ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в высокоскоростных насосных агрегатах.
Известно гидродинамическое уплотнение (а.с. СССР №1702043 М кл F16J 15/42, 1991. Бюлл. 48), содержащее установленный на валу в кольцевой проточке корпуса импеллер с радиальными каналами на рабочей поверхности, а обращенная к рабочей стороне импеллера стенка проточки выполнена в виде упругой пластины с зубчатыми выступами и установленными на тыльной ее стороне пьезокерамическими элементами.
Недостатком является невысокая герметизация, связанная с возможностью наличия в уплотняемой жидкости вредных токсичных и т.п. включений, приводящих к снижению герметизирующих свойств гидродинамического уплотнения.
Известно гидравлическое уплотнение (патент РФ 2161743 МПК F16J 15/42, 2001. Бюлл.1), содержащее установленный на валу в кольцевой проточке корпуса импеллер с радиальными канавками на рабочей поверхности, в которых размещен динамический уплотняющий элемент из ячейкообразных перегородок, образующих диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних ячеек в шахматном порядке и заполненные проницаемым адсорбентом, а обращенная к рабочей поверхности импеллера стенка проточки выполнена в виде упругой пластины с зубчатыми выступами и установленными на тыльной ее стороне пьезокерамическими элементами.
Недостатком является уменьшающаяся надежность герметизации при длительной эксплуатации, обусловленная наличием температурных колебаний ячейкообразных перегородок, образующих диффузоры и конфузоры, с изменением их геометрических размеров, и как следствие,
невозможности поддержания равномерной эпюры скорости адсорбции с оптимальным тепловым равновесием.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированной надежности герметизации в условиях изменяющихся температур уплотняемой жидкости, путем устранения возможности отклонения под температурным воздействием геометрических параметров ячейкообразных перегородок, что достигается за счет выполнения их из биметалла.
Технический результат достигается тем, что гидравлическое уплотнение, содержащее установленный на валу в кольцевой проточке корпуса импеллер с радиальными канавками на рабочей поверхности, в которых размещен динамический уплотняющий элемент из ячейкообразных перегородок, образующих диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних ячеек в шахматном порядке и заполненные проницаемым адсорбентом, а обращенная к рабочей поверхности импеллера стенка проточки выполнена в виде упругой пластины с зубчатыми выступами и установленными на тыльной стороне пьезокерамическими элементами, при этом ячейкообразные перегородки выполнены из биметалла, причем внутренняя поверхность диффузора представляет собой элемент биметалла с коэффициентом теплопроводности в 2.5-3.0 раза превышающим коэффициент теплопроводности элемента биметалла, являющегося внутренней поверхностью конфузора.
На фиг.1 изображено гидродинамическое уплотнение с импеллером, продольный разрез; на фиг.2 - биметаллические перегородки, образующие диффузоры и конфузоры.
Гидродинамическое уплотнение содержит импеллер 1, установленный на валу 2 в кольцевой проточке 3 корпуса 4 и упругой пластины 5, расположенной напротив радиальных каналов 6 импеллера.
На поверхности упругой пластины 5, обращенной к импеллеру 1, выполнены зубчатые выступы 7 с острыми кромками и имеющие различные
конструктивные решения. На тыльной стороне упругой пластины 5 установлены пьезокерамические элементы 8 с нанесенными электродами для соединения с генератором электрических сигналов (не показано). В радиальных канавках 6 размещен динамический элемент 9, закрепленный определенным образом на диске импеллера 1 и выполненный из проницаемого адсорбента, имеющего форму динамического элемента в виде кольца или радиального сегмента, или стержней. Динамический элемент 9 состоит из ячейкообразных перегородок 10, образующих диффузоры 11 и конфузоры 12, расположенные относительно соседних ячеек в шахматном порядке и заполненных проницаемым адсорбентом. При этом ячейкообразные перегородки 10 выполнены из биметалла 13, причем внутренняя поверхность диффузора 11 представляет собой элемент 14 с коэффициентом теплопроводности в 2,5-3,0 раза превышающим коэффициент теплопроводности элемента 15 биметалла, являющегося внутренней поверхностью конфузора 12.
Гидродинамическое уплотнение работает следующим образом.
