УПЛОТНЕНИЕ ГРЕБНОГО ВАЛА
SEALING OF PROPELLER SHAFT

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано на судах для уплотнения гребных валов, а также в общем машиностроении в качестве уплотнения вращающихся вертикальных и горизонтальных валов насосов.
Известны уплотнения гребных валов, включающие эластичные уплотнительные элементы в виде манжет, закрепленных на корпусе и контактирующих с валом. Эти эластичные элементы при этом подпружинены (авторское свидетельство №232784, F16J 15/54; авторское свидетельство №318766, F16J 15/18).
Однако эти известные уплотнения недолговечны при воздействии на них динамических нагрузок, возникающих при переменных скоростях и направлениях вращения гребного вала из-за износа уплотнительных поверхностей, их перегреве и т.д.
Известно также уплотнение гребного вала в виде упорного кольца и эластичного уплотнительного элемента, образующих своими боковыми стенками торцовое уплотнение. Упорное кольцо расположено со стороны гребного винта и закреплено на гребном валу, а эластичный элемент находится со стороны подшипника и закреплен на неподвижных деталях. Эластичный элемент может также содержать пластинчатую пружину (патент Японии №53-36673, F16J 15/54).
Но это известное уплотнение может воспринимать радиальные перемещения гребного вала и не предназначено для восприятия больших осевых перемещений вала.
Известно также уплотнение гребного вала по авторскому свидетельству №1691224, включающее упорное вращающееся кольцо и подпружиненный эластичный элемент, представляющий собой кольцо, на рабочей поверхности которого выполнены серповидные канавки, обеспечивающие смазку и отвод тепла из зоны трения.
Однако эффективность работы серповидных канавок недостаточно высока из-за невысокой скорости потока прокачиваемой через них жидкости.
Известно также уплотнение вала по патенту №2121096, кл. F16J 15/54, B63H 23/36, принятое за прототип. Уплотнение содержит основное уплотнение, силовой эластичный элемент с зажимным разъемным кольцом и уплотнительным вращающимся антифрикционным кольцом, взаимодействующим с невращающимся уплотнительным антифрикционным кольцом. Вращающееся антифрикционное уплотнительное кольцо выполнено в виде импеллера, образованного просверленными в указанном кольце радиальными и осевыми каналами. В невращающемся уплотнительном антифрикционном кольце выполнены циркуляционные каналы. Основное торцовое уплотнение содержит встроенное аварийное уплотнение, выполненное из двух металлических колец и помещенного между ними эластичного антифрикционного кольца.
Произведенные стендовые испытания данного уплотнения показали, что при потере подвижности невращающегося антифрикционного кольца утечка воды через уплотнение увеличивается. При больших окружных скоростях из-за недостаточного теплоотвода наблюдается нагрев воды в пространстве между аварийным и основным торцовым уплотнением. Конструктивно данное уплотнение достаточно сложно.
Изобретение решает задачу повышения надежности торцового уплотнения путем совершенствования его конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в уплотнении вала, например гребного, содержащего основное уплотнение, силовой эластичный элемент с зажимным разъемным кольцом и уплотнительным вращающимся антифрикционным кольцом, взаимодействующим с невращающимся уплотнительным антифрикционным кольцом, и аварийное уплотнение с опорным кольцом, корпус невращающегося антифрикционного кольца выполнен в виде эластичной вставки с залитой внутрь лепестковой пружиной, являющейся ответной парой силовому эластичному элементу, а опорное кольцо аварийного уплотнения выполнено со скосом, обращенным в сторону торцового уплотнения. Дополнительно уплотнение снабжено трубопроводом прокачки с краном, соединяющим полость уплотнения с полостью дейдвудной трубы.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 представлен продольный разрез уплотнения, установленного на валу; на фиг.2 - аварийное уплотнение во включенном состоянии; на фиг.3 - крепление уплотнения к дейдвудной трубе или корпусу насоса; на фиг.4 - фрагмент лепестковой пружины; на фиг.5 - соединение полости охлаждения торцового уплотнения с полостью охлаждения подшипника гребного вала или насоса.
К дейдвудной трубе 1 или корпусу насоса болтами 2 и шпильками 3 с гайками 4 крепится корпус уплотнения 5 вместе с аварийным уплотнением 6 с невращающейся вставкой 7.
Аварийное уплотнение 6 состоит из опорного кольца 8, имеющего скос в сторону торцового уплотнения 9, нажимного кольца 10, эластичного уплотнительного кольца 11 и стяжных болтов 12.
Торцовое уплотнение 9 состоит из невращающейся эластичной вставки 7, имеющей залитую внутрь лепестковую пружину 13 и антифрикционное кольцо 14; силового эластичного элемента 15, закрепленного на валу зажимным разъемным кольцом 16, стягиваемым болтами 17. На силовой эластичный элемент 15 устанавливается вращающееся металлическое кольцо 18, имеющее на рабочей поверхности керамическую наплавку 19 и удерживаемое от проворачивания штифтами 20.
