Junta energizada de bajo rozamiento de rotura.

Una unidad de junta de estanqueidad secundaria anular (70) para dispositivo de cierre hermético,

incluyendo:

una junta anular (90) incluyendo una primera ranura (110) que se extiende radialmente a dicha junta (90) para definiruna pared de ranura desviable (112) que se puede desviar axialmente para formar un primer cierre hermético entredicha junta (90) y una superficie de cierre hermético opuesta;

donde dicha primera ranura (110) incluye un elemento de empuje (115) que empuja dicha primera pared de ranura(112) a contacto hermético con una superficie de cierre hermético opuesta;

caracterizándose la unidad de junta de estanqueidad secundaria anular por:

un anillo de soporte anular (91) incluyendo superficies laterales de anillo primera y segunda opuestas (92, 94) que seextienden axialmente y miran en direcciones radiales opuestas, y una superficie de soporte (95) dispuesta en unextremo de dicho anillo de soporte (91), estando inclinada dicha superficie de soporte (95) en un ángulo agudo conrelación a dicha primera superficie lateral (92) del anillo;

montándose la junta anular (90) en enganche estrecho con dicha segunda superficie lateral (94) del anillo;

incluyendo además dicha junta (90) una segunda ranura (130) que se extiende en un ángulo a dicha junta (90) demanera que se incline en un ángulo con relación a dicha primera superficie lateral de anillo (92) y defina una paredde ranura inclinada (133) que se puede desviar hacia dicha superficie de soporte (95) y se extiende a lo largo dedicha superficie de soporte (95) de dicho anillo de soporte (91) en enganche soportado con ella, extendiéndoseradialmente dicha pared de ranura inclinada (133) por dicha superficie de soporte (95) para definir un labio de cierrehermético no soportado (145) dispuesto radialmente más allá de dicha primera superficie lateral de anillo (92) paracontacto hermético con una superficie de cierre hermético opuesta de una superficie de componente; eincluyendo la segunda ranura (130) un elemento de empuje (140) que empuja dicha pared de ranura inclinada (133)a contacto hermético con una superficie de cierre hermético respectiva.

Junta energizada de bajo rozamiento de rotura Campo de la invención La invención se refiere a una junta de estanqueidad mecánica y un cierre hermético secundario para la misma, y más en concreto, a una junta energizada que tiene bajo rozamiento de rotura.

Antecedentes de la invención Se usan juntas de estanqueidad de cara mecánica en varios tipos de máquinas y equipo, tal como bombas, compresores, y turbinas que tienen un eje de rotación y una cámara de estanqueidad adyacente al eje donde la junta de estanqueidad mecánica evita el escape de fluido de la cámara de estanqueidad. Muchas de dichas juntas de estanqueidad mecánicas incluyen un par de anillos de estanqueidad adyacentes que tienen caras de cierre hermético opuestas que definen una región de cierre hermético entremedio para separar herméticamente la cámara de estanqueidad de una región exterior. Típicamente, uno de los anillos de estanqueidad está montado en el eje de manera que gire con él mientras el otro anillo de estanqueidad estacionario está montado de forma no rotativa en un alojamiento de junta de estanqueidad. Además, al menos uno de los anillos de estanqueidad rotativo y estacionario es axialmente móvil. Para mantener la estanqueidad entre las caras de cierre hermético opuestas, el anillo de estanqueidad axialmente móvil es empujado axialmente, por ejemplo por un resorte o fuelle, hacia el otro anillo de estanqueidad.

Aunque la región de cierre hermético entre las caras de cierre hermético relativamente rotativas define el cierre hermético primario, se disponen juntas de estanqueidad secundarias entre otros componentes adyacentes en la junta de estanqueidad mecánica. Por ejemplo, un cierre hermético secundario entre el anillo de estanqueidad rotativo y el eje o un manguito de eje evita la migración del fluido de cierre hermético entremedio, mientras que un cierre hermético secundario entre el anillo de estanqueidad estacionario y un elemento de soporte para el anillo de estanqueidad evita la migración del fluido de cierre hermético entre estos componentes.

