УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR TRANSFER OF FLUID MEDIUM

Настоящее изобретение относится к устройству для перекачивания текучей среды, в частности к скользящему кольцевому уплотнению для уплотнения вала устройств, используемых для перекачивания текучих сред, таких как жидкость, газ или смеси вышеупомянутой жидкости и газа с твердыми частицами, в частности для вентиляторов и насосов. Настоящее изобретение может также применяться для аксиального уплотнения валов других устройств.
Скользящие кольцевые уплотнения используются в центробежных насосах, газодувках и соответствующих применениях, в которых необходимо предотвратить перемещение текучей среды, т.е. перекачиваемой среды, в направлении вращающегося вала. Центробежные насосы используются, например, для перекачивания чистых жидкостей, грязных жидкостей и жидкостей, содержащих большое количество твердых частиц. В центробежных насосах вал насоса должен быть уплотнен для предотвращения аксиального перемещения, чтобы не допустить остановки перекачиваемой текучей среды, во-первых, на подшипниках вала и, во-вторых, на расстоянии от камеры для продукта, или насосной камеры, или спиральной камеры, предназначенной для перекачиваемой текучей среды.
В центробежном насосе уплотнение расположено позади спиральной камеры или улитки насоса, т.е. между рабочим колесом и подшипниками насоса. Уплотнения бывают нескольких типов. Первые уплотнения, по всей вероятности, представляли собой набивные (сальниковые) уплотнения, в которых уплотнительная веревка или уплотнительные кольца размещаются в сальниковой коробке, окружающей вал. Кроме того, в данном уплотнении смазка могла быть использована или с нитью, или с кольцами, или даже сама по себе. Нить или уплотнительные кольца нужно было туго укладывать вокруг вала, благодаря чему сальниковая коробка должна была герметизироваться во время эксплуатации. Для этой цели сальниковая коробка содержала поджимаемую прокладку, выполненную с возможностью перемещения в осевом направлении. Сальниковые уплотнения практически вышли из употребления как устаревшие, но они еще находят применение, например, в качестве уплотнений для лодочных гребных винтов.
В настоящее время скользящие кольцевые уплотнения одностороннего или двухстороннего действия с уплотняющими поверхностями размещают между вращающейся частью уплотнения и неподвижной частью уплотнения. Современные уплотнительные элементы представляют собой круговые уплотнительные кольца, выполненные из керамики или другого долговечного материала с возможностью размещения в механическом контакте друг с другом. Благодаря такому исполнению данные уплотнения называют скользящими кольцевыми уплотнениями. Уплотняющие поверхности уплотнительных колец подвергают очень точной механической обработке, и эффект уплотнения основан на зазоре, остающемся между плоскими и прямолинейными поверхностями, который настолько мал, что перекачиваемая текучая среда не способна протекать между упомянутыми уплотнительными кольцами. Однако данные скользящие кольцевые уплотнения требуют некоторой смазки и охлаждения, поэтому они должны быть обеспечены подачей смазывающей и охлаждающей среды. При этом материалы, используемые в настоящее время в кольцевых уплотнениях, очень долговечные, и они даже допускают некоторую работу без смазки, поэтому скользящие кольцевые уплотнения стали очень востребованными в некоторых применениях.
Скользящие кольцевые уплотнения элемента, патронные уплотнения, модифицированные или интегрированные уплотнения в соответствии с DIN 24690 используются в качестве уплотнений двустороннего действия для аксиального уплотнения центробежных насосов и газодувок. Механические конструкции и подсоединения уплотняющей жидкости данных уплотнений имеют структурные отличия, но все они приспособлены для использования в обычных или обычного типа аксиально удлиняющихся полостях уплотнения. Общие и существенные признаки таких уплотнений заключаются в том, что пары скользящих колец уплотнений размещают на валу последовательно, т.е. одно за другим, оставляя между ними полость для уплотняющей жидкости. В центральной части упомянутой полости для уплотняющей жидкости обычно размещают каналы уплотняющей жидкости.
