книги из ГПНТБ / Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов

скорость вращения вала, большой диаметр вала, необходимость разборки уплотнения без разборки машины, требование высокой надежности уплотнения и т. д.

В настоящее время можно считать общепринятым, что в каче­ стве некоторой характеристики степени трудности условий работы (и создания) уплотнения выбирают два параметра: давление среды перед уплотнением (р) и скорость скольжения (К) в паре трения (определяемая диаметром и частотой вращения вала). Произведе­ ние давления (кгс/см2) на скорость (м/с) дает значение третьего параметра — pV.

Сочетание свойств рабочей среды с параметрами р, V и pV позволяет выбрать ту или иную конструкцию торцового уплот­ нения.

По предложению Майера, значения параметров р, V и pV различных торцовых уплотнений разделены на четыре группы [60] (табл. 1).

Та бл ица 1

Таким образом, любое торцовое уплотнение можно характери­ зовать по области применения уплотнения, по расположению и виду его упругого элемента и по параметру pV.

КОНСТРУКЦИИ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ

Рассмотрим конструкции различных уплотнений (в основном, отечественных) применительно к классификации, данной в тексте.

Уплотнения для неагрессивных сред (вода, нефтепродукты).

К ним относят уплотнения массового производства, устанавливае­ мые в центробежных насосах водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания (автомобильных, тракторных, авиацион­ ных, судовых), в бытовых машинах (стиральных, холодильных, сушильных, моечных), в автоматах, в различных объемных насо­ сах (шестеренных, винтовых).

Уплотнения характеризуются низкими и средними параме­ трами р, V (группы I и II). В качестве упругих элементов исполь­ зуют в основном резиновые сильфоны, а также резиновые мем­ браны или уплотнительные кольца с пружинами. Упругие эле­ менты выполняют как вращающимися, так и неподвижными.

На рис. 3 показано одно из таких уплотнений массового про­ изводства (фирма Крейн Пекинг, Англия), Уплотнение работает

.11

щения до 3000 об/мин (pV < 35 кгс/см2-м/с). Уплотнение выпол­ нено с вращающимся упругим элементом в виде пружины 1 и рези­ нового сильфона 2.

Уплотнение, показанное на рис. 4, выполнено с неподвижным упругим элементом в виде пружины 1 с мембраной 2 (фирма Шмидт, ГДР). Оно работает при давлении жидкости до 6 кгс/см2 и темпе­ ратуре от —40 до +100° С. Его устанавливают на валы с диаме­ тром до 30 мм и частотой вращения до 3000 об/мин.

Уплотнение в основном предназначено для насосов системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

Мембраны изготовляют из резины с тканью. Применяют также мембраны из фторопласта-4. Штампованные тонкостенные детали изготовляют из медного листа.

К крупносерийным можно отнести также уплотнения валов центробежных насосов для водоснабжения, теплоэнергетики, нефтяной промышленности. Эти уплотнения работают при более высоких параметрах и по параметру pV соответствуют группам II и III и частично группе IV. Данные уплотнения работают при средних и высоких давлениях жидкостей, поэтому их упругие эле­ менты в большинстве случаев выполняют в виде пружин с уплотни­ тельными резиновыми кольцами круглого сечения, которые лучше выдерживают действие давления, чем мембраны и сильфоны.

На рис. 5 показано одно из таких уплотнений, изготовляемое Нальчикским машиностроительным заводом (НМЗ). Уплотнение работает при давлении 0—5 кгс/см2, температуре до 90° С; уста­ навливается на валы с диаметром до 60 мм и частотой вращения

в виде нескольких пружин 1 и резинового уплотнительного кольца 2 круглого сечения.

На рис. 6 показано двойное торцовое уплотнение, изготовляе­ мое Нальчикским машиностроительным заводом для центробеж­ ных насосов, перекачивающих легкокипящие нефтепродукты при переработке нефти (этан, пропан, бутан).

Уплотнение применяют для давлений жидкостей от вакуума до 25 кгс/см2, температур от —80 до +200° С и устанавливают на валы диаметром до 90 мм и частотой вращения до 3600 об/мин

(pV < 500 кгс/см2-м/с).

