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

использован лабиринтный насос 1. Здесь охлажденная холо­ дильником 2 и очищенная фильтрами 3 жидкость непосред­ ственно подается насосом через профилированную щель к паре трения, что обеспечивает высокую интенсивность охлаждения.

Рис. 146. Холодильник для систем охлаждения уплотнений Гб0]

На рис. 146 показана одна из конструкций холодильников для охлаждения уплотнений [60].

Системы со встроенными холодильниками применяют в основ­ ном в тех случаях, когда установка внешнего холодильника неже­ лательна (из-за увеличения габаритов машины, агрессивности

Рис. 147. Системы охлаждения со встроенными холодильниками

среды и других причин) или требуется создать тепловой барьер между камерой уплотнения и рабочим пространством машины

(рис. 147, а).

Уплотнения могут охлаждаться двумя встроенными холодиль­ никами (рис. 147, б). Один из них выполнен непосредственно в не­ подвижном кольце пары трения [33].

191

При выборе той или иной системы охлаждения нужно руко­ водствоваться двумя факторами: эффективностью системы и ее экономичностью. Так, в работе [33] проведено сравнение различ­ ных систем и способов подвода охлаждающей жидкости к уплот­ нению, используя как критерий температуру пары трения. Одна

воды в год в зависимости от использования той или иной системы охлаждения. Отмечено, что системы с внешней циркуляцией более экономичны, чем со встроенным холодильником.

Очевидно, что экономичность и эффективность системы охла­ ждения зависят от конкретных условий эксплуатации установки.

ЗАЩИТА УПЛОТНЕНИЙ ОТ АБРАЗИВНЫХ ВЗВЕСЕЙ

Ранее отмечалось, что при большом содержании абразивных частиц в жидкости пары трения уплотнений, изготовленные даже из самых твердых материалов, не имеют достаточной износостой­ кости. Уплотнения, предназначенные для использования на чистых средах, часто выходят из строя даже при незначительном содер­ жании абразивных примесей (например, ржавчины, окалины, пе­ ска, окислов и т. п.) в жидкости.

Существуют три способа защиты: установка фильтров на ли­ ниях, подводящих жидкости в камеры уплотнений; использование сепарационных устройств для динамической сепарации частиц; подача чистых затворных жидкостей.

Применение фильтров возможно в тех случаях, когда содержа­ ние абразивных частиц невелико. Обычно устанавливают два филь­ тра (см. рис. 145, б) — рабочий и резервный. В этом случае воз­ можна очистка фильтра без остановки машины.

Для задержания частиц с магнитными свойствами применяют магнитные фильтры (рис. 148, а), снабженные постоянными ма­ гнитами 1 и сеткой 2 [60].

Представляет интерес самоочищающийся фильтр 1 (рис. 148, б) из пористой керамики, устанавливаемый на напорном патрубке насоса (фирма Флексибокс, Англия). Его внутренняя поверхность промывается потоком среды с большой скоростью и поэтому не забивается частицами. Очищенная жидкость в сравнительно небольшом количестве отводится в камеру уплотнения. Такие фильтры обычно устанавливают на время пускового периода про­ изводства, когда внутренние поверхности трубопроводов и обору­ дования загрязнены.

Как правило, удельный вес твердых частиц, содержащихся в жидкостях, больше удельного веса жидкости, поэтому при вра­ щении деталей уплотнения наблюдается определенный эффект сепарации частиц. Так, при исследованиях во ВНИИГидромаше уплотнений на гидроабразивных жидкостях была замерена кон-

192

Рис. 148. Фильтры:

а — магнитный [60]; б — из пористой керамики

Рис. 149. Сеперационные устройства для защиты уплотнений от абразивных частиц:

а с камерой; б — с отбойником; в — с щелевым отбойником; г — с вращаю­ щимся фильтром; д — с циклонным сепаратором

13 А. И. Голубев

центрация частиц в камере уплотнения на одном из стендов. При средней концентрации песка (размер частиц до 0,5 мм) в воде около 10% у стыка пары трения концентрация частиц составляла всего

0,5%.

Сепарационный эффект использован в конструкциях, показан­ ных на рис. 149.

В конструкции, приведенной на рис. 149, а, уплотнение центро­ бежного насоса помещено в сепарационную камеру 1 большого объема. В камере среда совершает преимущественно вращатель­ ное движение и более тяжелые твердые включения отбрасываются к периферии, а очищенная жидкость собирается в области уплот­ нения. При остановках твердые частицы оседают в нижней части камеры, не попадая на уплотнение.

Сепарация частиц в устройстве, показанном на рис. 149, б, происходит в результате интенсивного вращения среды при по­ мощи отбойника с открытыми лопатками 1. Дополнительно среда очищается в результате вращения в камере уплотнения, снабжен­ ной отверстиями а для выхода частиц и имеющей коническую форму граничной поверхности.

Устройства, показанные на рис. 149, виг , обеспечивают непо­ средственную защиту пары трения от абразивных частиц.

