Затворное торцовое уплотнение

 

Изобретение относится к герметизации роторов насосов, компрессоров, аппаратов химических производств и других машин. Торцовое затворное уплотнение содержит установленное на валу с возможностью вращения и перемещения в осевом направлении уплотнительное кольцо с замкнутыми камерами на поверхности трения и закрепленное неподвижно в корпусе уплотнительное кольцо с питательными каналами, в которые подводится затворная среда. При этом замкнутые камеры различаются, по крайней мере, одним из геометрических параметров, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на поверхности трения, а именно глубину, ширину, окружную длину, радиус расположения, расстояние между камерами в окружном направлении. Изобретение повышает надежность и срок службы торцового затворного уплотнения в широком диапазоне режимных параметров (скорости вращения ротора, давления уплотняемой среды, давления затворной среды) за счет установки уплотнительного кольца с замкнутыми камерами на валу (на втулке вала) с возможностью перемещения в осевом направлении, оптимизации расположения замкнутых камер с различными геометрическими параметрами на поверхности трения уплотнительного кольца, что ведет к увеличению несущей способности, статической и динамической, торцового затворного уплотнения, обеспечивает возможность регулирования торцового зазора путем изменения давления затворной среды. 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к уплотнительной технике, а именно к торцовым уплотнениям, и может быть использовано в насосах, компрессорах, аппаратах химических производств и других машинах для герметизации роторов.

Известна конструкция торцового импульсного уплотнения [(1) Марцинковский В.А., Ворона П.Н. Насосы атомных электростанций. -М.: Энергоатомиздат, 1987, с. [163-170], которая содержит установленное на валу с возможностью вращения кольцо с питательными каналами на поверхности трения и закрепленное в корпусе с возможностью перемещения в осевом направлении уплотнительное кольцо с выполненными на поверхности трения замкнутыми камерами. Однако такое торцовое импульсное уплотнение имеет недостаточную надежность, поскольку не обеспечивает устойчивый бесконтактный режим работы уплотнительной пары при высоких скоростях вращения ротора и малых давлениях уплотняемой среды, кроме того, оно работает только на уплотняемой среде и для того, чтобы применять его в качестве затворного, необходимо использовать два таких уплотнения. Одно уплотнение ограничивает утечки затворной среды в полость машины, а другое - в атмосферу. Таким образом, уплотнение становится излишне сложным, общая надежность такой конструкция уплотнения невысокая.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является затворное торцовое импульсное уплотнение вала, принятое в качестве прототипа (2)[Авторское свидетельство СССР N 1541451, МПК F 16 J 15/34, заявл. 23.02.88, публ. 07.02.90] и содержащее установленное на валу с возможностью вращения кольцо с замкнутыми камерами на поверхности трения и закрепленное в корпусе с возможностью перемещения в осевом направлении уплотнительное кольцо с питательными каналами. Однако такое торцовое импульсное уплотнение имеет недостаточную надежность, поскольку не обеспечивает устойчивую работу уплотнения при малых давлениях затворной среды. Кроме того, при высоких скоростях вращения ротора и малых давлениях затворной среды, такое уплотнение имеет недостаточную несущую способность и статическую жесткость, что приводит к нарушению бесконтактного режима работы торцовой пары, при этом в торцовой паре не происходит эффективного запирания уплотняемой среды.

В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки конструкции затворного торцового уплотнения, в котором за счет установки уплотнительного кольца с замкнутыми камерами на валу с возможностью перемещения в осевом направлении достигается возможность регулирования зазора между поверхностями трения уплотнительных колец и расхода затворной среды путем изменения давления затворной среды, подаваемой в уплотнение. Кроме того, выполнение замкнутых камер особым образом, по размерам и расположению, при варьировании их геометрических параметров в определенном порядке, обеспечивает увеличение несущей способности, статической жесткости уплотнения и в итоге повышаются надежность затворного торцового уплотнения при работе на малых давлениях, высоких скоростях вращения ротора, а выполнение окружной затворной канавки увеличивает эффективность запирания уплотняемой среды.

Поставленная задача решается тем, что затворное торцовое уплотнение содержит установленное на валу с возможностью вращения и перемещения в осевом направлении уплотнительное кольцо с замкнутыми камерами на поверхности трения и установленное неподвижно в корпусе уплотнительное кольцо с питательными каналами, через которые в торцовую пару подводится затворная среда. Согласно изобретению в предлагаемом затворном торцовом уплотнении кольцо с замкнутыми камерами установлено на валу с возможностью вращения и перемещения в осевом направлении, а кольцо с питательными каналами установлено неподвижно в корпусе.