Данное исполнение вышеупомянутых уплотнений двухстороннего действия вызывает ряд проблем. Вследствие последовательного размещения пар скользящих колец уплотнение становится длинным, в результате чего подшипники, поддерживающие вал и рабочее колесо, должны быть расположены на значительном расстоянии от рабочего колеса. Вследствие этого увеличиваются нагрузки на подшипник, и подшипник должен быть рассчитан на более значительную нагрузку. В результате, естественно, существует потребность в более крупном и более дорогом подшипнике. Большая протяженность вала приводит к большему прогибу вала, в результате требуются более значительные рабочие зазоры рабочего колеса, что приводит к более значительной потере в результате утечки. Для того чтобы ограничить радиальные усилия, нужно использовать так называемую двойную или сдвоенную улитку или более толстый и более дорогой вал. Увеличение прогиба вала вызывает увеличение углового отклонения в скользящем кольцевом уплотнении, которое необходимо учитывать при определении размеров, и облегчает возможность неравномерной утечки и износа уплотнения. В итоге длинная структура уплотнения делает конструкцию более крупной по размерам и более дорогой.
В SE 408458 описана структура уплотнения, в которой пары скользящих колец размещены рядом в радиальном направлении. Вращающееся скользящее колесо размещено на валу на некотором расстоянии от вращающегося элемента машины так, что неподвижная часть уплотнения, т.е. неподвижные скользящие кольца, а также другие невращающиеся части уплотнения остаются между вращающимся скользящим кольцом и вращающимся элементом машины, оставляя небольшой зазор между ними и валом. Внутренняя сторона неподвижной, невращающейся части уплотнения, обращенная к валу, закрыта посредством втулки из политетрафторэтилена (polytetrafluorethylene - PTFE) и сильфона.
Вышеописанная структура уплотнения, хотя осевая длина уплотнения может быть немного короче, чем обычное уплотнение двухстороннего действия, содержащее аксиально последовательные пары скользящих колец, имеет некоторые свои собственные недостатки или проблемы. Во-первых, упомянутое уплотнение может быть использовано только в таких перекачивающих применениях, в которых перекачиваемая жидкость по существу чистая, т.е. не содержит твердых частиц, которые могли бы заполнять узкий зазор между неподвижной частью уплотнения и валом. А если рассматривать нечистые жидкости, то твердые частицы в жидкости проникают в зазор и очень быстро истирают неподвижную часть уплотнения, выполненную из PTFE. Во-вторых, текучие среды, а также примеси или твердые частицы, возможно, содержащиеся в текучей среде, проникающей в зазор, вращаются вследствие вращения вала, и образующаяся при этом центробежная сила смещает текучую среду на и к уплотнительным кольцам. И, в-третьих, насос не может быть установлен в вертикальном положении так, чтобы его вал был вертикальным, а рабочее колесо размещалось в нижнем конце вала, поскольку в таком случае газ, проникающий в полость для уплотняющей жидкости, начинает заполнять упомянутую полость с верхнего конца, там где расположены уплотнительные кольца, и газ не может выходить из полости для уплотняющей жидкости, и уплотнение начинает работать без смазки.
Целью настоящего изобретения является создание нового скользящего кольцевого уплотнения, имеющего более короткую протяженность в направлении вала, окруженного упомянутым уплотнением, по сравнению с вышеописанными структурами.
Другой целью изобретения является создание структуры, посредством которой можно уменьшить по меньшей мере один недостаток известных решений.
Настоящее изобретение основано, с одной стороны, на размещении пар скользящих колец на валу, вставленных одна в другую, и, с другой стороны, на размещении вращающегося элемента скользящих колец обращенным к рабочему колесу, в результате чего упомянутые пары скользящих колец размещаются в осевом конце уплотнения ближе к рабочему колесу.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения вращающиеся трущиеся поверхности уплотнения расположены на стороне рабочего колеса, а неподвижные скользящие кольца расположены на атмосферной стороне, т.е. на стороне подшипника.
Кроме того, в соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения подсоединения для уплотняющей жидкости размещены в конце полости для уплотняющей жидкости на атмосферной стороне.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения пары трущихся поверхностей уравновешены так, что давление перекачиваемой текучей среды может быть выше или ниже давления уплотняющей жидкости и давление уплотняющей жидкости может быть ниже атмосферного давления, не вызывая размыкания трущихся поверхностей.
