Бесконтактное гидростатическое уплотнение вращающегося вала
CONTACTLESS HYDROSTATIC SEAL FOR ROTARY SHAFT

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к уплотнению вращающихся валов в машинах и аппаратах, работающих под незначительным давлением газа, и может быть преимущественно использовано в главных циркуляционных насосах для ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем (натрий, свинец, свинец-висмут).
Известно бесконтактное гидростатическое уплотнение вращающегося вала (Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. Ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с., ил., стр. 406-407), представляющее собой классический гидравлический затвор (далее -гидрозатвор), в котором для создания противодавления рабочей среде (жидкости, газу) используется гидростатическое давление затворной жидкости. Такие гидрозатворы применяются лишь на малых перепадах давлений сред.
Известно уплотнение вращающегося вала (Патент № US 6464227 В1, опубл. 15.10.2002), представляющее собой гидрозатвор, состоящий из неподвижного и подвижного элементов. Неподвижным элементом является установленный на неподвижной поверхности кольцевой контейнер, выполненный в форме чашеобразного цилиндра, заполненный затворной жидкостью с вязкостью, не отличающейся от вязкости воды, а подвижным элементом - установленный на вращающемся валу контейнер, выполненный в форме перевернутого вверх дном стакана, стенки которого частично погружены в затворную жидкость. Гидрозатвор образован стенками этих контейнеров и затворной жидкостью. Ввиду возможности утечки через столб жидкости в виде пузырьков газа кольцевой контейнер имеет горизонтальные и вертикальные перегородки. Наличие горизонтальных перегородок позволяет уменьшать перемешивание затворной жидкости и утечку через столб жидкости пузырьков газа. Наличие вертикальных перегородок позволяет предотвращать вращение затворной жидкости и образование вследствие этого турбулентного потока затворной жидкости, способствующего дополнительной утечке газа через уплотнение.
Недостатком вышеуказанных гидрозатворов является весьма ограниченный диапазон рабочих давлений, обусловленный значительными массогабаритными характеристиками. Предельная величина перепада давления для гидрозатворов зависит от плотности затворной жидкости и размеров уплотнения. По практическим причинам высота уплотнения, описанного выше, редко превышает 1 м. Например, при применении воды в качестве затворной жидкости для компенсации избыточного давления более 0,01 МПа потребуется уплотнительный узел более 1 м высотой.
Задачей, положенной в основу изобретения, является дальнейшее усовершенствование уплотняющего устройства, устранение недостатков аналогов, в том числе улучшение массогабаритных характеристик при одновременном повышении технологичности конструкции, а также надежности и эффективности уплотнения.
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция бесконтактного гидростатического уплотнения вращающегося вала (далее - уплотнение), выполненная из двух частей: установленной на корпусе аппарата подвижной кольцевой ванны с затворной жидкостью и неподвижного стакана, которые в собранном уплотнении своими стенками
образуют две смежные гидрозатворные камеры с подкупольной полостью между ними с возможностью нагнетания и поддержания в ней давления сжатого газа. Уплотнение представляет собой комбинированный гидрозатвор, состоящий из гидрозатвора с наддувом, который препятствует прохождению внутренней среды аппарата в окружающую среду, и гидрозатвора гравитационного, который в свою очередь герметизирует полость наддува.
Согласно изобретению:
неподвижная кольцевая ванна выполнена с внутренней емкостью, разделенной на две части промежуточной цилиндрической стенкой;
стенки неподвижной кольцевой ванны имеют множество вертикальных и/или горизонтальных перегородок, предотвращающих вращение и перемешивание затворной жидкости, и образование вследствие этого турбулентного потока затворной жидкости, способствующего дополнительной утечке газа через уплотнение;
в дне кольцевой ванны выполнено отверстие и соответствующая полость для возможности подвода и отвода сжатого инертного газа, а внутри промежуточной цилиндрической стенки кольцевой ванны равномерно по окружности выполнены отверстия для перепуска газа;
подвижный стакан жестко и герметично закреплен перевернутым вверх дном на вращающемся валу;
подвижный стакан выполнен заедино с промежуточной цилиндрической стенкой, разделяющей его внутреннюю емкость на две части;
трубчатые электронагреватели размещены равномерно по окружности внутри внешней стенки кольцевой ванны;
имеются две теплозащиты, одна размещена равномерно по окружности внутри внутренней стенки кольцевой ванны, а другая - внутри внешней стенки кольцевой ванны.