Замкнутые камеры на поверхности трения уплотнительного кольца различаются, по крайней мере, одним из геометрических параметров, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на поверхности трения уплотнительного кольца, а именно - глубину, ширину, окружную длину, радиус расположения, расстояние между камерами в окружном направлении. Площадь замкнутых камер определяется из следующего соотношения где S_к - площадь, занимаемая камерами на поверхности трения уплотнительного кольца; R_н - наружный радиус поверхности трения уплотнительного кольца; R_вн - внутренний радиус поверхности трения уплотнительного кольца.

Затворная окружная канавка на поверхности трения уплотнительного кольца отделяет уплотняемую среду от атмосферы.

Замкнутые камеры, различающиеся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на поверхности трения, упорядоченно чередуются друг с другом в окружном направлении.

Группы замкнутых камер, различающиеся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на уплотнительном пояске, упорядоченно чередуются друг с другом в окружном направлении.

Совокупность всех признаков предлагаемого технического решения позволяет регулировать величину торцового зазора и утечки путем изменения давления затворной среды, увеличить несущую способность, статическую жесткость уплотнения и в результате повысить надежность затворного торцового импульсного уплотнения, а также эффективность запирания уплотняемой среды. За счет новых признаков заявляемого изобретения, а именно в результате установки уплотнительного кольца с замкнутыми камерами на валу с возможностью перемещения в осевом направлении и подачи затворной среды в торцовый зазор через питательные каналы, выполненные в уплотнительном кольце, установленном неподвижно в корпусе, обеспечивается возможность точного регулирования величины торцового зазора и утечки затворной среды посредством изменения ее давления.

За счет выполнения затворной окружной канавки на поверхности трения уплотнительного кольца обеспечивается эффективное отсечение утечек уплотняемой среды в окружающую, чем обеспечивается эффективное запирание уплотняемой среды.

Выполнение замкнутых камер или их групп, различающихся, по крайней мере, одним из геометрических параметров, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на уплотнительном пояске, а именно глубину, ширину, окружную длину, радиус расположения, расстояние между камерами в окружном направлении, позволяет оптимизировать в окружном направлении распределение давления на торцовом пояске, занятом камерами, вследствие этого повышается несущая способность уплотнения, его статическая жесткость, в результате чего происходит повышение надежности уплотнения, увеличивается его срок службы, расширяется диапазон функционирования. Определение суммарной площади замкнутых камер соотношением S.

где S_к - площадь, занимаемая камерами на поверхности трения уплотнительного кольца; R_н - наружный радиус поверхности трения уплотнительного кольца; R_вн - внутренний радиус поверхности трения уплотнительного кольца; позволяет при практической реализации обеспечить оптимальное сочетание несущей способности уплотнения, утечки затворной среды и срока службы затворного торцового импульсного уплотнения.

Упорядоченное чередование замкнутых камер или их групп, различающихся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на уплотнительном пояске, оптимизирует расположение по окружности гидро(газо)динамических клиньев.

Практическая реализация заявляемого изобретения обеспечивает увеличение несущей способности уплотнения, его статической жесткости, в результате чего повышается надежность, эффективность запирания уплотняемой среды. Проведенные эксперименты показали, что заявляемое затворное торцовое уплотнение имеет более высокую надежность чем прототип, что выражается в устойчивом бесконтактном режиме работы и стабильном тепловом состоянии уплотнительных колец при различных сочетаниях давления уплотняемой и затворной сред, скоростей вращения ротора.

Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлен продольный разрез затворного торцового уплотнения; на фиг. 2 представлен продольный разрез затворного торцового уплотнения патронной конструкции; на фиг. 3 показана поверхность трения вращающегося уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7; на фиг. 4 показана поверхность трения неподвижного уплотнительного кольца 3 с питательными каналами 4;
на фиг. 5 показана поверхность трения вращающегося уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7 и окружной затворной канавкой 9;
на фиг. 6 показана поверхность трения неподвижного уплотнительного кольца 3 с питательными каналами 4 и окружной затворной канавкой 9;
на фиг. 7 показан фрагмент вращающегося уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7 различной глубины, которые сгруппированы в группы по две, и эти группы выполнены чередующимися друг с другом в шахматном порядке;
на фиг. 8 показан фрагмент невращающегося уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7 различной глубины, которые выполнены таким образом, что их глубина изменяется в окружном направлении ступенчато от минимальной величины до максимальной;
на фиг. 9 показан фрагмент невращающегося уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7 различной глубины, которые выполнены таким образом, что их глубина плавно изменяется в окружном направлении от минимальной величины до максимальной и вновь до минимальной:
на фиг. 10 показан фрагмент невращающегося уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7 различной глубины, которые выполнены таким образом, что их глубина изменяется в окружном направлении от минимальной величины и достигает максимальной на диаметрально противоположной стороне кольца;
на фиг. 11 показана поверхность трения вращающегося уплотнительного кольца 6, при этом замкнутые камеры 7, выполненные на одинаковом расстоянии от центра кольца, сгруппированы по две и эти группы чередуются через одну;
на фиг. 12 показана поверхность трения вращающегося уплотнительного кольца 6, при этом замкнутые камеры 7, выполненные на различном расстоянии от центра кольца, чередуются ступенчато (плавно от минимального расстояния до максимального и т. д.):
на фиг. 13 показана поверхность трения вращающегося уплотнительного кольца 6, при этом замкнутые камеры 7 различной длины чередуются через одну;
на фиг. 14 показана поверхность трения вращающегося уплотнительного кольца 6, при этом замкнутые камеры 7, выполненные на различном расстоянии друг от друга в окружном направлении, чередуются между собой через одну.