Более конкретно, перекачивающее устройство в соответствии с изобретением отличается признаками, раскрытыми в описательной части независимого пункта формулы изобретения.
Другие отличительные признаки перекачивающего устройства и, в частности, отличительные признаки скользящего кольцевого уплотнения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Посредством настоящего изобретения достигаются значительные преимущества.
Поскольку скользящее кольцевое уплотнение в соответствии с изобретением выполнено коротким, радиальный опорный подшипник может быть размещен ближе к рабочему колесу, обеспечивая использование малого рабочего зазора рабочего колеса, в результате чего могут быть использованы менее крупные и менее дорогие подшипники и нет необходимости использовать двойную или сдвоенную улитку для устранения радиальных сил. Кроме того, можно использовать более тонкий и менее дорогой вал. Благодаря меньшему прогибу вала, уплотнение является более прочным и надежным. Уплотнительная камера, т.е. открытый объем между рабочим колесом и уплотнением, меньше на стороне рабочего колеса, в результате чего характеристики потока уплотнительной камеры лучше, в частности для волокносодержащих или абразивных жидкостей. Уплотнительная полость нелегко закупоривается, и волокносодержащая жидкость не подвергается фильтрации, и абразивные твердые частицы абразивных жидкостей не скапливаются в уплотнительной камере так, чтобы вызывать истирание. Когда уплотнительная полость короткая (в осевом направлении), уменьшается трение и тепло, генерируемое в уплотнении. Короткая полость для уплотняющей жидкости уплотнения двухстороннего действия уменьшает чрезмерное трение и генерирование тепла (Р=скорость×сдвигающее усилие (площадь×сдвигающее напряжение)). Может быть уменьшен объем циркуляции уплотняющей воды, или могут быть использованы более высокие температуры. Полость для уплотняющей жидкости может быть выполнена с возможностью автоматической вентиляции, поскольку каналы уплотняющей жидкости могут быть легко размещены в неподвижном конце полости для уплотняющей жидкости. Следует отметить, что если вал размещают в вертикальном направлении, то скользящее кольцевое уплотнение настоящего изобретения становится самовентилирующимся.
Ниже упомянутое перекачивающее устройство и скользящее кольцевое уплотнение в соответствии с настоящим изобретением описано более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж, который показывает скользящее кольцевое уплотнение в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
В примере упомянутого чертежа уплотнение в соответствии с изобретением расположено в соединении с центробежным насосом. Для настоящего изобретения применение не имеет значения, т.е. настоящее изобретение может быть использовано во всех применениях, где существует необходимость в уплотнении двухстороннего действия для уплотнения аксиального потока. Центробежный насос содержит корпус 17 насоса, образующий основную часть насоса, через который проходит приводной вал 19. Рабочее колесо 18 расположено в конце приводного вала 19, в пределах спиральной камеры, прикрепленной к корпусу насоса.
Скользящее кольцевое уплотнение двухстороннего действия образовано из двух основных элементов, т.е. вращающегося основного элемента в первом конце уплотнения и неподвижного основного элемента во втором конце уплотнения. Первый конец уплотнения обращен к рабочему колесу 18, а второй конец обращен к подшипнику/подшипникам (не показанным - в правой части чертежа), поддерживающим вал насоса. Вращающийся основной элемент, т.е. вращающийся элемент 10, расположен на валу 19 между рабочим колесом 18 и выступом 25, предусмотренным на валу 19. Вращающийся элемент 10 зажат между рабочим колесом 18 и выступом 25 посредством гайки или болта 26, используемого для закрепления рабочего колеса 18 в конце вала 19. Таким образом, вращающийся элемент 10 расположен прямо за рабочим колесом 18. Неподвижный основной элемент 5 на втором конце уплотнения прикреплен к корпусу 17 насоса на удалении от рабочего колеса 18 посредством одного или нескольких винтов, например, так, что между ним и валом 19 остается зазор, для того чтобы вал мог беспрепятственно вращаться, при этом неподвижный элемент 5 остается закрепленным внутри корпуса 17 насоса. Сторону перекачиваемой или передаваемой текучей среды часто называют стороной рабочего колеса, а другую сторону называют атмосферной стороной независимо от внешнего давления.