Натяжное устройство состоит из нажимного кольца 21, шпилек 3, гаек 22 и 23. Установочный натяг эластичного силового элемента 15 обеспечивается путем перемещения нажимного кольца 21 по шпилькам 3 до упора в зажимное кольцо 16, при этом гайки 22 сворачиваются до упора, а гайки 23 вплотную прижаты к нажимному кольцу 21. Отдав болты 17, гайками 23 перемещают нажимное кольцо 21 вместе с зажимным кольцом 16 и силовым эластичным элементом 15 по оси вала на заданную величину. Одновременно с перемещением силового элемента 15 перемещается вдоль оси свободная часть эластичной вставки 6, передавая усилие на залитую лепестковую пружину 13. После установления натяга зажимное кольцо 16 стягивается болтами 17 с усилием, исключающим перемещение силового элемента 15 вместе с зажимным кольцом 16 в обратном направлении. Затем нажимное устройство устанавливают в исходное положение и стопорят гайками 22, 23.
Уплотнение работает следующим образом. При вращении вала вместе с ним вращается силовой эластичный элемент 15 с вращающимся металлическим кольцом 18. Рабочая жидкость по каналам 24 импеллера подводится к уплотняющим поверхностям колец, смазывая и охлаждая их. При совмещении отверстий 24 импеллера с отверстиями 25 в антифрикционном кольце 14 происходит промывка каналов импеллера от механических примесей и сброс тепла во внутреннюю полость уплотнения. Часть каналов в антифрикционном кольце 14 и эластичной вставке 7 соединена трубопроводом прокачки 26 через кран 27 с рабочей полостью дейдвудной трубы или насоса. При совмещении отверстий 24 импеллера с этими каналами происходит перекачивание воды из полости уплотнения в рабочую полость дейдвудной трубы или насоса, обеспечивая тем самым приемлемый температурный режим работы уплотнения в целом.
Площадь эластичной вставки 7, подверженной воздействию рабочей жидкости со стороны дейдвудной трубы или рабочей полости насоса, больше внутренней полости эластичного силового элемента 15, что создает дополнительное усилие прижатия антифрикционного кольца эластичной вставкой 7 к вращающемуся металлическому кольцу 18, обеспечивая надежную герметизацию торцовой поверхности уплотнения. Одновременно с этим эластичная вставка 7 эффективно отслеживает колебания вала во всех направлениях. Этим же свойством обладает и силовой эластичный элемент 15, что в совокупности повышает надежность работы торцового уплотнения и сводит к минимуму утечку воды через уплотняющую торцовую поверхность.
При отказе основного торцового уплотнения и невозможности остановки вала для восстановления утраченного установочного натяга силового элемента (штормовые условия, проход судна узкостями или невозможность быстрой остановки насоса во избежание возникновения аварийной ситуации) вводится в действие аварийное уплотнение 6. Для этого крест-накрест вворачиваются в нажимное кольцо 10 болты 12, что приводит к сжатию эластичного уплотнительного кольца 11 и уменьшению его внутреннего диаметра до диаметра вала (см. фиг.2). Сжатие эластичного уплотнительного кольца 11 производится до тех пор, пока утечка воды не уменьшится до приемлемого в эксплуатации значения.
Аварийное уплотнение предназначено для кратковременной работы, поэтому при первой возможности необходимо восстановить герметичность основного уплотнения, а аварийное уплотнение привести в исходное положение с помощью болтов 12.
При установке уплотнения в кормовой подводной части вала нажимное устройство и аварийное уплотнение не устанавливают.
Преимуществами заявляемой конструкции уплотнения являются следующие:
- благодаря эластичной вставке с залитой лепестковой пружиной упрощается конструкция уплотнения путем исключения промежуточного кольца и невращающегося металлического кольца со штифтами и уплотнительными кольцами;
- эластичная вставка с залитой внутрь лепестковой пружиной вместе с силовым эластичным элементом обеспечивает отслеживание как продольных, так и радиальных перемещений вала во всех направлениях, что снижает утечку воды до минимального значения;
- наличие дополнительной прокачки воды из полости уплотнения в рабочую полость дейдвудной трубы или насоса снижает температурный режим работы уплотнения;
- наличие антифрикционной керамической наплавки на рабочей поверхности вращающегося металлического кольца повышает надежность работы уплотнения в жидкости, содержащей абразивные частицы, что существенно снижает износ рабочих поверхностей трения;
- скос опорного кольца аварийного уплотнения обеспечивает большую внутреннюю площадь контакта со стороны эластичной вставки с рабочей жидкостью по отношению к внутренней площади контакта силового эластичного элемента с рабочей жидкостью, исключает возможность раскрытия уплотняющих поверхностей в процессе работы от воздействия посторонних факторов, например вибрации.
Таким образом, заявляемая конструкция уплотнения вала обладает повышенной надежностью по сравнению с известными аналогичными уплотнениями. Проведенные стендовые испытания на экспериментальном стенде дейдвудных устройств подтвердили правильность заложенных в конструкцию технических решений.