La Patente de Estados Unidos número 4.305.593 concedida a Smith proporciona un tipo de conjunto conocido de cierre hermético de eje en el que se obtiene un cierre hermético estático para un eje intermitentemente rotativo donde la junta de estanqueidad está provista de una estructura para permitir la abertura de la junta de estanqueidad cuando se desee girar el eje con la finalidad de reducir el desgaste en la junta de estanqueidad.

La Patente de Estados Unidos número 4.305.593 describe una unidad de junta y un conjunto de junta de estanqueidad según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 9, respectivamente.

En las juntas de estanqueidad empujadas por resorte, la Patente de Estados Unidos número 5.813.674 describe una disposición de junta de estanqueidad sin fuelle donde un cierre hermético secundario entre un anillo de estanqueidad y un soporte de anillo de estanqueidad es una junta anular que tiene una sección transversal en forma de copa en forma de U y un resorte dispuesto dentro de la junta para empujar las paredes de junta radialmente alejándolas una de otra. Otra disposición de cierre hermético que tiene una junta de estanqueidad de plástico energizada por resorte se describe en la Patente de Estados Unidos número 6.116.610.

Como tal, hay varias juntas anulares conocidas disponibles que usan un diseño de copa asistido por presión, accionado por resorte. Estas juntas se maquinan típicamente a partir de PTFE o polímero mezclado con plástico a base de materiales o resinas a base de poliamida que se pueden rellenar con grafito u otros rellenos para aumentar los límites de temperatura o presión. Estos materiales se moldean en forma de barra que se asemeja a plástico duro a temperaturas atmosféricas.

Las juntas en forma de copa en U se maquinan a partir de dicha barra moldeada, dichas juntas se forman con una ranura de junta y luego requieren un resorte para energizar los labios o paredes de copa finos definidos por la ranura para formar un cierre hermético cuando se instalen en una cavidad disponible presente en una junta de estanqueidad mecánica. Dichas formas de junta están diseñadas normalmente para encajar en un espacio de aproximadamente el tamaño requerido para una junta tórica de sección transversal estándar. Los diseños de resortes que se encajan en la ranura de junta para accionar la pequeña copa maquinada pueden variar desde un material de cinta formado plegado, un diseño de resorte toroidal de bobina helicoidal o, como se usa más comúnmente, un pequeño resorte de dedo en voladizo especialmente estampado y formado. Los resortes usados para energizar las copas en U se pueden hacer de varios metales para resistencia a la corrosión o resistencia donde las altas temperaturas pueden deformar en caso contrario el material.

Estos diseños de junta de copa en U pueden ser maquinados con copas en U de abertura horizontal o copas en U de abertura vertical que miran radialmente hacia dentro o hacia fuera. Estas pequeñas juntas energizadas por resorte presentan una ventaja cuando no se puede usar elastómeros debido a las temperaturas extremas y/o a los entornos corrosivos. En algunos casos, el rozamiento deslizante o la adherencia estática entre componentes de

cierre hermético axialmente deslizantes se pueden reducir en comparación con el uso de elastómeros que pueden hincharse, adherirse y deteriorarse.

Se pueden maquinar piezas a partir de una amplia variedad de materiales compuestos en tochos donde los límites de presión pueden ser bastante altos y el flujo en frío y la extrusión se mantienen al mínimo. Las juntas son de secciones transversales pequeñas y proporcionan su propia flexibilidad de cierre hermético similar a la de una junta tórica comprimida.

La construcción típica de estas juntas autoenergizadas incluye el maquinado de una forma de copa para formar la ranura en la que se encaja un resorte y que a menudo se abre hacia la presión hidráulica que se sella. Dado que la junta está completamente maquinada, la copa se puede maquinar horizontal o verticalmente. El resorte instalado en la forma de copa proporciona fuerzas de cierre hermético iniciales, donde las juntas están dimensionadas para interferir con superficies de cierre hermético opuestas mientras que las paredes de copa de la junta se pueden desviar para mantener el contacto con las superficies de cierre hermético opuestas. Esta capacidad de cierre hermético se mejora cuando la presión aumenta en el interior de la copa que por ello genera fuerzas más altas en las paredes o los labios de la copa para cierre hermético contra las superficies de cierre hermético adyacentes. Estos diseños son muy adecuados para cierre hermético estático y para cierre hermético de ejes de cilindros hidráulicos donde las fuerzas de accionamiento son altas.

