Торцовое уплотнение вращающегося вала с гидравлическим затвором
MECHANICAL SEAL OF ROTATING SHAFT WITH HYDRAULIC GATE

Изобретение относится к общему машиностроению, а именно к торцовым уплотнениям с гидравлическим затвором, и может быть использовано при проектировании насосных и компрессорных агрегатов.
В торцовых уплотнениях с гидравлическим затвором в качестве затворной жидкости обычно применяют минеральное масло. Масло, подводимое в камеру уплотнения под давлением, превышающим давление уплотняемой среды на 0,05-0,3 Мпа, герметизирует торцовую щель и снимает тепловой поток с пары трения.
Известно контактное торцовое уплотнение, содержащее неподвижное и подвижное уплотнительные кольца с плоскими (непрофилированными) трущимися рабочими поверхностями (Г.С. Баткис, В.А. Максимов «Торцовые бесконтактные уплотнения роторов компрессорных машин. Учебное пособие», Казанский государственный технологический университет. Казань, 2004. стр. 12, рис. 1). Режим трения в контакте данного типа уплотнений граничный или полужидкостный (зависит от соотношения величин контактного давления и перепада давлений между затворной жидкостью и рабочей средой). Преимуществом этого типа уплотнений являются минимальные утечки затворной жидкости в сторону полости с рабочей средой, а их недостатками являются недолговечность и малая надежность из-за высоких контактных давлений в трущейся паре.
Известно торцовое уплотнение, содержащее неподвижное уплотнительное кольцо и подвижное уплотнительное кольцо с частично профилированной рабочей поверхностью, выполненной с клиновыми сегментами и радиальными пазами для входа затворной жидкости (Г.С. Баткис, В.А. Максимов «Торцовые бесконтактные уплотнения роторов компрессорных машин. Учебное пособие», Казанский государственный технологический университет. Казань, 2004, стр. 24, рис. 2.3). При вращении вала в затворной жидкости, проходящей через зазоры, образованные клиновыми сегментами, возникает повышенное давление, под действием которого подвижное кольцо уплотнения отходит в осевом направлении, образуя гарантированный зазор «δ» между уплотняющими поверхностями. Данное уплотнение реализует жидкостный режим трения. Соответственно, в связи с исчезновением контакта между уплотняющими поверхностями правильно спроектированное и грамотно эксплуатируемое уплотнение практически не имеет износа. Вместе с тем, недостатком этого типа уплотнений являются повышенные протечки затворной жидкости в полость рабочей среды, что не всегда приемлемо с точки зрения технологии и чистоты рабочей среды.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности работы торцового уплотнения и увеличение его ресурса, при минимальных утечках через уплотнение затворной жидкости, за счет обеспечения разгрузки контактирующих поверхностей уплотнительных колец от осевого усилия.
Технический результат достигается тем, что в торцовом уплотнении вращающегося вала с гидравлическим затвором, содержащем образующие пару трения неподвижное и аксиально-подвижное уплотнительные кольца с частично профилированной рабочей поверхностью аксиально-подвижного уплотнительного кольца, выполненной с клиновыми сегментами и радиальными пазами для входа затворной жидкости, профилированная часть рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца относительно ее непрофилированной части выполнена с кольцевой проточкой с глубиной, равной толщине гидродинамического слоя затворной жидкости, выходящей из клиновых сегментов в зазор между рабочими поверхностями аксиально-подвижного и неподвижного уплотнительных колец. Кроме того, радиальные пазы для входа масла в клиновые сегменты аксиально-подвижного уплотнительного кольца могут быть прорезаны насквозь на всю толщину кольца, а нерабочая поверхность аксиально-подвижного уплотнительного кольца, расположенная с обратной стороны профилированной части его рабочей поверхности, может быть выполнена с проточкой, уменьшающей толщину кольца в этой зоне.
В предлагаемой конструкции за счет проточки профилированной части рабочей поверхности подвижного кольца на глубину, равную толщине гидродинамического слоя затворной жидкости, выходящей из клиновых сегментов в зазор между рабочими поверхностями подвижного и неподвижного колец, сохраняется контакт уплотнительных колец (не происходит раскрытие стыка трущейся пары), но при этом обеспечивается полная разгрузка поверхностей трения уплотнительных колец от контактных давлений (осевого усилия, прижимающего кольца друг к другу). Причем, разгрузка происходит лишь во время работы машины, когда и происходит трение колец друг об друга, приводящее к их износу. В стояночном режиме осевое прижимное усилие действует на кольца полностью своим номинальным значением.
Выполнение радиальных пазов подвижного уплотнительного кольца сквозными на всю толщину кольца обеспечивает увеличение отбора тепла циркулирующей затворной жидкостью, что повышает надежность работы уплотнения. Увеличение отбора тепла циркулирующей затворной жидкостью обеспечивает также уменьшение толщины профилированной части аксиально-подвижного кольца за счет проточки его нерабочей поверхности.