Затворное торцовое уплотнение согласно изобретению содержит пару трения в виде, установленного герметично в крышке 1 корпуса 2 неподвижного уплотнительного кольца 3 с питательными каналами 4 и установленного на втулке вала 5 уплотнительного кольца 6 с замкнутыми камерами 7 на поверхности трения. Уплотнительное кольцо 6 поджато пружинами 8 к неподвижному кольцу 3 и имеет возможность вращения и перемещения в осевом направлении. Площадь замкнутых камер 7 на поверхности трения уплотнительного кольца 6 выбрана из соотношения

где S_к - площадь, занимаемая замкнутыми камерами на поверхности трения уплотнительного кольца;
R_н - наружный радиус поверхности трения уплотнительного кольца (фиг. 3);
R_вн - внутренний радиус поверхности трения уплотнительного кольца (фиг. 3).

Питательные каналы 4 выполнены в виде отверстий в неподвижном кольце 3.

Замкнутые камеры 7, различающиеся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на поверхности трения уплотнительного кольца 6, упорядоченно чередуются друг с другом в окружном направлении. Под упорядоченностью понимается изменение указанных геометрических параметров в определенной последовательности (через один, ступенчато или волнообразно). Замкнутые камеры 7, например, выполняются глубиной h1 и h2 (h1 меньше h2), при этом замкнутые камеры 7 различной глубины в окружном направлении чередуются через одну. Замкнутые камеры 7, например, выполняются глубиной h1, h2 и h3 (h1 меньше h2 меньше h3), при этом они располагаются на уплотнительном пояске так, что их глубина изменяется в окружном направлении в последовательности h1, h2, h3, h1, h2, h3 и т.д., ступенчатая последовательность. Замкнутые камеры 7, например, выполняются глубиной h1, h2 и h3 (h1 меньше h2 меньше h3), при этом они располагаются на уплотнительном пояске так, что их глубина в окружном направлении изменяется в последовательности h1, h2, h3, h2, h1 и т.д., волнообразная последовательность.

Группы замкнутых камер 7, различающиеся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на уплотнительном пояске, упорядоченно чередуются друг с другом в окружном направлении (через одну, ступенчато, волнообразно).

Окружная затворная канавка 9 выполняется на поверхности трения одного из колец. Подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо устанавливается на валу 10 машины. Стопорные болты 11 передают вращение от вала 10 втулке 5 и, кроме того, фиксируют ее от перемещений в осевом направлении. Резиновые кольца 12 герметизируют уплотнительное кольцо 3, предотвращая перетечки затворной среды в уплотняемую и в атмосферу. Резиновое кольцо 13 герметизирует уплотнительное кольцо 6 по втулке 5 (или по валу 10), обеспечивая подвижность кольца 6 в осевом направлении. Монтажные скобы 14 (в патронной конструкции затворного торцового уплотнения) фиксируют величину поджатия колец торцовой пары.

Затворное торцовое уплотнение, согласно изобретению, работает следующим образом.

При работе роторной машины, например центробежного компрессора или насоса, затворная среда - жидкость (масло, вода и др.) или газ (воздух, азот и др. ), под давлением, превышающим давление в уплотняемой полости 15, через уплотнительное кольцо 3 по питательным каналам 4 поступает в торцовый зазор. При вращении ротора питательные каналы 4 периодически сообщают замкнутые камеры 7 с источником затворной среды, в результате чего осредненное давление в замкнутых камерах 7 повышается. Это приводит к изменению баланса осевых сил, действующих на аксиально-подвижное кольцо 6 уплотнения, и между поверхностями трения колец 3 и 6 возникает слой затворной среды величиной от 0,001 до 0,01 мм. Затворная среда разделяет уплотнительные кольца, и торцовая пара функционирует в бесконтактном режиме при минимальных утечках затворной среды в окружающую среду и в уплотняемую полость. При изменении давления затворной среды величина торцового зазора также изменяется, что позволяет регулировать торцовый зазор при различных режимах эксплуатации (скорости вращения ротора, давления перекачиваемой среды, давления затворной среды). Благодаря конструкции торцовой пары уплотнение безразлично к направлению вращения ротора.