Estos diseños conocidos pueden ser adecuados para servicios estáticos donde ambas superficies de cierre hermético de las paredes de copa apoyan contra superficies no móviles, incluso donde la carga hidráulica aplicada a las superficies interiores de la copa en la ranura es transferida a la superficie de cierre hermético contigua. Sin embargo, las pruebas han demostrado que cuando la presión hidráulica aumenta, las fuerzas transmitidas a través de las paredes interiores de la copa en contacto con las superficies de cierre hermético y apoyo aumentan. Por lo tanto, las fuerzas requeridas para mover una de las superficies de apoyo en relación a la junta aumentan claramente.

Este cálculo se puede hacer multiplicando el área de contacto de la superficie de cierre hermético por la presión hidráulica por el coeficiente de rozamiento. A presiones de producto bajas, las cargas de la superficie de cierre hermético las facilita primariamente la carga interna del resorte. En estas condiciones, las fuerzas para mover una superficie de apoyo pueden ser muy bajas y razonables para la mayoría de las aplicaciones donde se precisa movimiento relativo. El principio de diseño de una copa en U maquinada es aplicar fuerzas de cierre hermético por igual a ambas superficies de cierre hermético de la copa en U, es decir, de diámetro exterior a diámetro interior, de derecha a izquierda, etc.

Los intentos de reducir las fuerzas del labio de cierre hermético aliviando parte de la superficie de cierre hermético del labio de junta y añadiendo calor de soporte son menos efectivos puesto que las presiones aumentan la deformación de la junta.

Como tal, la aplicación de estos diseños a juntas de estanqueidad mecánicas para un cierre hermético distinto del estático puede plantear problemas críticos. La utilización de estos diseños de copa conocidos para un anillo de... [Seguir leyendo]

1. Una unidad de junta de estanqueidad secundaria anular (70) para dispositivo de cierre hermético, incluyendo:

una junta anular (90) incluyendo una primera ranura (110) que se extiende radialmente a dicha junta (90) para definir una pared de ranura desviable (112) que se puede desviar axialmente para formar un primer cierre hermético entre dicha junta (90) y una superficie de cierre hermético opuesta;

donde dicha primera ranura (110) incluye un elemento de empuje (115) que empuja dicha primera pared de ranura (112) a contacto hermético con una superficie de cierre hermético opuesta;

caracterizándose la unidad de junta de estanqueidad secundaria anular por:

un anillo de soporte anular (91) incluyendo superficies laterales de anillo primera y segunda opuestas (92, 94) que se extienden axialmente y miran en direcciones radiales opuestas, y una superficie de soporte (95) dispuesta en un extremo de dicho anillo de soporte (91) , estando inclinada dicha superficie de soporte (95) en un ángulo agudo con relación a dicha primera superficie lateral (92) del anillo;

montándose la junta anular (90) en enganche estrecho con dicha segunda superficie lateral (94) del anillo;

incluyendo además dicha junta (90) una segunda ranura (130) que se extiende en un ángulo a dicha junta (90) de manera que se incline en un ángulo con relación a dicha primera superficie lateral de anillo (92) y defina una pared de ranura inclinada (133) que se puede desviar hacia dicha superficie de soporte (95) y se extiende a lo largo de dicha superficie de soporte (95) de dicho anillo de soporte (91) en enganche soportado con ella, extendiéndose radialmente dicha pared de ranura inclinada (133) por dicha superficie de soporte (95) para definir un labio de cierre hermético no soportado (145) dispuesto radialmente más allá de dicha primera superficie lateral de anillo (92) para contacto hermético con una superficie de cierre hermético opuesta de una superficie de componente; e incluyendo la segunda ranura (130) un elemento de empuje (140) que empuja dicha pared de ranura inclinada (133) a contacto hermético con una superficie de cierre hermético respectiva.

