РЕВЕРСИВНОЕ ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к созданию средств уплотнительной техники для насосов, компрессоров, центрифуг и других машин. Известны торцовые уплотнения, образованные двумя кольцами, одно из которых вращается вместе с валом, а другое установлено в корпусе с возможностью аксиального перемещения (Лучин Г.А., Пешти Ю.В., Снопов А.И. Газовые опоры турбомашин. М. Машиностроение, 1989, 240с.).
Для повышения расклинивающей силы, образующей дросселирующий зазор, на одном из колец наносят соответствующий микрорельеф в виде ступеней Релея, карманов, канавок различного профиля, протяженности и глубины.
Главная проблема при создании таких узлов состоит в обеспечении точности изготовления пар трения, в частности, точности изготовления рельефа на твердых поверхностях типа карбида вольфрама, карбида кремния и т.д. Микрорельеф с погрешностями изготовления в доли микрон, низкий класс чистоты стенок канавок, карманов и др. неизбежно приводят к различной их напорности при вращении ротора и перекосу пары трения, вследствие чего возникают предпосылки для неравномерного прогрева уплотнения, что, в конечном счете, ведет к термическим ударам, схватыванию, местному износу и выходу из строя узла. Сложный, например, логарифмический профиль спиралевидных канавок уплотнений фирмы «John Crane» и их малая глубина (3-8 мкм) делают процесс изготовления крайне нетехнологичным и трудоемким а, следовательно, и не точным, т.к. канавки выполняют либо способом химического травления, либо электроэрозионным способом. Трудно обеспечить чистоту "донных плоскостей" канавок. Большая шероховатость вызывает излишние дисковые потери и нагрев смазочных пленок газа до высокой температуры. Полезно всемерно
повышать классы чистоты обработки, но сделать это очень проблематично. Специализированная сложная установка по нанесению профиля на твердые сплавы ВК, например, в институте машиноведения РАН (Россия), способна обработать только 4 кольца за 9 часов непрерывной работы, что определяет большую себестоимость и низкую технологичность уплотнений.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструктивным признакам и достигаемому техническому результату является реверсивное торцовое уплотнение фирмы «Burgmann Industries GmbH&Co.KG» (Burgmann Industries GmbH&Co.KG. Каталог конструкций 15.1. Уплотнения, смазываемые газом. С.66-67.), включающее корпус, в котором установлены два уплотнительных кольца, обращенных друг к другу поверхностями, образующими дросселирующий зазор, причем одно из колец установлено в корпусе с возможностью аксиального перемещения и обращено к дросселирующему зазору гладкой поверхностью, а другое кольцо установлено с возможностью вращения с ротором и обращено к дросселирующему зазору поверхностью, на которой, кроме замкнутого уплотняющего гладкого кольцевого пояска, имеется участок регулярного микрорельефа, примыкающий к полости уплотняемого давления. Данное уплотнение характеризуется U-образными камерами в паре трения, сообщающимися с полостью уплотняемой среды через паз. Профиль каждой камеры диффузорный, т.е. по ходу утечки глубина камер возрастает.
Известно, что в диффузорных зазорах эпюра давления среды носит вогнутую форму, а в конфузорных, где глубина канала уменьшается по ходу потока - выпуклую (Марцинковский В.А. Гидродинамика дросселирующих каналов. Изд. СумГУ, 2002. С.91, рис. 2.14).
Следовательно, конфузорность - средство увеличения расклинивающей силы в паре между кольцами уплотнения. Наличие диффузорности в зазоре уплотнения, рассматриваемого в качестве прототипа, стимулирует потерю динамической устойчивости узла. Этот известный факт неоднократно проверен на практике не только в торцовых
парах уплотнений, но и в гидропятах, подпятниках, щелевых и лабиринтных уплотнениях, золотниковых парах в различных средах.
Таким образом, при создании прецизионных пар трения, каковыми являются бесконтактные торцовые уплотнения, следует всемерно избегать образования диффузорности зазора, как местной, так и общей, вследствие, например, деформации.
U-образные уплотнения обладают низкой напорностью канавок, и все меры по повышению расклинивающей силы для такого уплотнения целесообразны (Ден Г.Н. Термогазодинамика сухих торцовых газовых уплотнений роторов турбомашин. Владивосток, 2003. С.230, рис 5.2 а., С.256.). Причина низкой напорности как раз и заключена в "местной" диффузорности зазора торцовой пары.
Кроме того, известно, что U-образный профиль камер фирмы «Burgmann...» сложен в изготовлении и нетехнологичен. Он наносится гравировальным алмазным камнем в несколько приемов с переналадкой инструмента, что сказывается на точности профиля, а следовательно, на качестве узла. Техническая задача повышения технологичности уплотнения может быть решена за счет создания такой конструкции регулярного профиля, которая могла бы быть выполнена с одной установки лезвийного или шлифовального инструмента.
