книги из ГПНТБ / Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения

Г Л А В А VI

К О М Б И Н И Р О В А Н Н Ы Е У П Л О Т Н Е Н И Я

'Анализ работы бесконтактных уплотнений показывает, что по

в обслуживании, имеют малое тепловыделение и значительную демпфирующую способность как от радиальных (для уплотнений радиального типа), так и от осевых (для уплотнений торцового типа) вибраций. Эти особенности делают бесконтактные уплотне­ ния незаменимыми при уплотнении валов быстроходных машин и агрегатов. Однако наличие утечек жидкости через эти уплотне­ ния в случае неподвижного вала ограничивает диапазон их при­ менимости. Для расширения этого диапазона оказывается полез­ ным использовать комбинированные уплотнения, состоящие из контактных и бесконтактных.

Особенности работы и некоторые конструкции комбинирован­ ных уплотнений рассмотрены ниже.

2 8 . К о м б и н и р о в а н н ы е б е с к о н т а н т н ы е и к о н т а н т н ы е у п л о т н е н и я

Наиболее известными, традиционными типами контактных уплотнений являются сальниковые уплотнения, поэтому этот тип уплотнений наиболее часто используется и в комбинации с бес­ контактными уплотнениями.

На рис. 80 представлена конструкция комбинированного уплот­ нения, разработанного в соответствии с патентом ФРГ для аппа­ ратов с быстроходными перемешивающими устройствами. Вал аппарата 1 установлен на двух опорно-упорных подшипниках качения 9. На валу насажена вращающаяся втулка 8. К фланцу 2 аппарата крепится корпус уплотнения 3, имеющий неподвижную кольцевую втулку 5, камеру сальникового уплотнения с сальни­ ковой набивкой 7, камеру 6 для ее охлаждения и патрубок 4 для отвода протечек уплотняемой жидкости.

141

Основная особенность рассматриваемой конструкции заклю­ чается в том, что сальниковое уплотнение работает в ней в течение всего периода эксплуатации машины или аппарата. Поэтому срок службы агрегата (машины) зависит в основном от срока службы этого уплотнения. Применение в этой конструкции бесконтактных уплотнений лишь уменьшает давление перед сальниковой набив­ кой до пределов, допускающих ее использование. Этим удается в значительной степени расширить диапазон использования саль­ никовых уплотнений, однако срок службы уплотнений этого типа

манжеты отполирована (V 9), рассматриваемая конструкция имеет в указанной зоне контакта винтовые канавки, образованные путем штамповки, травления, пароструйной обработки, резания и т. д. Винтовые канавки при вращении вала способствуют возникнове­ нию сил, противодействующих утечкам жидкости из уплотняемой камеры в рабочее помещение.

Экспериментальные исследования уплотнения этого типа с точки зрения отработки его оптимальной конструкции, обеспе­ чивающей минимум утечек жидкости через зону уплотнения и ми­ нимальные потери мощности, показали, что оптимальными пара­ метрами нарезки являются: а) угол подъема спиральной линии

142

кромки манжеты b — 0,38-г-0,75 мм; г) число заходов нарезки г = 3-5-6.

Рассмотренная конструкция комбинированного уплотнения по­ лучила довольно широкое распространение в машинах н аппара­ тах, выпускаемых различными фирмами СШ А, где 'она известна под названием уплотнения типа.«хайдросил» [10].

Однако, несмотря на большую известность и рекламу этого типа уплотнения, тщательный анализ его работы показывает, что наряду с положительными достоинствами оно обладает и при­ сущими только ему недостатками. Эти недостатки проявляются обычно при пуске и остановке агрегата, когда центробежные силы, отжимающие губку манжеты от поверхности вращающегося вала

с винтовой нарезкой, уменьшаются, в результате чего под дей­ ствием эластичности материала манжеты и натяжения кольцевой ■ пружины, губка начинает прижиматься к поверхности вращаю­ щегося вала и изнашиваться. Износ поверхности губки будет тем больше, чем длительнее будет режим пуска и остановки машины или аппарата и чем чаще в течении срока службы уплотнения будут производиться остановки машины. Таким образом для ма­ шин, процесс эксплуатации которых связан со значительным ко­ личеством пусков и остановок (подкачивающие химические насосы и компрессоры, реакторы и перемешивающие устройства перио­ дического действия и т. д.), применять уплотнения типа «хайдро­ сил» нецелесообразно.