В частном случае реализации в качестве затворной жидкости целесообразно использовать расплавленные эвтектические сплавы, т.к. такая затворная жидкость имеет большую плотность и позволяет компенсировать большее избыточное давление в аппарате. Применение эвтектических сплавов также позволяет использовать предлагаемое уплотнение в аппаратах, имеющих значительно большую рабочую температуру газа.
В частном случае реализации в конструкцию уплотнения может входить оборудование для контроля и обеспечения параметров затворной жидкости.
В частном случае реализации конструкция уплотнения может быть выполнена без электронагревателей и теплозащиты.
В частном случае реализации конструкция уплотнения может быть выполнена без перегородок, или только с вертикальными перегородками, или только с горизонтальными перегородками.
В частном случае реализации конструкция уплотнения может быть выполнена и для уплотнения неподвижных соединений.
В альтернативном варианте исполнения конструкция уплотнения может быть выполнена также из двух частей: кольцевой ванны, частично заполненной затворной жидкостью, но жестко и герметично насаженной на вращающийся вал, и стакана, неподвижно и герметично установленного перевернутым вверх дном на корпусе аппарата.
Технический результат заключается в снижении высоты столбов затворной жидкости (по отношению к классическому устройству) и, соответственно, увеличении диапазона давлений в аппарате, при котором целесообразно применять предлагаемое уплотнение.
При использовании настоящего изобретения одновременно достигаются следующие дополнительные технические результаты:
- повышение технологичности конструкции;
- повышение надежности и эффективности уплотнения.
Технический результат достигается за счет:
- выполнения неподвижной кольцевой ванны и подвижного стакана разделенными каждый на две емкости, которые в собранном устройстве образуют обращенными друг к другу внутренними полостями две уплотнительные гидрозатворные камеры комбинированного гидрозатвора, что позволяет снизить высоту столбов затворной жидкости (по отношению к классическому устройству) в два раза и соответственно, расширить диапазон рабочих давлений, тем самым улучшая массогабаритные характеристики устройства;
- наличия отверстия и полости в дне и отверстий в промежуточной стенке неподвижной кольцевой ванны для подвода/отвода сжатого газа, что обеспечивает возможность поддержания избыточного давления инертного газа в газовой полости, образованной между двумя гидрозатворными камерами;
- установки трубчатых электронагревателей и теплозащиты, что позволяет использовать в качестве затворной жидкости еще и эвтектические сплавы, что позволяет компенсировать большее избыточное давление в аппарате и одновременно повышает технологичность устройства;
- наличия вертикальных перегородок, которые препятствуют вращению затворной жидкости и уменьшают образование вследствие этого турбулентного потока затворной жидкости (образование завихрений), способствующего дополнительной утечке газа через уплотнение, что одновременно повышает надежность и эффективность герметизации;
- наличия горизонтальных перегородок, которые позволяют уменьшать перемешивание затворной жидкости и утечку через гидравлический затвор в виде пузырьков газа, что опять же одновременно повышает надежность и эффективность уплотнения;
- отсутствия какого-либо механического контакта между элементами уплотнения, что повышает его технологичность и эффективность.
Заявляемое изобретение, в частном случае реализации, поясняется следующими чертежами, представленными на фиг. 1-4:
фиг. 1 - общий вид (осевой разрез) предлагаемого уплотнения;
фиг. 2 - схематичное изображение (осевой разрез) предлагаемого уплотнения, иллюстрирующее его работу;
фиг. 3 - схематичное изображение (осевой разрез) гидрозатвора, иллюстрирующее его работу;
фиг. 4 - схематичное изображение (осевой разрез) альтернативного исполнения предлагаемого уплотнения, иллюстрирующее его работу.
Бесконтактное гидростатическое уплотнение вращающегося вала (фиг. 1) содержит подвижный стакан 1, неподвижную кольцевую ванну 2 с затворной жидкостью 3 и 4, трубчатые электронагреватели 5 и теплозащиты 6 и 7.
Подвижный стакан 1 жестко и герметично насажен перевернутым вверх дном на вращающемся валу 8. Подвижный стакан 1, выполненный заедино, имеет внешнюю и промежуточную цилиндрические стенки, соединенные между собой общим дном. Подвижный стакан 1 имеет осевое отверстие под вал 8, поверхность которого выполняет функцию внутренней стенки. Промежуточная цилиндрическая стенка расположена на некотором расстоянии от внешней и разделяет внутреннюю емкость подвижного стакана 1 на две части.