Уплотнение выполнено с вращающимся упругим элементом в виде нескольких пружин 1 и конических уплотнительных колец 2 (из фторопласта-4). В корпус уплотнения подается затворная жидкость (обычно масло), циркулирующая через систему акку­ мулятора и холодильника под действием винтовых выступов, выполненных на наружной поверхности обоймы 3. Давление затворной жидкости в камере уплотнения поддерживается на 0,5— 1,5 кгс/см2 выше давления рабочей среды перед уплотнением.

12

На рис. 7 показано торцовое уплотнение питательного центро­ бежного насоса, разработанное во ВНИИГидромаше. Уплотнение работает при давлении воды до 60 кгс/см2 и температуре до 90° С. Его устанавливают на вал с диаметром 80 мм и частотой вращения 1500 об/мин (pV ^ 500 кгс/см2-м/с и более).

Уплотнение имеет неподвижный упругий элемент и резиновые уплотнительные кольца круглого сечения. Пара трения уплот­ нения состоит из вращающегося 1 и неподвижного 2 колец, изго­ товленных из силицированного графита и вклеенных в металли­ ческие детали. Особенность^ конструкции уплотнения является

то, что его упругий элемент расположен в изолированном от среды пространстве, которое заполнено консистентной смазкой.

Характерным для описанных уплотнений является исполь­ зование сравнительно простых, не обладающих высокой корро­ зионной стойкостью материалов для изготовления их деталей, за исключением материалов пар трения уплотнений, у которых, как правило, сочетаются свойства высокой износостойкости и кор­ розионной стойкости.

Уплотнения для агрессивных сред (кислоты, щелочи, растворы солей, пары, газы — продукты химической, нефтехимической и других отраслей промышленности) применяют в основном в ста­ ционарном оборудовании различных производств, связанных с использованием и переработкой агрессивных сред. Это в первую очередь центробежные химические насосы, компрессоры, реак­ торы, мешалки и центрифуги.

Уплотнения валов этих машин и аппаратов работают при низ­ ких и средних и лишь частично при высоких значениях р , V и pV (группы I—III). Характерной особенностью уплотнений является

14

использование в их конструкциях специальных коррозионностойких материалов, обеспечивающих длительную эксплуатацию

вагрессивной среде.

Ктаким материалам относятся нержавеющие стали (с большим содержанием никеля и хрома), сплавы (стеллиты, хастеллой А, Б, С, Д, ферросилид и др.), углеграфиты, фторопласт-4 (чистый и с на­ полнителями— стекло, графит, кокс, дисульфид молибдена), кера­

мика (на основе А120„, SiC), твердые сплавы (на основе WC, TiC). В зависимости от степени агрессивности, среды можно разде­ лить на среднеагрессивные (например, большинство паров и газов,

Рис. 9. Уплотнение с металлическим сильфоном [31]

растворы солей, разбавленные щелочи) и высокоагрессивные (кислоты средней и высокой концентрации, концентрированные щелочи, сильные окислители, ядовитые, взрывоопасные среды). Уплотнения для сред со средней агрессивностью, как правило, выполняют одинарными, сравнительно простой конструкции; их металлические детали находятся в непосредственном контакте со средой. Такие уплотнения (рис. 8) работают при давлении жидкостей до 5 кгс/см2 и температурах от —40 до +90° С и уста­ навливаются на валы диаметром до 60 мм и частотой вращения до 3000 об/мин (pV < 5 0 кгс/см2-м/с).

Характерная особенность уплотнений — вместо резинового уплотнительного кольца применено кольцо 1 из фторопласта-4 конической формы. Это обеспечивает большую химическую стой­ кость уплотнения.

На рис. 9 показано уплотнение другой конструкции для сред средней агрессивности, применяемое в мешалках, реакторах [31].

Характерные условия работы таких уплотнений: газовая или паровая среда, сравнительно большие биения и смещения вала низкая скорость его вращения.