Первое устройство (см. рис. 149, в) представляет собой вра­ щающееся кольцо 1 с отверстиями а, охватывающее по наружному диаметру с зазором в несколько миллиметров пару трения. Абра­ зивные частицы, попадающие в зазор, отбрасываются к периферии и выносятся через отверстия наружу.

Испытания этого устройства во ВНИИГидромаше с уплотне­ ниями (см. рис. 12) на водной суспензии с 30% абразивных частиц размером 0,2 мм показали достаточно высокую его эффективность. С применением устройства абразивный износ пар трения силицированный графит по силицированному графиту не наблюдался после 700 ч испытаний.

Второе устройство (см. рис. 149, г) представляет собой вра­ щающееся пористое кольцо 1 (из металлоили минералокерамики), установленное заподлицо с поверхностью трения [751. Абразив­ ные частицы не пропускаются в зазор пары трения в результате их сепарации и задержания фильтром. В то же время очищенная жидкость попадает в зазор, охлаждая и смазывая пару трения.

Испытания этого устройства в уплотнении центробежного на­ соса, перекачивавшего гидроабразивную смесь 45%-ной концен­ трации, показали, что после 300 ч эксплуатации уплотнение было пригодно к дальнейшей работе, а рабочее колесо 'пираль насоса вышли из строя из-за сильного абразивного износа [75].

Одним из наиболее распространенных способов защиты уплот­ нений от абразивных частиц является установка вихревых сепа­ раторов 1 (см. рис. 149, д). Обычно такие сепараторы устанавли­ вают для защиты уплотнений валов насосов различных произ­ водств в пусковой период.

194

Сепараторы устанавливаются вертикально. В боковое отвер­ стие с некоторым смещением относительно оси сепаратора под­ водится среда с абразивными частицами. При интенсивном враще­ нии в сепараторе твердые частицы прижимаются к стенке и на­ правляются через нижнее отверстие б на всасывание насоса. Через верхнее отверстие а очищенная жидкость отводится в камеру уплот­ нения. Сепараторы пригодны для очистки сред с содержанием до 10% твердых частиц, с вязкостью не более 25 сст и размерами частиц не менее нескольких микрон. Перепад давления между от­ верстиями, подводящими и отводящими среды от сепаратора, должен составлять 2—10 кгс/см2. При этом расход среды, про­ ходящей через сепаратор с размерами, показанными на рис. 149, д

Рис. 150. Вспомогательные уплотнения камер: а — манжетное; б — щелевое; в — торцовое

составляет от 9 до 20 л/мин, причем около 80% среды вытекает через верхнее отверстие (фирма Крейн Пекинг, Англия). Сепара­ торы изготовляют из износостойких материалов (например, из стеллита).

Для отделения камер, где размещены уплотнения, от осталь­ ного рабочего пространства машины с целью предотвращения по­ падания абразива в камеры при остановках машин, используют вспомогательные щелевые, манжетные и торцовые уплотнения

(рис. 150).

Детали щелевых уплотнений изготовляют из твердых сплавов, керамических и других износостойких материалов. Для манжет­ ных и торцовых уплотнений рекомендуется применять фторо­ пласт-4 (с наполнением стеклом, углем, керамикой) и резины.

Как отмечалось выше, сепарационные устройства не могут пол­ ностью исключить попадание абразивных частиц в зазор уплот­ нения. Наиболее радикальным способом защиты уплотнений от абразивного износа является использование чистых затворных жидкостей. Применением этих жидкостей решается также задача смазки и охлаждения уплотнений (например, при работе на газах, агрессивных, ядовитых и горячих жидкостях), повышения их герметичности (до практически полного исключения утечки паров рабочей среды), надежности и износостойкости.'

В настоящее время существует сильная тенденция к исключению применения затворных жидкостей, что объясняется экономически­ ми соображениями и борьбой с загрязненностью внешней среды.

СИСТЕМЫ ПОДАЧИ В УПЛОТНЕНИЯ ЗАТВОРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

В качестве затворной жидкости наибольшее применение в различ­ ных химических и других производствах получила вода (техни­ ческая), на втором месте — нефтяные масла и нефтепродукты (керосин). Кроме них для сред, содержащих твердые взвеси, при­ меняют очищенные и охлажденные жидкие компоненты рабочей среды, а для агрессивных сред — некоторые совместимые с ними жидкости (например, спирты, глицерин, четыреххлористый угле­ род и др.).

Рис. 151. Одинарные торцовые уплотнения с подачей консистентной смазки: а — фирмы Флексибокс (Англия); б — конструкции ВНИИГидромаша

Затворные жидкости используют главным образом при уста­ новке двойных торцовых уплотнений. В отдельных случаях воз­ можно применение затворных жидкостей и с одинарными тор­ цовыми уплотнениями: например, в уплотнении, показанном на рис. 9 (для валов химических аппаратов, перемешивающих уст­ ройств и т. п.), в качестве затворной жидкости используется вода или другая нейтральная жидкость при атмосферном давлении. Смазка пары трения происходит в результате затягивания жидко­ сти в зазор капиллярными силами. Такая система является рабо­ тоспособной лишь при низких скоростях скольжения в паре трения.