При вращении вала 2 с импеллером 1 вращается расположенный в радиальных каналах 6 динамический элемент 9, выполненный из проницаемого адсорбента, и жидкость, находящиеся между динамическим элементом 9 и пластиной 5. Динамический элемент 9 взаимодействует с уплотняемой средой и создает противодавление путем образования в полости герметизации импеллера 1 замкнутого вихревого движения вдоль вращающейся поверхности динамического элемента 9, в тракт роторной машине под действием динамических, в данном случае центробежных сил, действующих на среду, находящуюся в полости герметизации 1 и вдоль неподвижной поверхности корпуса 4, из тракта под действием сил давления уплотняемой среды.
Вследствие обтекания потоком жидкости выступов 7 возникают отрывные течения, характеризующиеся появлением возвратных потоков и вихрей. Вихревые движения жидкости в свою очередь способствуют
возникновению газового вихря. В области раздела между жидкостью и газом образуется зона двухфазного подслоя, в который попадают капли жидкости, отрывающиеся от поверхности динамического элемента 9. В дальнейшем эти капли жидкости могут быть увлечены либо газовым потоком к центру, либо по инерции в обратном направлении к поверхности жидкости. Некоторые капли достигают поверхности пластины 5, в результате соударения к которой одна часть капель, дробясь, отражается от ее поверхности, а другая часть капель прилипает к поверхности пластины 5, что вызывает появление пленки жидкости, текущей по поверхности пластины 5 под действием радиального газового вихря от границы раздела фаз к центру вращения. Воздействие капель жидкости приводит к деформации упругой пластины 5, разрыву пленки жидкости и мелкому дроблению капель посредством зубчатых выступов 7 с острыми кромками, работающими в простеночном слое. Регулирование зубчатых выступов 7 осуществляется с помощью пьезокерамических элементов 8, связанных посредством электродов с генератором 9 (не показано).
Уплотняемая среда, находящиеся в полости герметизации между динамическим элементом 9 и выступами 7 гибкой пластины 5, заполняет поры проницаемого абсорбента. Проходя последовательно проницаемый абсорбент, находящийся в ячейкообразных перегородках 10, выполненных в виде диффузоров 11 и конфузоров 12, уплотняемая среда очищается, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к цикличному изменению процесса тепломассообмена в ячейках динамического элемента 9. Известно, что при движении потока по диффузору 11 скорость его падает, и, как следствие, уменьшается энергия трения частиц жидкости о расширяющиеся стенки, т.е. уменьшается количество тепла, предаваемое теплопроводностью (см., например, Нащекин В.В. техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980 - 469 с.) через элемент 13 биметаллической перегородки 10. В тоже время наблюдается движение потока по конфузору 12, и, как следствие, увеличивается энергия трения частиц жидкости о суживающиеся стенки
(основное условие неразрывности движущегося потока, см. там же), т.е. увеличивается количество тепла, передаваемое теплопроводностью через элемент 14 биметаллической перегородки 10, являющейся одновременно частью диффузора 11 и конфузора 12. При выполнении данной перегородки из материала постоянной теплопроводности, переменное температурное поле приведет к тому, что перегородка 10 начнет коробиться, изменяя геометрические размеры как диффузора 11, так и конфузора 12, а это выведет из теплового равновесия по толщине динамический элемент 9. Использование перегородки 10 из биметалла с 2,5-3,0 кратным превышением коэффициента теплопроводности элементов материала внутренней поверхности диффузора 11 под элементом материала внутренней поверхности конфузора 12, позволяет устранить скоростное воздействие движущегося потока на цикличность передачи тепла через перегородку 10, а это обеспечивает надежное тепловое равновесие при длительной эксплуатации динамического элемента (см., например, Дмитриев А.И. Биметаллы. Пермь, 1991 - 416 с). Кроме того, шахматное расположение диффузоров 11 и конфузоров 12 приводит к созданию равномерной эпюры скоростей абсорбции с оптимальным тепловым равновесием, а это также в дополнение к эффекту биметалла способствует оптимизации тепломассообмена.
Оригинальность технического решения заключается в том, что выполнение ячейкообразных перегородок из биметалла с целевым распределением элементов материала в 2,5-3,0 кратным превышением коэффициента теплопроводности, устраняет возможность изменения геометрических параметров диффузоров и конфузоров, т.к. устраняется локальное температурное воздействие в адсорбирующем динамическом элементе при перемещении теплового потока в условиях расширяющихся и суживающихся каналов, а это в конечном итоге повышает надежность герметизации гидродинамического уплотнения.