2. La unidad de junta según la reivindicación 1, donde dicha junta anular (90) incluye superficies laterales de junta primera y segunda opuestas (102, 106) que se extienden axialmente y miran en direcciones radiales opuestas, montándose dicha junta (90) en enganche estrecho con dicha segunda superficie lateral de anillo (94) , incluyendo además dicha junta (90) extremos de junta primero y segundo opuestos (105, 103) donde dicho primer extremo de junta (105) tiene una primera cara de extremo (105) que mira axialmente para contacto hermético con una superficie de componente opuesta de dispositivo de cierre hermético en la que se puede montar dicha junta (90) ;

incluyendo dicha junta (90) dicha primera ranura (110) que se extiende radialmente a dicha junta (90) próxima a dicha primera cara de extremo (105) para definir dicha pared de ranura desviable (112) donde dicha pared de ranura desviable (112) define dicha primera cara de extremo (105) de tal manera que dicha pared de ranura (112) se pueda desviar axialmente para formar un primer cierre hermético entre dicha junta (90) y dicha superficie de componente opuesta; e incluyendo dicha junta (90) dicha segunda ranura (130) que se extiende en un ángulo a dicha junta (90) de manera que se incline en un ángulo con relación a dicha primera superficie de cierre hermético lateral (106) y defina dicha pared de ranura inclinada (133) que se puede desviar y se extiende a lo largo de dicha superficie de soporte (95) de dicho anillo de soporte (91) de manera que sea soportada por dicha superficie de soporte (95) , extendiéndose radialmente dicha pared de ranura inclinada (133) por dicha superficie de soporte (95) para definir dicho labio de cierre hermético no soportado (145) radialmente más allá de dicha primera superficie lateral de anillo (92) para contacto hermético con dicha superficie de cierre hermético opuesta de dicha superficie de componente.

3. La unidad de junta según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde dichos elementos de empuje (115, 140) incluyen resortes anulares de empuje que tienen una sección transversal en forma de U definida por patas de resorte opuestas (117, 118, 141, 142) .

4. La unidad de junta según la reivindicación 3, donde dichas patas de resorte (117, 118, 141, 142) encajan dentro de dichas ranuras primera y segunda (110, 130) y presionan hacia fuera alejándose una de otra.

5. La unidad de junta según la reivindicación 3, donde cada una de dichas patas de resorte (117, 118, 141, 142) tiene un borde terminal dispuesto respectivamente dentro de dichas ranuras primera y segunda (110, 130) .

6. La unidad de junta según la reivindicación 5, donde dicho borde terminal (150) de dicha pata de resorte (142) que actúa en dicha pared de ranura inclinada (133) termina dentro de dicha segunda ranura (130) de manera que presione dicha pared de ranura inclinada (133) directamente contra dicha superficie de soporte (95) , extendiéndose dicha pared de ranura inclinada (133) más allá de dicho borde terminal (150) para definir dicho labio de cierre

hermético (145) .

7. La unidad de junta según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde cada una de dichas ranuras primera y segunda (110, 130) está cerrada en tres lados y abierta en un cuarto lado abierto donde dichos lados abiertos de dichas ranuras primera y segunda (110, 130) se abren en direcciones transversales no paralelas.

8. La unidad de junta según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde dicho labio de cierre hermético (145) se extiende una pequeña extensión más allá de dicha primera superficie lateral de anillo (92) y no se soporta a lo largo de dicha pequeña extensión para permitir la deflexión de dicho labio de cierre hermético (145) en direcciones opuestas transversales a dicha pared de ranura inclinada (133) .