Круговые скользящие кольца расположены парами, вложенное одно в другое, окружая вал 19. Предусмотрены две пары скользящих колец, при этом между упомянутыми парами расположена полость 24 для уплотняющей жидкости. Первая пара, т.е. скользящие кольца, содержащие трущиеся поверхности 1 и 2, которые используются для отделения полости 24 для уплотняющей жидкости от атмосферы, и вторая пара, т.е. скользящие кольца, содержащие трущиеся поверхности 6 и 7, которые используются для предотвращения выхода перекачиваемой текучей среды из полости 24 для уплотняющей жидкости. Вращающиеся скользящие кольца с трущимися поверхностями 1, 6 расположены в соединении с вращающимся элементом 10 так, что внутреннее вращающееся скользящее колесо с трущейся поверхностью 1 расположено радиально ближе к валу 19, а наружное вращающееся скользящее колесо с трущейся поверхностью 6 расположено снаружи, т.е. радиально дальше от вала. Внутренняя и наружная вращающиеся трущиеся поверхности 1 и 6 предпочтительно расположены в одной радиальной плоскости. Таким образом, первая пара скользящих колец расположена ближе к валу, а вторая дальше от вала. Поскольку вращающийся элемент 10 прочно прикреплен к валу 19, он вращается вместе с валом 19, и соответственно вращающиеся скользящие кольца с трущимися поверхностями 1, 6, прочно удерживаемые посредством вращающегося элемента, вращаются вместе с вращающимся элементом 10. Вместе со скользящими кольцами вращающийся элемент 10 образует структуру, закрытую в направлении корпуса насоса, т.е. полость, окружающая вал, закрыта от вала вплоть до радиально внешнего контура вращающегося элемента. Неподвижные трущиеся поверхности 2, 7 расположены так, что обращены к вращающимся трущимся поверхностям 1, 6 так, что прямолинейные и плоские сопрягающиеся поверхности, образованные на трущихся поверхностях 1, 2, 6, 7, обращены друг к другу. Пространство между данными поверхностями должно образовать непрерывность, допускающую взаимное перемещение при одновременном совмещении настолько близко, что утечка между данными поверхностями отсутствует. Изготовление таких скользящих колец по существу известно, и они доступны, изготавливаются из различных материалов и пригодны для различных перекачиваемых текучих сред.
Для того чтобы удерживать вращающиеся 1, 6 и неподвижные 2, 7 трущиеся поверхности рядом друг с другом, их нужно прижимать друг к другу. В данном примере прижимающее усилие создается посредством пружин 3, 9, расположенных между неподвижным элементом 5 и опорными втулками 20, 21 неподвижных скользящих колес 2, 7. Данные пружины 3, 9 обеспечивают уплотнение между трущимися поверхностями скользящих колес при всех рабочих условиях. Для того чтобы предотвратить эффект сжатия и отделения на скользящие поверхности, обусловленный давлением жидкости или газа, аксиально перемещающиеся неподвижные трущиеся поверхности должны быть уравновешены относительно давления жидкости или газа. Это достигается посредством образования выступов 22, 23 на втулках 20, 21 внутренней неподвижной трущейся поверхности 2 и наружной неподвижной трущейся поверхности 7. Площади выступов в каждой втулке одинаковые, поэтому наружная втулка уравновешена относительно давления перекачиваемой текучей среды и, соответственно, внутренняя втулка уравновешена относительно давления уплотняющей жидкости. Таким образом, колебания давления или относительные давления не оказывают влияния на работу скользящего кольцевого уплотнения. Как внутренняя, так и наружная опорные втулки уплотнены посредством кольцевого уплотнения 4, 8 к неподвижному элементу 5. Данный элемент также уплотнен посредством кольцевого уплотнения 16 к корпусу 17 насоса.