Для расширения области применения комбинированных уплот­ нений фирма «Даймлер— Бенц» (ФРГ) уменьшила глубину винто­ вой нарезки на вращающемся валу установки. В разработанной ею конструкции комбинированного уплотнения (рис. 82) поверх­

143

ность вала тщательно шлифуется п полируется, после чего на эту поверхность с помощью специального инструмента наносятся не­ глубокие геликоидальные риски, не образующие замкнутой вин­ товой линии. Сборка уплотнения осуществляется так, чтобы ци­ линдрическая часть губки манжеты устанавливалась на некотором расстоянии от края геликоидальных рисок. Во время работы ци­ линдрическая часть поверхности манжеты 3, соприкасающаяся

Рис. 83. Комбинированное уплотнение

с поверхностью вала, изнашивает и отшлифовывает эту поверх­ ность до полного исчезновения геликоидальных рисок. В резуль­ тате такой приработки манжеты и вала геликоидальные риски остаются лишь с внешней 1 и с внутренней 2 сторон контактной цилиндрической линии [42]. Область применения этих уплотне­ ний ограничена областью небольших давлений, поскольку имею­ щиеся в его конструкции геликоидальные риски не являются оптн-

Рис. 84. Уплотнение с двусторонней винтовой нарезкой

мальными. Работают эти уплотнения с расширяющимся кониче­ ским зазором и не могут обеспечить значительное противодействие перетоку -уплотняемой среды через уплотняемую зону. Тем не менее использование их вполне оправдано при уплотнении узлов подшипников качения.

На рис. 83 показано комбинированное уплотнение [17], со­ стоящее из контактного манжетного уплотнения 1 и бесконтакт­ ного лабиринтно-вихревого уплотнения 2. Лабиринтно-вихревое

144

уплотнение, смонтированное непосредственно на валу насоса, вы­ полнено с трапецеидальной нарезкой и имеет длину 82 мм при радиальном зазоре 0,3—0,4 мм и шаге нарезки равном 4,2 мм. Конструкция уплотнения такого типа обеспечивает удовлетвори­

ниях) лишь в пределах удерживаемого давления (до 3,5 кгс/см2). В ряде случаев у-плотнения такого типа выполняют с двусто­ ронней винтовой нарезкой (рис. 84). При этом винтовая нарезка может создавать в центральной части уплотнения как разрежение, так и давление, а также может иметь неравномерную глубину по

длине уплотнения.

2 9 . К о м б и н и р о в а н н ы е б е с к о н т а к т н ы е и с т о я н о ч н ы е у п л о т н е н и я

В связи с тем, что конг жтные и бесконтактные уплотнения, используемые в комбинированных бесконтактных и стояночных уплотнениях, должны обеспечивать уплотнительный эффект в раз­ личные периоды эксплуатации машин или аппарата, то в их кон­ струкциях должны быть предусмотрены специальные элементы, выключающие из работы те из уплотнений, работа которых в этот период нерациональна. При этом указанные элементы должны ра­ ботать автоматически в зависимости от частоты вращения вала.

В настоящее время известно большое количество схем, обеспе­ чивающих отключение контактных уплотнений из работы при до­ стижении валом установки определенных частот вращения. Однако для конструкторов наибольший интерес должны представить лишь те схемы, в которых использован эффект действия центробежных сил на элемент, отключающий контактное уплотнение от работы или включающий его в работу, а также схемы, в которых для ука­ занных действий использовано гидравлическое давление от уста­ новленного на валу агрегата рабочего колеса насоса. Известно, что величины центробежных сил и гидравлическое давление про­ порциональны квадрату частоты вращения вала, поэтому они могут быть использованы для обеспечения указанных действий.

На рис. 85 представлена конструкция комбинированного уплот­ нения, состоящего из динамического лопастного и стояночного торцового уплотнения [2]. Рассматриваемое уплотнение предна­ значено для обеспечения герметичности камеры Б относительно рабочей среды, заполняющей под давлением р камеру А установки. Уплотнение состоит из вала 1 с установленным на нем фигурным корпусом 12, имеющим на своей периферии лопастное уплотне­ ние 6, смонтированное с гарантированным зазором 5Т относительно статора установки 17. Корпус 12 поджимается гайкой 2 к торцо­ вому бурту вала 1 через цилиндрическую втулку 14 и втулку 3, имеющую плоский торец с отшлифованной поверхностью С. Кор-

этом регулирующие шарики 4 отжимаются от периферии к оси вра­ щения вала 1 вплоть до непосредственного контакта с.цилиндриче­ ской поверхностью втулки 3. Контакт торцовых поверхностей втулок 5 и 7 торцового уплотнения и неподвижного контактного уплотнения 16 с внешней цилиндрической поверхностью подвиж­ ного корпуса уплотнения 8 препятствует проникновению рабочей среды из-камеры высокого давления А в камеру низкого давле­

ния Б .