9. Un conjunto de estanqueidad mecánica incluyendo:

una pluralidad de componentes de cierre hermético (73, 77, 78) que definen una cavidad de cierre hermético (72) definida por lados de cavidad radialmente espaciados opuestos (75, 79) , y extremos de cavidad axialmente espaciados opuestos (74, 76) donde dicho conjunto de estanqueidad incluye una unidad de junta de estanqueidad secundaria anular (70) dispuesta en dicha cavidad (72) ;

incluyendo dicha unidad de junta (70) :

una primera ranura (110) que se extiende radialmente a dicha junta (90) para definir una primera pared de ranura desviable (112) que se puede desviar axialmente para formar un primer cierre hermético entre dicha junta (90) y una primera superficie de cierre hermético (74) definida en un extremo opuesto de dichos extremos de cavidad (74, 76) ;

donde dicha primera ranura (110) incluye un elemento de empuje (115) que empuja dicha primera pared de ranura (112) para contacto hermético con dicha primera superficie de cierre hermético (74) ;

caracterizándose el conjunto de estanqueidad mecánica porque la unidad de junta (70) incluye además:

un anillo de soporte anular (91) incluyendo superficies laterales de anillo primera y segunda opuestas (92, 94) que se extienden axialmente y miran en direcciones radiales opuestas hacia dichos lados de cavidad (79, 75) , y una superficie de soporte (95) dispuesta en un extremo de dicho anillo de soporte (91) , inclinándose dicha superficie de soporte (95) en un ángulo agudo con relación a dicha primera superficie lateral de anillo (92) ;

montándose la junta anular (90) en enganche estrecho con dicha segunda superficie lateral de anillo (94) ;

incluyendo además dicha junta (90) una segunda ranura (130) que se extiende en un ángulo a dicha junta (90) de manera que se incline en un ángulo con relación a dicha primera superficie lateral de anillo (92) y defina una pared de ranura inclinada (133) que se puede desviar y se extiende a lo largo de dicha superficie de soporte (95) de dicho anillo de soporte (91) en enganche soportado con ella, extendiéndose radialmente dicha pared de ranura inclinada

(133) por dicha superficie de soporte (95) para definir un labio de cierre hermético no soportado (145) radialmente más allá de dicha primera superficie lateral de anillo (92) que está colocada en contacto hermético con una superficie de cierre hermético (79) definida en un lado opuesto de dichos lados de cavidad; e

incluyendo dicha segunda ranura (130) un elemento de empuje (140) que empuja dicha pared de ranura inclinada

(133) para contacto hermético con dicha superficie de cierre hermético (79) .

10. El conjunto de estanqueidad mecánica según la reivindicación 9, donde dichos componentes de cierre hermético (77, 78) incluyen un anillo de estanqueidad (73) de un par de anillos de estanqueidad relativamente rotativos, actuando dicha primera pared de ranura (112) axialmente en dicho primer extremo de dichos extremos de cavidad

(74) que se define por una cara trasera que mira axialmente (74) en dicho anillo de estanqueidad (73) .

11. El conjunto de estanqueidad mecánica según la reivindicación 10, donde dicho primer cierre hermético se define por contacto entre dicha junta (90) y dicha cara trasera (74) de dicho anillo de estanqueidad (73) .

12. El conjunto de estanqueidad mecánica según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, donde dicha junta (90) está confinada axialmente entre dichos extremos de cavidad opuestos (74, 76) .

13. El conjunto de estanqueidad mecánica según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, donde dicho labio de cierre hermético (145) actúa radialmente contra dicho lado opuesto de dichos lados de cavidad (79) transversal a la acción axial de dicha primera pared de ranura (112) contra dicho primer extremo de dichos extremos de cavidad (74) .

14. El conjunto de estanqueidad mecánica según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, donde dicho labio de cierre hermético (145) actúa radialmente contra dicho lado opuesto de dichos lados de cavidad (79) transversal a la acción axial de dicha primera pared de ranura (112) contra dicho primer extremo de dichos extremos de cavidad

(74) .

15. El conjunto de estanqueidad mecánica según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, donde dicha primera superficie lateral de anillo (92) está dispuesta próxima a dicha superficie de cierre hermético (79) donde dicho labio de cierre hermético (145) se extiende una pequeña extensión entremedio.