На рис. 151, а и б показаны два одинарных торцовых уплот­ нения с использованием в качестве затворной среды консистент­ ной смазки. В одном из них консистентная смазка подается в ка­ меру уплотнения, чтобы предохранить пару трения и другие де­ тали уплотнения от воздействия абразивных частиц, содержа­ щихся в рабочей среде (см. рис. 151, а). Результаты работы [59] подтверждают возможность такой защиты уплотнения.

Уплотнение конструкции ВНИИГидромаша (см. рис. 151, б) предназначено для работы на парах аммиака при частоте вращения

196

вала компрессора до 5000 об/мин. Здесь консистентная смазка обеспечивает меньшее трение и износ пары.

В некоторых производствах используют промывку камеры оди­ нарных торцовых уплотнений технической водой. При этом, од-

Рис. 152. Осушительный насос с двойным торцовым уплотнением

нако, расходуется большое количество воды, что экономически невыгодно.

Чтобы уменьшить расход затворных жидкостей и обеспечить лучшую смазку пары трения, затворные жидкости могут пода-

197

ваться непосредственно в зазор пары трения (см. рис. 20, 37). Подача затворной жидкости в зазор пары усложняет конструкцию, технологию изготовления уплотнения и не всегда обеспечивает достаточное его охлаждение. Наиболее распространены двойные торцовые уплотнения с подачей затворной жидкости. Примером достаточно простой конструкции двойного торцового уплотнения является уплотнение вала осушительного насоса (фирма Флюгт, Швеция), предназначенного для откачки загрязненных вод со

Рис. 153. Термосифонная система подачи затворной жидкости

строительных площадок, из шахт, канализации, с предприятий лесного и сельского хозяйства, электростанций и корабельных верфей (рис. 152). В качестве затворной жидкости используется масло. В масло помещена торообразная резиновая наполненная воздухом камера, обеспечивающая упругость объема масла и ком­ пенсацию его утечки. При работе насоса масло и воздух в камере разогреваются и давление масла превышает давление гидроабра­ зивной среды перед уплотнением.

Вданном случае перепад давления между затворной жидкостью

ирабочей средой не управляется и не контролируется, поэтому возможность попадания рабочей среды в затворную жидкость полностью не исключена. Чтобы этого не происходило, широко применяют различные системы подачи затворных жидкостей. Большое распространение они получили для уплотнений валов на­ сосов нефтеперерабатывающей промышленности [32] и аппаратов химической промышленности [31 ].

Одной из наиболее простых систем подачи затворной жидкости (фирма Бургман, ФРГ) является термосифонная система (рис. 153).

198

В бачок 1 с затворной жидкостью помещен холодильник. К бачку подводится азот с давлением, равным давлению перед уплотнением. Если уплотнение работает на газообразной среде, то вместо азота может быть подведен рабочий газ. Бачок 1 соединен двумя тру­ бопроводами с камерой 2 двойного торцового уплотнения. Затвор­ ная жидкость циркулирует вследствие разности удельных весов нагретой и охлажденной жидкости в трубах.

Рис. 154. Бачок для термосифонной системы подачи за­ творной жидкости

Полный объем бачка составляет от 5 до 15 л [60]. Он поме­ щается над уплотнением на высоте не менее 2 м. Внутренний диа­ метр труб для обеспечения достаточной интенсивности циркуляции должен быть не менее 15 мм. На рис. 154 показан бачок с ручным насосом 1 (для пополнения его затворной жидкостью) и холодиль­ ником 2.

Сравнительно простой системой подачи затворной жидкости насосом является система с постоянным установленным давлением, не зависящим от изменений давления рабочей среды перед уплот­ нением (рис. 155). Затворная жидкость засасывается насосом 1 из бачка 2 с холодильником 3. Она проходит через фильтры 4 и 5 и попадает в клапан 6, регулирующий давление. Часть жидкости этим клапаном сбрасывается обратно в бачок, остальная через

199

обратный клапан попадает в камеру уплотнения и также возвра­ щается в бачок 2. Дроссель 7 служит для регулирования расхода затворной жидкости; он может быть полностью закрыт, тогда полу­ чается так называемая тупиковая схема подачи жидкости. Если

Рис. 155. Система подачи затворной жидкости насосом при постоян­ ном давлении (конструкция ВНИИГидромаша)

для охлаждения уплотнения необходимо пропускать весь расход насоса 1 через камеру уплотнения, то необходимо регулирующий давление клапан поместить на выходе жидкости из камеры уплот­ нения в положение А. Клапаны могут быть пружинного или грузо­ вого типа.

Одна из систем подачи затворной жидкости с постоянным пе­ репадом давления между затворной и рабочей жидкостью пока-

200