Для того чтобы смазывать и охлаждать скользящее кольцевое уплотнение, необходимо обеспечить перемещение уплотняющей жидкости относительно трущихся поверхностей. Для этой цели предусмотрен зазор между внутренней и наружной втулками и трущимися поверхностями, причем упомянутый зазор вместе с полостью, расположенной в неподвижном элементе 5, образует полость 24 для уплотняющей жидкости. Из корпуса 17 насоса в данную полость ведут два канала, при этом один канал образует впускной канал 13 для уплотняющей жидкости, а другой - выпускной канал 14 для уплотняющей жидкости. В горизонтальной установке упомянутые каналы предпочтительно расположены так, что впускной канал 13 расположен под валом 19, а выпускной канал 14 над валом 19. Каналы 13 и 14 ведут в полость 24 для уплотняющей жидкости так, что обеспечено перемещение уплотняющей жидкости в первый конец уплотнения, т.е. в конец, содержащий скользящие кольца. Необходима циркуляция уплотняющей жидкости относительно скользящих колец, поскольку уплотняющая жидкость используется для отвода тепла, генерируемого в результате трения между трущимися поверхностями. Циркуляция уплотняющей жидкости и промывание скользящих колец могут быть осуществлены посредством размещения в полости для уплотняющей жидкости по меньшей мере одной направляющей лопатки 12. Поскольку в структуре в соответствии с изобретением нет необходимости в циркуляции уплотняющей жидкости при высокой скорости или давлении, циркуляция уплотняющей жидкости может быть предусмотрена посредством по меньшей мере одной насосной лопатки 11, прикрепленной к вращающемуся элементу и проходящей в полость 24 для уплотняющей жидкости, или по меньшей мере одной канавки, расположенной во вращающемся элементе 10 и открывающейся в полость 24 для уплотняющей жидкости. Упомянутые насосная лопатка/лопатки или канавка/канавки вынуждают жидкость в полости для уплотняющей жидкости вращаться, и если неподвижный элемент 5 содержит одну или несколько направляющих лопаток 12 или канавок, направляющих вращающийся поток уплотняющей жидкости, с одной стороны, из полости для уплотняющей жидкости в выпускной канал, а с другой стороны, из впускного канала в полость для уплотняющей жидкости. Во всяком случае структура или форма направляющих средств может быть свободно изменена в соответствии с примерами или иначе.
В данном примерном варианте осуществления поверхности 1, 2, 6, 7 уплотнения сгруппированы друг с другом парами, т.е. они расположены в радиальной плоскости. Они могут быть также смещены в продольном направлении вала, однако в таком случае конструкция становится несколько усложненной и может требовать больше пространства в продольном направлении. Однако в некоторых случаях небольшой сдвиг по фазе может потребоваться по конструктивным соображениям. Важно, что уплотнительные трущиеся поверхности уложены одна внутри другой так, что диаметр внутренней пары скользящих колец с трущимися поверхностями меньше диаметра наружной пары скользящих колец с трущимися поверхностями. Другим важным признаком изобретения является то, что вращающийся элемент 10 уплотнения обращен к рабочему колесу, т.е. расположен в первом конце уплотнения на стороне рабочего колеса, так что размер или объем уплотнительной полости минимизирован. Особенно важно, что минимизирована длина зазора между уплотнением и корпусом насоса, поскольку это уменьшает трение между данными элементами, а также риск забивания упомянутого зазора твердыми частицами или примесями в перекачиваемой текучей среде. Понятно, что посредством упомянутой уплотнительной полости образуется более или менее открытый участок перед парой скользящих колец, находится в прямом сообщении с перекачиваемой текучей средой.
В раскрытом примере уплотнение расположено между валом насоса и корпусом насоса. Для настоящего изобретения неважно, между каким неподвижным элементом и вращающимся элементом машины расположено уплотнение. Необходимо отметить, что изобретение было описано выше с использованием только двух наиболее предпочтительных вариантов осуществления. Однако они никак не ограничивают диапазон применения настоящего изобретения, и настоящее изобретение и его диапазон ограничены только прилагаемой формулой изобретения.