15

Уплотнение предназначено для вертикальных валов в аппара­ тах с кислой и слабощелочной средами, работающих при давле­ ниях от вакуума до 16 кгс/см2. Его устанавливают на валы с диа­ метром до 130 мм и частотой вращения до 1000 об/мин (pV < < 6 0 кгс/см2-м/с).

Уплотнение имеет неподвижный упругий элемент в виде метал­ лического сильфона 1 и нескольких пружин 2. В корпус 3 по труб­ ке 4 подводится вода, охлаждающая и смазывающая пару трения.

Уплотнения для высокоагрессивных сред отличаются от опи­ санных выше в основном тем, что их металлические детали (пру­ жины, поводки и др.) не имеют непосредственного контакта со средой. Уплотнения могут быть либо двойными с подачей затвор­ ной жидкости (воды), либо одинарными; основные детали этих уплотнений, находящиеся в контакте со средой, выполнены из особо коррозионностойких неметаллических материалов.

На рис. 10 показано двойное торцовое уплотнение с кониче­ скими кольцами из фторопласта-4, выпускаемое НМЗ для хими­ ческих насосов.

Уплотнение применяют при давлениях от вакуума до 5 кгс/см2 и температурах от —40 до +90° С. В средах допускается содержа­ ние до 4% (по весу) твердых, не налипающих на поверхности примесей с размером частиц до 1 мм. Уплотнение устанавливают на валы с диаметром до 130 мм и частотой вращения до 3000 об/мин

(pV < 5 0 кгс/см2-м/с).

Уплотнение — с вращающимся упругим элементом в виде отдельных пружин.

В камеру уплотнения подается затворная жидкость (вода,

и применяемым материалам данное уплотнение сходно с уплот­ нением, показанным на рис. 8.

На рис. 11 показано одинарное торцовое уплотнение с силь­ фоном из фторопласта-4 для высокоагрессивных сред (НМЗ).

Уплотнение применяют для кислот, щелочей, растворов солей различной концентрации с давлением до 3 кгс/см2 и температурой до 80° С. Его устанавливают на валы диаметром до 100 мм, вра­ щающиеся с частотой до 3000 об/мин (рV < 3 0 кгс/см2-м/с). Уплотнение — с неподвижным упругим элементом, состоящим из центральной пружины 1 и сильфона 2 из фторопласта-4. Нарезки сильфона выполнены с таким направлением, чтобы момент трения уплотнения затягивал резьбовые соединения. Это обеспечивает достаточную герметичность стыков при небольшом давлении среды, несмотря на колебания температуры, холоднотекучесть, низкую упругость и высокий коэффициент температурного рас­ ширения фторопласта-4.

Пружина уплотнения помещена внутрь сильфона и может защи­ щаться пластмассовой трубкой 3 от воздействия утечки агрессив­ ной среды.

16

Таким образом в уплотнении непосредственному воздействию среды подвержены лишь детали из неметаллических мате­ риалов.

Уплотнения для сред с большим содержанием твердых при­ месей (грунтовые, песковые, песково-химические, фекальные, бу­ мажные и т. п. среды).

Упоминавшиеся ранее среды содержат небольшие количества нерастворимых примесей (песок, окислы, кристаллы), и их содер­ жание не влияет существенно на условия работы уплотнений.

Среды с большим содержанием твердых взвешенных частиц вызы­ вают сильный эрозионный износ деталей уплотнения и в первую очередь пары трения.

С другой стороны, волокнистые примеси (бумажная масса, синтетические волокна, фекальная масса) и налипающие на твер­ дые поверхности примеси (кристаллы, катализаторы процессов, продукты полимеризации) часто не имеют большой абразивности, но забивают внутренние полости уплотнений, лишая подвижности их детали (кольца, пружины), что приводит к прорыву среды через уплотнение.

Таким образом, необходимыми условиями работоспособности уплотнений являются: использование для пар трения особо твер­ дых износостойких материалов (силицированный графит, твердые металлокерамические сплавы), защита пар трения от попадания в их зазоры твердых частиц, защита механизмов уплотнений от забивания твердыми частицами. Для решения этих задач приме­ няют одинарные и двойные торцовые уплотнения со средствами

ссс,-

Э н з е м п л я р

U u r . п . __ 1

Одинарное торцовое уплотнение для абразивных сред с непо­ движным резиновым сильфоном, разработанное во ВНИИГидромаше, показано на рис. 12.

