УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
SHAFT SEAL

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано на надводных судах и подводных объектах для уплотнения валов движительных установок, а также в машиностроении в качестве уплотнения вращающихся валов насосов, работающих, прежде всего, в импульсных режимах с длительной готовностью в режиме ожидания.
Известны уплотнения гребных валов судов с предохранительными устройствами (например, см. патент РФ №2143986, B63H 23/36, 1995 и кН.: «Прочность судового оборудования. Конструирование и расчеты прочности судовых валопроводов»: Учебник. В.К. Румб. СПб ГМТУ. 2008). Большинство из них недолговечны при воздействии на них динамических нагрузок или при перегреве.
Известно также уплотнение вала по патенту РФ №2368535, F16J 15/34, B63H 23/24, 2009, принятое за прототип. Конструкция содержит основное уплотнение, силовой эластичный элемент с уплотнительным вращающимся антифрикционным кольцом, взаимодействующим с невращающимся уплотнительным кольцом и образующим с ним торцевое уплотнение и аварийное уплотнение с опорным кольцом, при этом корпус невращающегося уплотнительного антифрикционного кольца выполнен в виде эластичной вставки с залитой внутрь лепестковой пружиной, являющейся ответной парой силовому эластичному элементу.
Конструктивно рассматриваемое уплотнение сложно, а в случае пожара эластичные элементы быстро выйдут из строя (последствия отказа аварийного уплотнения можно проследить на примере гибели АПЛ «Комсомолец»).
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности и устойчивости уплотнения вала путем совершенствования его конструкции, в том числе и за счет использования взаимодействующих уплотнительных элементов из теплостойких материалов, и повышения ремонтопригодности.
Поставленная задача решается тем, что в уплотнении вала, например, гребного подводной лодки, содержащего основное уплотнение, силовой эластичный элемент с уплотнительным кольцевым элементом, взаимодействующим с ответным уплотнительным элементом и образующим с ним торцевой уплотнительный узел и аварийное торцевое уплотнение, согласно изобретению силовой эластичный элемент выполнен в виде неподвижно и герметично закрепленной по внешнему контуру металлической теплостойкой мембраны с расположенным на ее внутреннем, охватывающем вал контуре ответным, жестко закрепленным на валу уплотнительным кольцевым элементом и образующим с ним стояночное, нагруженное внешним усилием торцевое уплотнение повышенной теплостойкости. При этом уплотнение вала включает дистанционно управляемый привод раскрытия стояночного торцевого уплотнения. Аварийное торцевое уплотнение выполнено нормально раскрытым и содержащим температуростойкие взаимодействующие кольцевые уплотнительные элементы на торцевой поверхности входного для вала отверстия и примыкающей к ней торцевой стенке вала, а вал выполнен с возможностью его перемещения вдоль оси и снабжен упорным, воспринимающим внешнее усилие подшипником с устройством аварийного его раскрепления от продольного смещения.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез уплотнения.
К дейдвудной трубе 1 или корпусу насоса болтами 2 или шпильками с гайками крепятся корпус 3 уплотнения и разъемно болтами 4 корпус 5 упорного подшипника с приводным валом 6. Уплотняемый вал 7 с установленным на нем винтом 8 соединен шлицевым или шпоночным соединением 9. Между валами установлен подшипник 10 (в простейшем виде - шар) на самоцентрирующейся обойме 11. В канавки вала 7 вставлены разрезные упоры 12 и 13, соответственно охваченные сферическим упором 14 и кольцом 15 с уплотнителем 16, выполненного из теплостойкого материала. Упор 14 взаимодействует с самоцентрирующейся втулкой 17, сферическая и плоская опорные поверхности которой имеют антифрикционные покрытия 18. Монтажный мини-люфт между упорными подшипниками 10 и 14 регулируется шайбой 19, 20 - грязесъемник.
Основное уплотнение вала - манжеты 21 и 22. Последняя установлена в центре 23 металлической (или из другого материала) мембраны 24. Прилегающая к уплотнителю 16 торцевая часть центра 23 мембраны оформлена в виде ответной части 25 стояночного торцевого уплотнения. Внешний контур мембраны 24 (кольцо 26) уплотнен в корпусе 3 и зафиксирован кожухом 27, в котором установлен подшипник 28 с входным отверстием для вала. Пара элементов 29 и 30 образуют разомкнутое (раскрытое) аварийное уплотнение, при этом уплотнитель 30 выполнен из теплостойкого материала.
1
Закрепленными на глухой стенке корпуса 3 уплотнения вала термостойкими сильфонами 31 и 32 выполнен привод кольцевого упора 33. Начальный зазор δ между упором 33 и центром 23 мембраны определяется высотой кольцевого проставыша 34. К сильфонному приводу по трубопроводу 35 и каналу 36 осуществлен подвод рабочего тела.
Через трубопровод 37 и канал 38 осуществляется связь с не показанной контрольной воронкой для фиксации работоспособности манжеты 22, основного уплотнения 16 и стояночного торцевого уплотнения 25.
2
Начальный зазор δ аварийного торцевого уплотнения регулируется прокладкой 39.
Уплотнение вала работает следующим образом.
2
Внешнее давление через установочный зазор δ и технологический люфт в подшипнике 28 поступает во внутреннюю полость корпуса 27, которая герметизируется манжетой 22 (по крайней мере одной). Стояночное торцевое уплотнение (пара взаимодействующих поверхностей элементов 16 и 25) находится под начальным контактным давлением, определяемым жесткостью мембраны 24 и внешним давлением.
Возникающее вследствие внешнего давления осевое усилие на вал 7 воспринимается подшипником 10 и болтами 4.
1
Перед включением двигательной установки дистанционно раскрывается стояночное уплотнение, для чего по трубопроводу 35 и каналу 36 в корпусе 3 уплотнителя в сильфонный привод (пространство между сильфонами 31 и 32) подается рабочее тело (жидкость или воздух под давлением), вследствие чего кольцевой упор 33 после закрытия зазора δ разгерметизирует стояночное уплотнение (уплотнительные элементы 16 и 25), что обуславливает качественное снижение момента страгивания и момента сопротивления при работе винта 8.
Возможные незначительные протечки внешней воды через манжету 22 герметизируются манжетой 21 и могут быть зафиксированы при сливе через канал 38 и трубопровод 37 в контрольной воронке, находящейся внутри отсека (не показана). При работе двигателя в реверсивном режиме осевой упор на валу за вычетом упора от внешнего давления воспринимается через сферический упор 14 самоцентрирующейся втулкой 17 и корпусом 1.
После остановки двигателя снимается давление рабочего тела в сильфонном приводе, и все элементы уплотнения вала занимают первоначальное положение.
2
В случае выхода из строя манжеты 22 и торцевого стояночного уплотнения при наличии постоянного поступления воды в контрольную воронку ослаблением болтов 4 добиваются перемещения вала 7 внутрь корпуса 1. После закрытия зазора δ начинается работа аварийного уплотнения (элементы 29 и 30), т.е. выполняется аварийное раскрытие упорного подшипника 10.
Следует заметить, что при полном раскреплении болтов 4 возможен демонтаж как двигателя, так и упорного подшипника для их оперативного ремонта.
Таким образом, к преимуществам заявляемого изобретения следует отнести повышенные надежность и устойчивость уплотнения вала (три ступени уплотнения, две из которых представляют собой торцевые конструкции, уплотнительные элементы которых могут быть выполнены из тугоплавких, вплоть до металлических, материалов). При этом ремонт двигателя и упорных подшипников возможен без демонтажа вала гребного винта.