УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ МОДУЛЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
CENTRIFUGAL PUMP AIRTIGHT SEALING MODULE

Изобретение относится к области насосостроения, а именно к подвижным механическим уплотнениям центробежных насосов, которые предназначены для использования в составе насосного оборудования, в том числе в центробежных насосах, на которое воздействуют как нейтральные, так и химически агрессивные жидкости (вода, пластовая жидкость, нефть, газ, сжиженный газ, агрессивные жидкости, в том числе коррозионно-активные, токсичные и взрывопожароопасные жидкости, как содержащие, так и не содержащие механические примеси, и может быть использовано в нефтяной, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, теплоэнергетической промышленности, коммунальном хозяйстве, водоснабжении, отоплении, водоотведении, в том числе для отведения промышленных и бытовых стоков.
Уплотнительный модуль предназначен для уплотнения подвижных соединений, может быть патронного типа. Применяется для герметизации и предотвращения утечек жидкости из рабочей полости центробежного насоса между неподвижной частью (корпусом) и вращающимся валом насоса.
Для перекачивания рабочих сред, являющихся токсичными, агрессивными, взрывопожароопасными, а также содержащих твердые механические включения используют двойные торцевые уплотнения.
Из уровня техники известны двойные торцевые уплотнения, серийно выпускаемые такими фирмами как John Crane (США), Eagle Burgmann (Германия), НПЦ АНОД, ООО НПК ГЕРМЕТИКА, ЗАО ТРЭМ Инжиниринг и др. Выпускаемые данными компаниями уплотнения могут изготавливаться под те или иные конкретные требования эксплуатации, но универсального решения нет.
Недостатками таких уплотнений являются: необходимость подвода чистой затворной и/или охлаждающей жидкости в камеру уплотнения; необходимость обслуживания и постоянного контроля, как следствие, увеличение эксплуатационных затрат; чувствительность к режимам работы (вибрация, осевой люфт вала); сложность настройки или отсутствие такой возможности, когда это необходимо. Применение указанных уплотнений в торцевых подвижных соединениях, имеющих возможность увеличения осевого люфта вала в процессе эксплуатации, также снижает его надежность, т.к. поперечные перемещения уплотнительных элементов быстро выводят их из строя.
Из уровня техники также известно устройство для защиты механического уплотнения (ЕР 0265264 A3, 27.04.1988.), установленного между вращающимся валом насоса и корпусом насоса, через который проходит вал. Защитное устройство содержит первое уплотнительное кольцо, закрепленное на валу и имеющее первую уплотнительную поверхность, второе плавающее уплотнительное кольцо, имеющее вторую уплотнительную поверхность напротив первой уплотнительной поверхности, гибкую кольцевую диафрагму, которая соединяет второе уплотнительное кольцо с корпусом насоса и которая обеспечивает ограниченное осевое перемещение второго уплотнительного кольца в направлении первого уплотнительного кольца и от него. Комбинация уплотнительных колец и диафрагма, образуют один конец отделения для служебной жидкости, другой конец которого образуется механическим уплотнением. Данное устройство принято за прототип.
Недостатком данной конструкции устройства для защиты уплотнения является невозможность его исполнения в форме съемного модуля. Вторым недостатком данной конструкции является необходимость подвода извне в камеру уплотнения чистой затворной жидкости, необходимость постоянного контроля за наличием и давлением затворной жидкости в камере между торцовыми уплотнениями. Кроме того, при подводе затворной жидкости извне, не происходит автоматического выравнивания давления на первом уплотнении, что также требует постоянного контроля и нуждается в принудительном охлаждении или циркуляции жидкости, как следствие, увеличиваются эксплуатационные затраты.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение ресурса, повышение надежности уплотнения подвижного соединения при отсутствии необходимости его обслуживания и подвода затворной и охлаждающей жидкостей, а также обеспечение возможности применения в составе модуля разных по техническим характеристикам одинарных торцовых уплотнений, и возможности применения самого модуля в насосе как со стороны нагнетания, так и со стороны всасывания.
