ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА

Торцовое уплотнение вращающегося вала
Полезная модель относится к машиностроению, а именно к торцовым уплотнениям для герметизации вращающихся валов машин и агрегатов.
Известны конструкции уплотнения вращающегося вала, в которых уплотняющий подвижный контакт образован элементами вращающегося и неподвижного узлов (пара трения антифрикционных колец), взаимодействующими по уплотнительному пояску. Пружины в таких конструкциях обеспечивают контакт уплотнительных поверхностей пары трения, так как под действием давления уплотняемой среды, разделительной жидкости и от усилия пружин возникают осевые усилия, прижимающие антифрикционные кольца. (SU, авт. свид. № 176471,1964, F16 J 15/34).
Для того, чтобы пружины не находились в перекачиваемой среде, их располагают за резиновым кольцом внутри обоймы, как, например, в конструкции одинарного торцового уплотнения типа ТМ, производства Нальчикского машиностроительного завода, предназначенного для герметизации вращающихся валов нефтяных магистральных насосов.
Известно, что для снижения удельных давлений в паре трения уплотнения и, следовательно, повышения работоспособности, пара трения должна быть гидравлически разгружена. Для приближенной оценки величины гидравлической разгрузки того или иного уплотнения часто используют так называемый коэффициент гидравлической разгрузки k, равный отношению
2003114609
, iiljiiipilipljtiii|iili i №
- MnK:F16J 15/34
площади действия прижимающего усилия (давлепия) к площади контакта, который для разгруженных уплотнений k  1.
Конструктивно гидравлическая разгрузка производится, например, с помощью ступенчатого вала. В конструкции уплотнения типа ТМ для выполнения условия гидравлической разгрузки пары трения (взаимодействующих по уплотнительному пояску) верхний диаметр уплотнительного пояска должен быть расположен выше балансировочной линии (являющейся продолжением образующей поверхности обоймы неподвижного узла). Поскольку в обойме расположены прижимающие пружины (вынесенные из уплотняемой среды) и ее диаметр достаточно велик, поэтому в данной конструкции уплотняющий поясок и расположен близко к периферии антифрикционного кольца (далеко от поверхности вала). Но такое расположение уплотнительного пояска увеличивает гидравлическое давление внутри уплотнительной пары трения выше допустимого, что резко снижает надежность работы торцового уплотнения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому принята конструкция торцового уплотнения вала, включающая пару трения, состоящую из вращающегося и неподвижного контактных колец (RU, патент № 2001337, F16 J 15/34, 1998). Вращающееся контактное кольцо крепится на валу агрегата путем установки его на резиновом уплотнительном кольце в гильзе, закрепленной на валу. Не вращающееся контактное кольцо пары трения устанавливается на уплотнительном резиновом кольце в обойме (аксиальноподвижной втулке). Аксиально-подвижная втулка устанавливается в корпусе уплотнения и герметизируется воротниковой манжетой, закрепленной в расточке фланца. Фланец с манжетой крепится к корпусу винтами. Необходимый для нормальной работы уплотнения постоянный прижим не вращающееся контактного кольца пары трения к вращающемуся осуществляется равномерно расположенными по окружности пружинами, расположенных в коротких и длинных кольцевых сепараторах.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание гидравлически разгруженной конструкции торцового уплотнения вращающегося вала путем выбора оптимальных размеров диаметра обоймы, ширины уплотняющего пояска и их взаимного расположения, что, в конечном итоге, повыщает надежность работы уплотнения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в торцовом уплотнении вала, содержащем одинарную торцовую ступень, уплотняющий контакт которой образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами вращающегося узла, включающего гильзу с установленным в нем уплотнительным антифрикционным кольцом, и неподвижного узла, состоящего из второго уплотнительного антифрикционного кольца, установленного в аксиально-подвижной обойме, зафиксированной во фланце корпуса агрегата, и поджатое расположенными по окружности пружинами, заключенными в кольцевой сепаратор, диаметр обоймы выполнен минимально возможным для передачи усилий сжатия
пружин, а коэффициент гидравлической разгрузки пары антифрикционных колец составляет 0,7 - 0,8.
Коэффициент гидравлической разгрузки определяется по формуле: k  D2 - d / D2 - DI, где DI - диаметр до нижней границы уплотняющего пояска, D2 - диаметр до верхней границы уплотняющего пояска, d - диаметр обоймы, или по формуле (что идентично): k  а / Ь, где а - расстояние от образующей поверхности обоймы до поверхности верхнего диаметра уплотнительного пояска, b - ширина уплотнительного пояска.
В варианте выполнения уплотнение содержит аналогичную первой описываемой конструкции вторую одинарную торцовую ступень, размещенную последовательно с первой ступенью так, что фланцы ступеней образуют герметичную камеру, в которую подана разделительная жидкость.
На фиг. 1 представлено торцовое уплотнение (одинарное) вращающегося вала (продольный разрез); на фиг. 2 - двойное торцовое уплотнением типа «Тандем (продольный разрез).