Неподвижная кольцевая ванна 2 герметично установлена на корпусе 9 аппарата. Кольцевая ванна 2 имеет внутреннюю, внешнюю и промежуточную цилиндрические стенки, равные по высоте и соединенные между собой общим дном. Кольцевая ванна 2 выполнена с осевым отверстием, предназначенным для ее сопряжения с зазором с вращающимся валом 8 аппарата. Промежуточная цилиндрическая стенка размещена на некотором расстоянии от внешней стенки и разделяет внутреннюю емкость кольцевой ванны 2 на две части, которые частично заполнены затворной жидкостью 3 и 4. Таким образом, кольцевая ванна 2 в осевом сечении имеет фасонный Ш-образный профиль. Для подвода и отвода сжатого инертного газа в дне кольцевой ванны 2 выполнены отверстие 10 и соответствующая полость 11, а внутри промежуточной цилиндрической стенки кольцевой ванны 2 равномерно по окружности выполнены отверстия 12.
На всех поверхностях цилиндрических стенок кольцевой ванны 2, которые соприкасаются с затворной жидкостью 3 и 4, выполнено множество прямоугольных вертикальных 13 перегородок, равномерно распределенных по окружности, и кольцевых горизонтальных 14 перегородок, равномерно распределенных по высоте цилиндрических стенок. Вертикальные 13 перегородки предназначены для предотвращения вращения затворной жидкости 3 и 4 и образования вследствие этого турбулентного потока затворной жидкости, способствующего дополнительной утечке газа через уплотнение. Горизонтальные 14 перегородки предназначены для предотвращения перемешивания затворной жидкости 3 и 4, и для уменьшения утечки через гидрозатворы в виде пузырьков газа.
Трубчатые электронагреватели 5 размещены равномерно по окружности внутри внешней стенки кольцевой ванны 2 и предназначены для расплавления эвтектического сплава и поддержания его в жидком состоянии.
Уплотнение имеет, в частном случае, две теплозащиты, теплозащиту 6 и теплозащиту 7.
Теплозащита 6 установлена равномерно по окружности внутри внутренней стенки кольцевой ванны 2 и предназначена для тепловой защиты вала 8.
Теплозащита 7 установлена равномерно по окружности внутри внешней стенки кольцевой ванны 2 с внешней стороны от трубчатых электронагревателей 5 и предназначена для поддержания допустимой температуры на внешней поверхности кольцевой ванны 2.
В собранном уплотнении цилиндрические стенки подвижного стакана 1 оказываются погруженными в неподвижную кольцевую ванну 2 между ее стенками таким образом, что перемежающимися цилиндрическими стенками образованы две смежные гидрозатворные камеры, представляющие собой U-образные в осевом сечении кольцевые секции, частично заполненные затворной жидкостью 3 и 4, и представляющие собой отдельные гидрозатворы. Гидрозатвор, образованный затворной жидкостью 3, представляет собой гидрозатвор с наддувом, а гидрозатвор, образованный затворной жидкостью 4, представляет собой гидрозатвор гравитационный. При этом между этими двумя гидрозатворами образована подкупольная газовая полость А, в которую через отверстие 10, полость 11 и отверстия 12 имеется возможность нагнетать и поддерживать избыточное давление инертного газа. Таким образом, находящаяся в кольцевой ванне 2 затворная жидкость 3 и 4 с газовой полостью А образуют комбинированный гидрозатвор, препятствующий утечке газовой среды из внутренней полости Б аппарата в окружающую среду В.
В данном частном случае выполнения полость кольцевой ванны 2 заполнена эвтектическим сплавом, а именно сплавом висмут-олово, край которой от окислений со стороны окружающей среды защищен в частности слоем защитной жидкости ПФМС-4. Для лучшего сцепления рабочих поверхностей кольцевой ванны 2 и цилиндрических стенок подвижного стакана 1 со сплавом рабочая часть цилиндрических стенок  подвижного стакана 1 выполнена из никелевого листа, а внутренняя поверхность кольцевой ванны 2 облицована никелевыми листами. Надежность сцепления сплава висмут-олово с никелем подтверждена стендовыми испытаниями.
Альтернативный вариант осуществления изобретения (схематичное изображение которого представлено на фиг. 4) может быть выполнен в виде комбинированного гидрозатвора, в котором стакан 15 герметично и неподвижно установлен перевернутым вверх дном на корпусе 9 аппарата, а кольцевая ванна 16, частично заполненная затворной жидкостью 17 и 18, жестко и герметично насажена на вращающийся вал 8.