Таким образом, техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышении надежности уплотнения и технологичности его изготовления.
Поставленная техническая задача решается за счет создания конструкции реверсивного уплотнения, включающего, как и известные, корпус, в котором установлены два уплотнительных кольца, обращенных друг к другу поверхностями, образующими дросселирующий зазор, причем одно из колец установлено в корпусе с возможностью аксиального перемещения и обращено к дросселирующему зазору гладкой поверхностью, а другое кольцо установлено с возможностью вращения с ротором и
обращено к дросселирующему зазору поверхностью, на которой, кроме замкнутого уплотняющего гладкого кольцевого пояска, имеется участок регулярного микрорельефа, примыкающий к полости уплотняемого давления, но в котором, в отличие от аналогов и прототипа, микрорельеф выполнен в виде равномерно распределенных по окружной периферии участка и равноотстоящих друг от друга, по меньшей мере, трехгранных клиновидных скосов переменной глубины, непрерывно убывающей в пределах участка по ходу утечки уплотняемой среды. При этом контуры, образованные сопряжениями поверхностей, формирующих конфигурацию клиновидных скосов, или не сопряжены между собой, или сопряжены лишь в точках по наружному диаметру вращающегося кольца, а участок микрорельефа и гладкий уплотняющий поясок выполнены или на одной, или на обеих противоположных поверхностях указанного кольца. Кроме того, профиль скоса может иметь форму или усеченного, или не усеченного клина.
Существенными признаками, обеспечивающими достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и технологичности уплотнений, по сравнению с аналогами и прототипом, являются:
- выполнение микрорельефа в виде равномерно распределенных по окружной периферии участка и равноотстоящих друг от друга, по меньшей мере, трехгранных клиновидных скосов переменной глубины, непрерывно убывающей в пределах участка по ходу утечки уплотняемой среды, при этом:
- контуры, образованные сопряжениями поверхностей, формирующих конфигурацию клиновидных скосов, или не сопряжены между собой, или сопряжены лишь в точках по наружному диаметру вращающегося кольца;
- участок микрорельефа и гладкий уплотняющий поясок выполнены или на одной, или на обеих противоположных поверхностях указанного кольца;
- профиль скоса имеет форму или усеченного, или не усеченного клина.
Перечисленные существенные признаки являются новыми, технически осуществимыми и обладающими изобретательским уровнем, то есть сообщающими устройству качественно новый уровень технического результата, выражающегося в повышении надежности и технологичности уплотнений и всего изделия в целом, другими словами, соответствуют критериям патентоспособности, являются необходимыми и достаточными для решения поставленной технической задачи.
Наличие клиновидных скосов предполагаемого профиля обеспечивает повышение расклинивающей силы в дросселирующем зазоре за счет истечения газа (жидкости) через конфузорную щель, где эпюра давления существенно полнее, чем в плоской щели (и, тем более, диффузорной) и носит выпуклую форму. В этом состоит одно из принципиальных отличий от прототипа. Общая величина расклинивающей силы:
S
g
F=F+F
S
g
имеет статическую и динамическую компоненты. Клиновидный (конфузорный) профиль увеличивает F за счет эффекта статического дросселирования среды, формируя соответствующий профиль скорости течения газа (жидкости). Чередование клиновидных скосов с участками гладкой поверхности, разделяющей скосы между собой по окружной периферии участка микрорельефа, обеспечивает повышение динамической компоненты F при вращении ротора за счет трансформации скорости окружного течения среды.
Преимущества конфузорного профиля микрорельефа и его "расклинивающей" силы известны и подробно описаны на примере подпятника с окружным течением Куэтта без течения Пуазейля (Константинеску В.Н. Газовая смазка. М.: Машиностроение, 1968. С.370, рис. 192).
Наличие строго симметричного микрорельефа в предлагаемой конструкции уплотнения обеспечивает равномерный прогрев и равномерное микроволновое термоупругое деформирование на участке, что можно
рассматривать как дополнительный источник несущей способности пары. В конфигурациях сухих уплотнений фирм «John Crane» или «Burgmann...» такой эффект отсутствует, т. к. канавки имеют неравномерную клиновидную форму в тангенциальном направлении и тепловые градиенты менее выражены за счет взаимного перекрытия канавок.
Подобный принцип образования расклинивающей силы широко используют, например, фирмы «Sunstrend», «Pacific» и другие, путем сверления симметрично расположенных отверстий в теле кольца, нанесения калиброванных прорезей или канавок. Однако, повышение несущей способности термоупругим способом, о котором говорилось выше, практически нереализуемо в тех случаях, когда речь идет о прецизионной обработке твердых сплавов, из которых изготовляются кольца уплотнений для компрессоров.