В рабочем положении (п > 0; нижняя половина рисунка) при достижении валом определенного числа оборотов лопастное уплот­ нение 6 развивает; на внешнем своем диаметре давление по вели­

146

чине несколько превышающее давление р в камере высокого дав­ ления А . Переток жидкости в этом случае из указанной камеры по торцовому зазору 8Т между торцовыми поверхностями вращаю­ щихся лопаток лопастного уплотнения 6 и торцовой поверхностью статора 17 в камеру низкого давления Б невозможен, поэтому работа торцового уплотнения в этот период нецелесообразна. Это, помимо всего прочего, приводит и к тому, что торцовые поверх­ ности контактного уплотнения оказываются без смазки. Во время работы установки на регулирующие шарики 4 действуют центро­ бежные силы, отжимающие их к периферии. При достижении валом определенных чисел оборотов центробежные силы, действу­ ющие на регулирующие шарики, достигают такой величины, что они уже способны переместить их к периферии по наклонным па­ зам 15 подвижного корпуса уплотнения 8, на величину I от ци­ линдрической поверхности втулки 3. В результате этого втулка 3, сжимая пружину 13, перемещается слева направо на расстояние t, что и приводит к размыканию контактных поверхностей торцо­ вого уплотнения.

Другой тип уплотнения, использующего для своей работы дав­ ление, развиваемое рабочим колесом насоса, представлен на рис. 86. Оно выполнено в соответствии с авторским свидетель­ ством № 247787 и предназначено для уплотнения валов переме­ шивающих устройств реакционных аппаратов и других хими­ ческих установок. В рассматриваемой конструкции - с целью снижения износа контактирующих поверхностей колец 8 и 9 тор­ цового уплотнения предусматривается автоматическое их разделе­ ние. С этой целью торцовое уплотнение снабжено плавающим

состоит из статора и ротора, установленного на валу /. Полость ротора заполнена чистой перемешиваемой жидкостью. Для предо­ хранения элементов статора от контакта с этой жидкостью в кон­ струкции применена экранирующая гильза 4, отделяющая ста­ торную полость от роторной. Лабиринтный насос 12 осуществляет циркуляцию чистйй жидкости по автономному контуру, чем обес­ печивается осевая и радиальная устойчивость ротора электро­ привода, а также отвод тепла от нагретых элементов системы.

Комбинированное уплотнение, отделяющее рабочее простран­ ство реактора (полость А) от рабочего пространства автономного контура, состоит из торцового уплотнения и лабиринтно-вихре­ вого уплотнения 11. Торцовое уплотнение имеет плавающий пор­ шень 10, на котором установлено неподвижное уплотнительное кольцо 9. Вращающееся уплотнительное кольцо торцового уплот­ нения 8 помещено на специальной втулке, закрепленной на валу /. Поршень 10 и гибкий элемент — сильфон 6 образуют рабочую камеру торцового уплотнения. Верхний торец сильфона 6 при-

варен или припаян к плавающему поршню 10, а нижний — к на­ ружной части электропривода. Рабочая камера Б торцового уплот­ нения соединена каналом 5 и трубопроводом 2 с зоной нагнетания лабиринтного насоса 12. При включении привода лабиринтный насос 12 создает давление в камере В и отжимает плавающий пор­ шень 10 вниз до упора. Ротор электропривода под действием

довательно, в процессе работы агрегата отсутствует износ этих поверхностей, а значит увеличивается срок службы всей уста­ новки в целом.

148

При выключении привода вал двигателя останавливается; дав­ ление в рабочей системе падает и ротор опускается на диск 13. Ввиду того, что рабочие зазоры /гх и /г3 выбираются из расчета h r > /г2, то в этом случае осуществляется плотный контакт тор­ цовых поверхностей уплотнительных колец 8 и 9, чем и обеспе­ чивается надежное разъединение реакционной зоны А аппарата от рабочей зоны автономного контура. Наличие в системе комби­ нированного уплотнения бесконтактного лабиринтно-вихревого уплотнения 11, выполненного на плавающем поршне 10, обеспечи­ вает определенное сопротивление перетоку жидкости из полости электропривода в реакционную зону А . Этим достигается наличие перепада давления, отжимающего плавающий поршень 10 вниз до упора, и обеспечивается минимум утечек среды из полости элек­ тропривода в реакционное пространство А .

3 0 . К о м б и н и р о в а н н ы е м а н ж е т н о - в и н т о в ы е

у п л о т н е н и я

Одной из наиболее интересных попыток создания комбиниро­ ванных уплотнений, использующих достоинства как контактных, так и бесконтактных уплотнений, является создание и внедрение

\149