Стакан 15 выполнен без промежуточной цилиндрической стенки и имеет отверстие в дне, предназначенное для подвода и отвода инертного газа в полость А.
Кольцевая ванна 16, выполненная заедино, имеет внешнюю и промежуточную цилиндрические стенки, равные по высоте и соединенные между собой общим дном. Кольцевая ванна 16 имеет осевое отверстие под вал 8, поверхность которого выполняет функцию внутренней стенки. Промежуточная цилиндрическая стенка расположена на некотором расстоянии от внешней и разделяет внутреннюю емкость кольцевой ванны 16 на две части.
В частных случаях реализации на всех поверхностях цилиндрических стенок кольцевой ванны 16, которые соприкасаются с затворной жидкостью 17 и 18, выполнены аналогично описанным в предлагаемом изобретении прямоугольные вертикальные 13 перегородки, равномерно распределенные по окружности, и/или кольцевые горизонтальные 14 перегородки, равномерно распределенные по высоте цилиндрических стенок.
В собранном уплотнении альтернативного варианта цилиндрические стенки стакана 15 оказываются погруженными в неподвижную кольцевую
ванну 16 между ее стенками таким образом, что перемежающимися цилиндрическими стенками образованы две смежные гидрозатворные камеры, представляющие собой U-образные в осевом сечении кольцевые секции, частично заполненные затворной жидкостью 17 и 18, и представляющие собой отдельные гидрозатворы. Гидрозатвор, образованный затворной жидкостью 17, представляет собой гидрозатвор с наддувом, а гидрозатвор, образованный затворной жидкостью 18, представляет собой гидрозатвор гравитационный. При этом между этими двумя гидрозатворами образована подкупольная газовая полость А, в которую через отверстие в дне стакана 15 имеется возможность нагнетать и поддерживать избыточное давление инертного газа. Таким образом, находящаяся в кольцевой ванне 16 затворная жидкость 17 и 18 с газовой полостью А образуют комбинированный гидрозатвор, препятствующий утечке газовой среды из внутренней полости Б аппарата в окружающую среду В.
Уплотнение работает следующим образом.
Уплотнение в сборе устанавливают на вращающемся валу 8, приводимым в движение двигателем (не показан).
Перед началом работы вещество, которое будет использовано в качестве затворной жидкости 3 и 4 (в частном случае выполнения это эвтектический сплав), находится в твердом состоянии. Включают трубчатые электронагреватели 5, которые нагревают уплотнение, расплавляя эвтектический сплав, находящийся в обеих частях кольцевой ванны 2. Только после расплавления эвтектического сплава приводят вал 8 аппарата во вращение. Через отверстие 10 в полость 11 и отверстия 12 в полость А нагнетают и затем поддерживают избыточное давление инертного газа при помощи технологической газовой системы (не показана).
Объем затворной жидкости 3 и 4 и давление инертного газа, поддерживаемое в полости А, выбирают таким образом, чтобы во всех режимах работы уплотнения не происходило переливание затворной жидкости 3 и 4 в окружающую среду или аппарат.
Затворная жидкость 3 и 4 в полости уплотнения находится в сложном движении, как в осевом, так и в радиальном направлении. Вертикальные 13 перегородки и кольцевые горизонтальные 14 перегородки существенно изменяют картину ее течения.
Гидростатическое уравновешивание столба затворной жидкости 3 гидрозатвора с наддувом происходит в соответствии с давлением газовой среды во внутренней полости Б аппарата и давлением инертного газа в полости А. В зависимости от давления газовой среды во внутренней полости Б аппарата распределение затворной жидкости 3 в данном гидрозатворе изменяется, то есть высоты столбов затворной жидкости в гидрозатворе меняются.
Гидростатическое уравновешивание столба затворной жидкости 4 гидрозатвора гравитационного происходит в соответствии с давлением окружающей среды В и давлением инертного газа в полости А. Так как давление окружающей среды В постоянное и давление в полости А поддерживают также постоянным, то распределение затворной жидкости 4 в данном гидрозатворе постоянное, то есть высоты столбов затворной жидкости в гидрозатворе не изменяются.
При этом следует отметить, что при изменении распределения затворной жидкости 3 в уплотнении происходит или уменьшение или увеличение объема полости А, поэтому при поддержании давления в этой полости и предусмотрена как возможность нагнетания, так и возможность сброса давления инертного газа, осуществляемые через отверстие 10, полость 11 и отверстия 12.