Изобретение поясняется графически, где:
- на фиг. 1 представлена общая схема уплотнения;
- на фиг 2 - общий вид трущейся пары;
- на фиг. 3 - сечение А-А фиг. 2;
- на фиг. 4 сечение Б-Б фиг. 2;
- на фиг. 5 - сечение А-А фиг. 2 для подвижного уплотнительного кольца со сквозными радиальными пазами в профилированной зоне;
- на фиг. 6 - сечение Б-Б фиг. 2 для подвижного уплотнительного кольца со сквозными радиальными пазами в профилированной зоне;
- на фиг. 7 - сечение А-А фиг. 2 для подвижного уплотнительного кольца со сквозными радиальными пазами и проточкой с нерабочей стороны;
- на фиг. 8 - сечение Б-Б фиг. 2 для подвижного уплотнительного кольца со сквозными радиальными пазами и проточкой с нерабочей стороны.
Торцовое уплотнение содержит установленные на роторе 1 в корпусе 2 аксиально-подвижное кольцо 3 и упорное кольцо 4, образующее торцовую пару трения. Подвод затворной жидкости осуществляется через канал 5. Для проточной циркуляции масла предусмотрен кольцевой зазор между упорным кольцом 4 и статорным кольцом 6. Кольцо 3 прижимается к упорному кольцу 4 пружинами 7. У аксиально-подвижного кольца 3 часть 8 рабочей поверхности выполнена профилированной с клиновыми сегментами 9 и радиальными пазами 10, через которые осуществляется подача затворной жидкости в клиновые сегменты 9. Профилированная часть 8 рабочей поверхности подвижного кольца 3 относительно ее непрофилированной части 11 выполнена с кольцевой проточкой 12 с глубиной «δ*», равной толщине смазочного слоя затворной жидкости, выходящей из клиновых сегментов 9 в зазор между рабочими поверхностями подвижного и неподвижного уплотнительных колец 3 и 4. На нерабочей поверхности кольца 3 также выполнена проточка 13, уменьшающая толщину профилированной части 8 кольца 3.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Через канал 5 в уплотнение подается затворная жидкость (масло), которая через радиальные пазы 10 попадает в клиновые сегменты 9 аксиально-подвижного кольца 3, которое прижимается пружинами 7 к упорному кольцу 4, вращающемуся совместно с ротором 1.
Масло, подводимое в камеру уплотнения под давлением, превышающим давление уплотняемой среды на 0,05-0,3 МПа, герметизирует торцовую щель и снимает тепловой поток с пары трения за счет циркуляции масла через кольцевой зазор между кольцом 6 и упорным кольцом 4.
В предлагаемом уплотнении контакт трущихся поверхностей пропадает, но, благодаря проточке на рабочей профилированной поверхности кольца 3, выполненной с глубиной, равной толщине гидродинамического слоя затворной жидкости, выходящей из клиновых сегментов в зазор между кольцами, смазочный слой лишь слегка покрывает шероховатости поверхностей скольжения, а коэффициент трения достигает минимума. Данные условия работы поддерживаются за счет эффекта саморегулирования при возможных отклонениях некоторых параметров от расчетных значений. Так, при некоторой избыточной глубине проточки зоны подпятника (более расчетного значения «δ*») гидродинамическая сила масляного слоя не может полностью компенсировать силу осевого прижатия колец 3 и 4 уплотнения друг к другу. Контактное давление на поверхности трения возрастет, и режим работы уплотнения будет соответствовать полужидкостному трению, когда рабочие поверхности колец 3 и 4 будут касаться друг друга. В результате данного касания и, как следствие, износа непрофилированных зон рабочих поверхностей колец уплотнения, будет происходить уменьшение зазора в профилированной зоне 8 кольца 3 до тех пор, пока гидродинамическая сила полностью не скомпенсирует силу прижатия колец 3 и 4 друг к другу. При этом произойдет возврат условий работы уплотнения к первоначальному режиму трения. Если же глубина проточки зоны подпятника окажется меньше расчетного значения «δ*», то в результате перехода режима работы уплотнения в зону жидкостного трения произойдет увеличение коэффициента трения и, соответственно, большее тепловыделение. При этом повышение температуры смазочного слоя обусловит снижение динамической вязкости смазки и, соответственно, уменьшение зазора между кольцами с возвратом условий работы уплотнения к первоначальному режиму трения. Процесс саморегулирования будет реально наблюдаться при отклонениях глубины проточки от расчетного не более чем на 20-25%. При отклонениях порядка расчетного зазора уплотнение практически будет работать или как контактное, или как бесконтактное.
С целью увеличения отбора тепла циркулирующей затворной жидкостью поверхность профилированного кольца развивается за счет прорезания радиальных пазов 10 на входе в клиновые сегменты 9 насквозь на всю толщину кольца 3 (фиг. 5, 6).