Через корпус агрегата проходит вращающийся вал, отделенный от корпуса торцовым уплотнением. Одинарное торцовое уплотнение (фиг. 1) состоит из вращающихся и не вращающихся элементов. Вращающиеся элементы уплотнения включают в себя гильзу 1 с установленным в нем уплотнительным антифрикционным кольцом 2, зафиксированное в гильзе при помощи отгибной лапки. Гильза 1 закрепляется на валу агрегата при помощи полуколец 3 и винтов 4. Для фиксации положения гильзы 1 относительно фланца 5 при
монтаже на валу насоса служит фиксатор 6, Не вращающиеся элементы уплотнения, состоящие из обоймы 7, кольцевого сепаратора 8 и уплотнительного антифрикционного кольца 9, выполнены аксиальноподвижными. Пружины 10 расположены по окружности внутри кольцевого сепаратора 8 и обеспечивают предварительное поджатие уплотнительных колец 2, 9. Кольцо 9 фиксируется в обойме 7 при помощи отгибной лапки. Кольцевой сепаратор 8 надевается на обойму 7 и фиксируется выступом на обойме. Кольцевой сепаратор 8, в свою очередь, фиксируется во фланце 5 при помощи штифта 11. Для поджатия пружин 10 на фланце 5 устанавливается и крепится винтами 12 крышка 13. Герметизация элементов уплотнения в подвижных и неподвижных соединениях осуществляется с помощью резиновых колец круглого сечения.
Торцовое уплотнение (фиг. 2) типа «Тандем состоит из вращающихся и не вращающихся элементов, образующих две одинарные торцовые ступени (контурную и атмосферную), размещенные последовательно. Вращающиеся элементы уплотнения включают в себя гильзу 14 и импеллер 15, с установленными в них уплотнительными антифрикционными кольцами 16, 17. Кольцо 16 фиксируется в гильзе 14 при помощи отгибной лапки, а кольцо 17 в импеллере - при помощи штифта 18. Импеллер установлен на гильзе и зафиксирован при помощи штифтов 19. Гильза 14 закрепляется на валу агрегата при помощи полуколец 20 и винтов 21, Для фиксации положения гильзы 14 относительно фланца 22 при монтаже на валу насоса служит 5
фиксатор 23. He вращающиеся элементы уплотнения, состоящие из обойм 24 и 25, с установленными в них уплотнительными антифрикционными кольцами соответственно 26 и 27, вынолнены аксиально-подвижными. Пружины 28 и 29, обеспечивающие предварительное поджатие уплотнительных колец 26 и 27, расположены соответственно в отверстиях обоймы 24 и кольцевого сепаратора 30. Кольца 26 и 27 фиксируется в обоймах 24 и 25 при помощи отгибных лапок. Обойма 24 фиксируется от проворота во фланце 22, а обойма 25 - во фланце 31 через кольцо 30 штифтами 32. Фланцы 22, 31 и 33 образуют герметичную камеру 34, в которую подается разделительная жидкость. Во фланцах выполнены резьбовые отверстия, в которые при монтаже устанавливаются штуцера 35 для подачи и отвода разделительной жидкости.
Торцовое уплотнение вращающегося вала работает следующим образом.
При работе агрегата вращение от вала через гильзу 1 (или 14) передается вращающемуся контактному антифрикционному кольцу 2 (или кольцам 16, 17). Крутящий момент, возникающий на невращающемся антифрикционном кольце 9 (или на кольцах 26 , 27) от вращающегося кольца пары, воспринимается корпусом уплотнения через штифты аксиально-подвижной обоймы, штифты, кольцевой сепаратор. Под действием давления уплотняемой среды или от разделительной жидкости, а также от сжимающего усилия пружин 10 (или 28, 29) возникают осевые силы, прижимающие антифрикционные кольца друг к другу и к опорным пояскам гильзы и обойме, обеспечивая герметичность контакта пары трения антифрикционных колец. 6
Образующиеся жидкостные пленки в минимальном зазоре между антифрикционными кольцами способствуют уменьшению сил трения и препятствуют утечке уплотняемой среды.
При значении диаметра DI до нижней границы уплотняющего пояска 63 мм, диаметра D2 до верхней границы уплотняющего пояска 71 мм, диаметр d обоймы будет равен: d  65 мм (0,75  71 -d/71 -63, здесь k  0,75). Аналогично, при ширине b уплотнительного пояска b  4 мм (р2 - DI), расстояние а от образующей поверхности обоймы до поверхности верхнего диаметра уплотнительного пояска а  6 мм (0,75  3/4).
Использование указанных формул (с линейной зависимостью входящих в него значений) для расчета размеров элементов уплотнения позволяет исключить неоднозначность конечного результата при разных значениях, входящих в него составляющих.
Диаметр подпружиненной обоймы при таких конструктивных исполнениях имеет наименьшую толщину (максимально приближен к валу), определяемую только условием передачи усилий сжатия пружин, что позволяет иметь оптимально гидравлически разгруженную пару трения уплотнения и одновременно иметь вынесенные из уплотняемой среды прижимающие пружины, а в конструкции уплотнения типа «Тандем - в разделительной жидкости (например, масле). Данное техническое решение позволяет повысить надежность работы уплотнения и может быть использовано при изготовлении и модернизации торцовых уплотнений вращающегося вала агрегатов.