Указанный технический результат достигается при использовании в конструкции уплотнительного модуля встроенной герметичной маслонаполненной камеры, стенки которой сформированы эластичной диафрагмой, изготовленной, преимущественно, из резиновых смесей, подобранных в зависимости от условий и характеристик перекачиваемой среды. Объем уплотнительной жидкости (масла) в камере рассчитан на весь срок службы, поэтому уплотнительный герметичный модуль не требует постоянного контроля и подвода затворной и охлаждающей жидкости.
Торцовые уплотнения расположены внутри герметичной маслонаполненной камеры, что обеспечивает длительную работу торцовых уплотнений в чистой среде с хорошими смазывающими свойствами и повышает надежность работы уплотнительного герметичного модуля. Герметичность маслонаполненной камеры обеспечивается торцовыми уплотнениями и диафрагмой, закрепленной на корпусе и опоре подшипника с помощью хомутов, обеспечивающих плотное равномерное кольцевое обжатие. Надежность разделения сред обеспечивается за счет автоматического выравнивания давлений снаружи и внутри маслонаполненной камеры, то есть, практически отсутствует перепад давления на первой (внутренней) паре трения, контактирующей с перекачиваемой средой, либо давление внутри камеры незначительно превышает давление перекачиваемой жидкости за счет упругости эластичной диафрагмы, что создает наиболее благоприятные условия работы пары трения, при этом работа второго уплотнения (второй пары трения), наиболее нагруженного, происходит всегда только в чистой среде.
Эффективный отвод тепла, выделяемого в процессе работы (трения) торцовыми уплотнениями обеспечивается за счет того, что встроенная маслонаполненная камера постоянно снаружи омывается перекачиваемой жидкостью, что исключает перегрев как самих торцовых уплотнений, так и перегрев или вскипание уплотнительной жидкости. В конструкции уплотнительного модуля, за счет наличия герметичной маслонаполненной камеры, могут быть использованы одинарные торцовые уплотнения. Это обеспечивает надежность и простоту установки и применения серийных одинарных торцовых уплотнений, в отличие от двойного торцового уплотнения.
Универсальность уплотнительного модуля заключается в возможности установки его в насосе как на стороне всасывания, так и на стороне нагнетания без изменения. Такая универсальность обеспечивается за счет конструкции патронного типа - наличие собственного вала, подшипников, одинарных торцовых уплотнений, защищенных эластичной диафрагмой, формирующей герметичную маслонаполненную камеру, простой схемы сборки и фиксации применения; фланцевой компоновки и наличия собственных опор.
Простота сборки уплотнительного модуля дает возможность легкого подбора и замены технических характеристик составных деталей и узлов (торцовых уплотнений) в зависимости от рабочих параметров насоса и перекачиваемой жидкости и (давления в насосе, рабочей температуры, химического состава, вязкости перекачиваемой жидкости, мощности насоса и др.).
Уплотнительный модуль состоит из двух простых одинарных уплотнений (одинаковых или разных в зависимости от свойств и параметров перекачиваемой среды (хим. состав, температура, давление, вязкость и др.), установленных на валу внутри камеры, которая формируется из эластичной диафрагмы в форме тела вращения, одним концом жестко закрепленного на корпусе подшипника скольжения с помощью хомута, обеспечивающего равномерное кольцевое обжатие уплотнительного воротника диафрагмы, другим концом также жестко соединенного с другой опорой подшипника (качения) с помощью хомута, герметично отделяющего внутреннюю камеру, заполненную нейтральной чистой жидкостью (масло или др.) от внешнего пространства, омываемого перекачиваемой жидкостью. В герметичной камере обеспечено более высокое давление (за счет первоначальной закачки масла в камеру с давлением +0,1-0,2 МПа и упругих свойств диафрагмы), чем перед первым уплотнением, контактирующем с перекачиваемой жидкостью, что не позволяет (исключает возможность) частицам, находящимся в перекачиваемой жидкости, проникнуть между уплотнительными кольцами (в пару трения) уплотнения, даже при микро раскрытии уплотнения.
Эластичная диафрагма может иметь наружный и/или внутренний защитный экран, предохраняющий ее как от механического воздействия, так и от излишнего сжатия внешним давлением при возможных пульсациях или в процессе длительной эксплуатации и обеспечивающий, как вариант, механическую жесткость конструкции маслонаполненной камеры (патрона) и соосность расположения торцовых уплотнений за счет наличия подшипниковых опор. Уплотнительный модуль имеет вал и собственные опоры вала. При этом одна опора вала работает в перекачиваемой среде и является подшипником скольжения, выполненным из износостойких материалов, типа карбид кремния, карбид вольфрама, карбонитрид титана и др., зарекомендовавших себя как высоконадежные пары трения. А другая опора - подшипник качения и (или) также подшипник скольжения, но работающий в чистой нейтральной среде (масле) или на воздухе (только подшипник качения).