Таким образом надежно обеспечивается уплотнение вращающегося вала 8 и образованный затворной жидкостью 3 гидрозатвор с наддувом препятствует утечке газовой среды из внутренней полости Б через уплотнение в окружающую среду В, а образованный затворной жидкостью 4 гидрозатвор гравитационный препятствует утечке инертного газа, находящегося под избыточным давлением в полости А, в окружающую среду В.
Описанное гидростатическое уравновешивание и соответствующее ему распределение затворной жидкости 3 и 4 в предлагаемом уплотнении при отсутствии избыточного давления и при рабочем давлении в аппарате проиллюстрировано на фиг. 2.
Классическое гидростатическое уравновешивание и соответствующее ему распределение затворной жидкости при отсутствии избыточного давления и при рабочем давлении в аппарате проиллюстрировано на фиг. 3.
Уплотнение альтернативного исполнения, представленное на фиг. 4, работает аналогично предлагаемому уплотнению.
Гидростатическое уравновешивание столба затворной жидкости 17 гидрозатвора с наддувом происходит в соответствии с давлением газовой среды во внутренней полости Б аппарата и давлением инертного газа в полости А. В зависимости от давления газовой среды во внутренней полости Б аппарата распределение затворной жидкости 17 в данном гидрозатворе изменяется, то есть высоты столбов затворной жидкости в гидрозатворе меняются.
Гидростатическое уравновешивание столба затворной жидкости 18 гидрозатвора гравитационного происходит в соответствии с давлением окружающей среды В и давлением инертного газа в полости А. Так как давление окружающей среды В постоянное и давление в полости А поддерживают также постоянным, то распределение затворной жидкости 18 в данном гидрозатворе постоянное, то есть высоты столбов затворной жидкости в гидрозатворе не изменяются.
При изменении распределения затворной жидкости 17 в уплотнении происходит или уменьшение или увеличение объема полости А, и поэтому для поддержания давления в этой полости предусмотрена как возможность нагнетания, так и возможность сброса давления инертного газа, осуществляемые через отверстие в дне стакана 15.
Преимущество выбора предлагаемого технического решения подтверждается следующим расчетом.
н
н
От величины давления наддува р зависит распределение затворной жидкости в гидрозатворах. Для одинакового распределения затворной жидкости в обоих гидрозатворах при рабочем давлении в аппарате давление наддува р целесообразно выбрать равным:
где р - максимальное избыточное давление в аппарате.
Пусть:
о
Р=0,
o
где р - избыточное давление снаружи аппарата.
Максимальное избыточное давление в аппарате при работе с предлагаемым уплотнением:
2
1
где: Δh=h-h - разница высот столбов затворной жидкости для комбинированного гидрозатвора;
1
h - высота малых столбов затворной жидкости для комбинированного гидрозатвора;
2
h - высота больших столбов затворной жидкости для комбинированного гидрозатвора;
ρ - плотность затворной жидкости;
g - ускорение свободного падения.
Подставляем (1) в (2) и получаем:
Максимальное избыточное давление в аппарате при работе с гидрозатвором:
где: р' - максимальное избыточное давление в аппарате при работе с гидрозатвором;
- разница высота столбов затворной жидкости для гидрозатвора.
- высота малого столба затворной жидкости для гидрозатвора;
- высота большого столба затворной жидкости гидрозатвора.
При Δh=Δh' из формул (3) и (4) имеем:
При р=р' из формул (3) и (4) имеем:
Таким образом, при одинаковой высоте столбов затворной жидкости использование предложенного уплотнения с комбинированным гидрозатвором позволяет компенсировать вдвое большое избыточное давлении в аппарате по отношению к устройству с гидрозатвором. Соответственно с другой стороны, использование предлагаемого уплотнения позволяет почти вдвое снизить разницу высот столбов затворной жидкости (а соответственно и снизить высоту всего уплотнения) по отношению к устройству с гидрозатвором для компенсации такого же избыточного давления.
Предлагаемая конструкция уплотнения позволяет существенно снизить высоту столба затворной жидкости, что обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик устройства, и соответственно расширяет диапазон рабочих давлений, при котором целесообразно применять такого типа уплотнения. В сравнении с аналогами предлагаемое устройство более технологично в конструктивном исполнении при одновременном обеспечении эффективной и надежной герметизации вращающегося вала.