измерительным преобразователем. Кроме того, нельзя исключить температурные колебания в уплотнительном масле, которые в равной степени воздействуют на измерительный преобразователь. В рамках расположения согласно фиг. 2 особенно важно уберечь измерение механического напряжения работающего на изгиб стержня 10 от влияния помех. Это может быть достигнуто, как уже упоминалось, с помощью мостовой схемы из четырех измерительных преобразователей.

Фиг. 3 показывает дальнейшее схематичное представление возможностей дальнейшего развития уплотнения вала согласно изобретению. Вал 3 окружен уплотнительным кольцом 1; к уплотнительному кольцу 1 приформован пружинящий элемент в виде работающего на изгиб стержня 11, который подобно представлению на фиг. 2 может быть ввинчен в уплотнительное кольцо 1. В результате действующего от вала 3 момента вращения на уплотнительное кольцо 1 работающий на изгиб стержень 11 прижимается относительно контропоры 13, жестко связанной с не представленным для ясности корпусом. Между работающим на изгиб стержнем 11 и контропорой 13 введен пьезоэлектрический измерительный преобразователь 24, который сжимается, когда работающий на изгиб стержень 11 давит на контропору 13. В результате сжатия на пьезоэлектрическом измерительном преобразователе 24 возникает электрическое напряжение, которое является измеряемым и оцениваемым в соответствующем устройстве обработки данных 7. Изгиб работающего на изгиб стержня 11 в результате создаваемого вращающимся валом 3 момента вращения происходит в тангенциальном относительно вращения направлении изгиба 14. На каждой боковой стороне 15, которыми работающий на изгиб стержень 11 ограничен вдоль направления изгиба 14, он снабжен тензометрической полоской 6. Таким образом, для определения изгиба работающего на изгиб стержня 11 в распоряжении связанного с тензометрическими полосками 6 устройства обработки данных 7 имеются два комплементарных сигнала, за счет чего может быть достигнуто заметное улучшение точности измерения.

Изобретение позволяет уплотнить проходной зазор между стенкой корпуса и приводимым относительно нее во вращение валом с окружающим его уплотнительным кольцом, причем свойства скольжения уплотнительного кольца на валу являются в любое время измеряемыми и оцениваемыми для возможно быстрого распознавания начинающихся повреждений.