Описание уплотнительного модуля иллюстрируется чертежом, на котором уплотнительный модуль изображен в разрезе.
На чертеже использованы следующие цифровые обозначения узлов и деталей.
1. Фланцевый корпус
2. Вал.
3. Эластичная упругая диафрагма.
4. Одинарное торцовое уплотнение (первое).
5. Одинарное торцовое уплотнение (второе).
6. Маслонаполненная камера, содержащая уплотняющую жидкость, преимущественно масло.
7. Перекачиваемая жидкость.
8. Защитный экран внутренний.
9. Защитный экран внешний.
10. Подшипник скольжения (износостойкий).
11. Подшипник качения (как вариант подшипник скольжения).
12. Корпус подшипника скольжения.
13. Корпус подшипника (качения).
14. Хомут.
Уплотнительный модуль состоит из фланцевого корпуса 1, выполненного с возможностью крепления как на стороне всасывания, так и на стороне нагнетания; вала 2, эластичной диафрагмы 3 одним концом жестко закрепленной на корпусе подшипника скольжения с помощью хомута 14, обеспечивающего равномерное кольцевое обжатие уплотнительного воротника диафрагмы, другим концом также жестко соединенного с другой опорой подшипника (качения) с помощью хомута, двух простых одинарных уплотнений 4 и 5, установленных на валу 2 внутри маслонаполненной камеры 6, стенки которой формируются эластичной диафрагмой 3, совместно с торцовыми уплотнениями герметично отделяющей внутреннюю полость камеры от внешнего пространства, омываемого перекачиваемой жидкостью 7. С внутренней и внешней сторон может быть установлен внутренний защитный экран 8 и/или внешний защитный экран 9, защищающий диафрагму от механического воздействия. Модуль герметичный имеет вал 2 и собственные опоры вала: подшипники 10 и 11. При этом одна опора вала работает в перекачиваемой среде и является подшипником 10 скольжения, выполненным из износостойких материалов, типа карбид кремния, карбид вольфрама, карбонитрид титана и др., зарекомендовавших себя как высоконадежные пары трения. А другая опора вала 2 представляет собой подшипник 11 качения и (или) также подшипник скольжения, но работающий в чистой нейтральной среде (масле) или на воздухе (только подшипник качения).
Работает уплотнительный модуль следующим образом: при установке модуля в насос полость камеры 6 с эластичной диафрагмой 3 наполняют маслом или другой нейтральной чистой жидкостью с атмосферным либо незначительно превышающим его давлением. При работе насоса в случае изменения давления в насосе перед уплотнением 4, давление за ним (в камере) автоматически тоже будет изменяться (выравниваться) за счет эластичности диафрагмы, соответственно, перепад давления на уплотнении останется прежним: либо будет отсутствовать, либо давление внутри камеры будет незначительно превышать давление снаружи за счет упругих свойств эластичной диафрагмы, при этом полный перепад давления (между внутренним давлением в насосе и наружным окружающим насос давлением) будет воспринимать только второе торцовое уплотнение 5, которое полностью находится в уплотняющей жидкости (масле) и не контактирует с перекачиваемой жидкостью, что исключает попадание каких-либо твердых частиц в пару трения и резко повышает его надежность. Так как поток перекачиваемой жидкости активно омывает встроенную маслонаполненную камеру и, соответственно, отводит тепло, то полностью исключается возможность перегрева уплотнений 4 и 5 в процессе работы насоса и исключается необходимость подвода извне охлаждающей жидкости. При возникновении повышенного люфта уплотнение продолжает работать за счет выравнивания или практически отсутствия перепада давления на первом уплотнении 4. Уплотнение не раскрывается и продолжает работать максимально долго. Объем уплотнительной жидкости (масла), наполняющей герметичную маслонаполненную камеру 6, рассчитан на весь срок службы, поэтому уплотнительный модуль не требует постоянного контроля и обслуживания.