Уплотнение предназначено для валов насосов, перекачиваю­ щих жидкости с содержанием твердой взвеси до 60% по весу. Допускаемое давление среды перед уплотнением до 2 кгс/см2, температура — до 100° С.

Уплотнения устанавливают на валы диаметром до 120 мм, вращающиеся со скоростью до 3000 об/мин (pV < 20 кгс/см2-м/с).

Уплотнение с неподвижным упругим элементом в виде пружин и резинового сильфона. Сильфон 1 герметично защищает пру­ жины 2, поводки 3 и другие детали механизма уплотнения от воздействия среды.

Внутреннее пространство неподвижной части уплотнения за­ полнено консистентной смазкой. Для лучшего сопротивления действию давления сильфон опирается на подкладные металли­ ческие детали.

На рис. 13 показано двойное торцовое уплотнение для фекаль­ ных жидкостей. Узел уплотнения состоит из двух уплотнений, расположенных одно за другим (тандем). Переднее уплотнение размещено непосредственно на втулке рабочего колеса насоса, чтобы максимально сократить консоль вала и тем самым повысить его жесткость и уменьшить вибрацию.

Пружина 1 отделена от среды уплотнительным резиновым кольцом 2. Другое резиновое кольцо 3 служит для стабилизации трения в паре. Второе уплотнение расположено вне воздействия среды в масляной ванне.

18

СПЕЦИАЛЬНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

К этим уплотнениям относятся прежде всего уплотнения валов главных циркуляционных насосов АЭС.

Условия работы уплотнений характеризуются особо высоким давлением воды, поэтому они могут быть названы уплотнениями

высокого давления.

Так, несколько лет назад давление в контуре циркуляционного насоса, приблизительно равное давлению в уплотнении, состав­ ляло —100 кгс/см2. В настоящее время оно достигает —150 кгс/см2, а в ближайшем будущем составит —200 кгс/см2. Одновременно растут и скорости скольжения в парах трения уплотнений, что связано с ростом мощности насосов и диаметров их валов (от 100 до 200 мм и в будущем до 300 мм). Эти скорости в настоящее время составляют ~20 м/с. Таким образом, по параметрам р, V и pV уплотнения данного типа относятся к группе IV.

Одной из первых конструкций уплотнений для циркуляцион­

Уплотнение такого типа, разработанное во ВНИИГидромаше, показано на рис. 14. Оно отличается большой износостойкостью и надежностью в работе.

Как показали испытания, уплотнения такой конструкции работали с небольшой утечкой практически без износа пары тре­ ния при давлении воды 100 кгс/см2, температуре до 50° С и частоте вращения вала 3000 об/мин. Овальная форма поверхности трения обеспечивала смазку, охлаждение и условия трения, близкие к жидкостному трению. Вращающееся 1 и неподвижное 2 кольца пары трения изготовляли из силицированного графита.

На рис. 15 показано уплотнение крупного циркуляционного насоса АЭС [60]. Уплотнение состоит из трех одинаковых ступеней с парами трения гидродинамического типа.

Уплотнение предназначено для насосов, перекачивающих воду с давлением до 150 кгс/см2 и температурой до 60° С. Его устанавливают на валы насосов диаметром до 200 мм, вращаю­ щиеся со скоростью 1500 об/мин. В уплотнение через отверстие 1 подается затворная вода с давлением, несколько большим давле­ ния радиоактивной воды в контуре насоса. При нормальной работе уплотнения каждая ступень воспринимает около одной трети полного перепада давления. Давление между ступенями уплот­ нения распределяется при помощи капиллярных трубок 2 с расходом жидкости —200 л/ч, что в 100—200 раз больше

Пары трения уплотнения состоят из углеграфитового вращаю­ щегося кольца 3 и неподвижного кольца 4, изготовленного из