Давление в замкнутых камерах 7 тем больше, чем меньше торцовый зазор. Увеличение зазора вследствие осевых подвижек ротора приводит к уменьшению давления в замкнутых камерах 7 и нарушению баланса осевых сил, действующих на аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 6, в результате чего оно перемещается к уплотнительному кольцу 3, торцовый зазор уменьшается и давление в камерах 7 возрастает, пока не восстановится баланс осевых сил. При этом уплотнение становится нечувствительным к осевым перемещениям ротора. Частота импульсов давления, действующих на аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 6, зависит от количества замкнутых камер 7, питательных каналов 4 и частоты вращения ротора. В результате этого уплотнительное кольцо 6 подвержено высокочастотным вибрациям, препятствующим возникновению облитерации в торцовом зазоре. Когда ротор не вращается, уплотнение выполняет роль стояночного.

Наличие окружной затворной канавки на поверхности трения одного из уплотнительных колец позволяет эффективно предотвратить перетечки уплотняемой среды в атмосферу.

Кроме того, величина давления затворной среды в замкнутых камерах 7 зависит от их геометрических характеристик (глубины, ширины, окружной длины) и расположения на уплотнительном пояске (радиуса расположения, расстояния между камерами в окружном направлении). Поэтому чередующиеся определенным образом замкнутые камеры 7 или их группы, имеющие различные геометрические характеристики и (или) расположение на уплотнительном пояске, позволяют создать неравномерность распределения давления между замкнутыми камерами или их группами в окружном направлении. Вследствие этого при работе уплотнения создается, по крайней мере, один бегущий гидро(газо)динамический клин, повышающий несущую способность уплотнения.

В предпочтительном варианте вращающееся уплотнительное кольцо 6 изготовляется из твердых износостойких материалов: металло- или минералокерамики, карбида вольфрама, карбида кремния, стали с релитовой или стеллитовой наплавкой толщиной 0,5. . .3 мм на поверхности трения кольца, алюминиевого сплава с покрытием, выполненным методом микроплазменного оксидировния, силицированных графитов различных марок и др. Невращающееся уплотнительное кольцо 3, как правило, выполняется из менее твердых антифрикционных материалов, например Ниграна, Химанита, силицированных графитов, углеграфитов с различной пропиткой, углепластиков или из коррозионно-стойких металлов или сталей с нанесением износостойкого покрытия химическим, ионно-плазменным, детонационным, микроплазменным оксидированием, электроэрозионным или иным способом. При этом для уменьшения износа уплотнительных поверхностей при пусках или остановах на них может быть нанесен слой твердой смазки, например дисульфида молибдена, графита и др. Питательные каналы 4 и замкнутые камеры 7 могут выполняться различными способами: механической обработкой (сверлением, фрезерованием, шлифованием алмазным кругом), электроэрозионным способом, химическим травлением, лазерной обработкой и др. Вместо резиновых уплотнительных колец 12 могут использоваться плоские или фасонные прокладки, изготовленные из соответствующих сортов резины, фторопласта, паронита или других материалов.

Источники информации
1. Марцинковский В.А., Ворона П.Н. Насосы атомных электростанций.-М: Энергоатомиздат, 1987, с. 163-170.

2. Авторское свидетельство СССР N 1541451, МПК F 16 J 15/34, заявл. 23.02.88, публ. 07.02.90.

Формула изобретения

1. Затворное торцовое уплотнение, содержащее пару трения в виде уплотнительного кольца с замкнутыми камерами на поверхности трения и уплотнительного кольца с питательными каналами, отличающееся тем, что кольцо с замкнутыми камерами установлено на втулке вала с возможностью вращения и перемещения в осевом направлении, а кольцо с питательными каналами установлено неподвижно в корпусе, при этом площадь замкнутых камер определяется из следующего соотношения:

где S_к - площадь, занимаемая камерами на поверхности трения уплотнительного кольца;
R_н - наружный радиус поверхности трения уплотнительного кольца;
R_вн - внутренний радиус поверхности трения уплотнительного кольца.

2. Затворное торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что замкнутые камеры, различающиеся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на поверхности трения, упорядоченно чередуются друг с другом в окруженном направлении.

3. Затворное торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что группы замкнутых камер, различающиеся, по крайней мере, одним геометрическим параметром, который характеризует размеры, радиальное и окружное расположение замкнутых камер на поверхности трения, упорядоченно чередуются друг с другом в окружном направлении.

4. Затворное торцовое уплотнение по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что на поверхности трения одного из уплотнительных колец выполнена окружная затворная канавка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.01.2007        БИ: 02/2007

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 11.01.2008

Дата публикации: 27.12.2011

---