Признак, характеризующийся наличием, по меньшей мере, трех граней клиновидного скоса, имеет принципиальное значение. В пределах отдельного сектора, образованного клиновидным скосом и следующим за ним гладким участком, независимо от направления вращения, между поверхностью вращающегося кольца и поверхностью ответного кольца пары трения, образуется зазор ступенчатого профиля. Наличие ступеньки приводит к генерированию дополнительной несущей способности, обусловленной характерным наполнением эпюры давления по аналогии с убывающим конфузорным зазором, но более интенсивным.
Таким образом, по меньшей мере, трехгранный клин - непременное условие для образования высокой несущей способности при реверсивном вращении, а усеченность клина обеспечивает аналогичный эффект при течении Пуазейля (радиальном от перепада давления газа).
Наличие сопряженных между собой или несопряженных скосов решающим образом влияет на нагруженность пары. При несопряженных между собой скосах нагруженность пары больше, утечки меньше и наоборот. Если скосы сопряжены между собой, то подавляющая площадь поверхности
участка микрорельефа покрыта скосами, значит тепловыделение от вязкого трения меньше, нагрузка пары ниже, утечка больше. Это определяет надежность узла, в частности, предотвращает схватывание в паре трения и тепловые удары при работе со средами высокой вязкости.
Таким образом, для сред с высокой вязкостью предпочтителен вариант конструкции уплотнений с сопряженными скосами, в других случаях - с несопряженными.
Аналогичный смысл имеет профиль зазора (усеченный или не усеченный клин) по ходу утечки среды.
Выполнение участка микрорельефа и гладкого уплотняющего пояска или на одной, или на обеих противоположных поверхностях кольца позволяет удвоить ресурс работы, так как при обращении кольца противоположной стороной к дросселирующему зазору уплотнение окажется в равной степени работоспособным.
Технологичность предлагаемой конструкции подтверждена тем, что нанесение профилей производится лезвийным или шлифовальным инструментом, например, алмазным кругом требуемого диаметра или алмазными фрезами с одной установки Точность обработки находится в пределах точности операций плоского шлифования.
Далее представлен пример осуществления изобретения со ссылками на рисунки:
На фиг.1 дано схематическое изображение уплотнения в соответствии с изобретением.
На фиг.2 представлен клиновидный не усеченный скос и его расположение на участке микрорельефа для узла с течением от периферии к центру.
На фиг.3 представлен клиновидный усеченный скос и его расположение на участке микрорельефа для узла с течением от периферии к центру.
На фиг.4 представлены несопряженные клиновидные скосы.
На фиг.5 представлены сопряженные клиновидные усеченные скосы.
На фиг.6 представлено аксонометрическое изображение микрорельефа на обеих противоположных поверхностях кольца.
На фиг.7. представлено аксонометрическое изображение микрорельефа на одной из поверхностей кольца.
На фиг.8 представлен график зависимости расхода от уплотняемого давления.
На фиг.9 представлен график зависимости температуры от уплотняемого давления.
Реверсивное торцовое уплотнение, фиг.1, включает корпус, в котором установлены два уплотнительных кольца 1, 2, обращенных друг к другу поверхностями, образующими дросселирующий зазор, кольцо 1 установлено в корпусе с возможностью аксиального перемещения и обращено к дросселирующему зазору гладкой поверхностью, кольцо 2 установлено с возможностью вращения с ротором и обращено к дросселирующему зазору поверхностью, на которой, имеется замкнутый уплотняющий гладкий кольцевой поясок и участок регулярного микрорельефа, примыкающий к полости уплотняемого давления. Микрорельеф, фиг.2, 3, 4, 5, выполнен в виде равномерно распределенных по окружной периферии участка и равноотстоящих друг от друга, по меньшей мере, трехгранных клиновидных скосов переменной глубины, непрерывно убывающей в пределах участка по ходу утечки уплотняемой среды. Контуры, образованные сопряжениями поверхностей, формирующих конфигурацию клиновидных скосов, или не сопряжены между собой, фиг.4, или сопряжены, фиг.5, лишь в точках по наружному диаметру вращающегося кольца 2, а участок микрорельефа и гладкий уплотняющий поясок выполнены или на одной, фиг.7, или на обеих, фиг.6, противоположных поверхностях указанного кольца. Профиль скоса может иметь форму или усеченного, фиг.3, или не усеченного, фиг.2, клина по ходу утечки среды.
S
Уплотнение работает следующим образом. В исходном состоянии кольца 1 и 2, фиг.1, пары прижаты друг другу. С ростом уплотняемого перепада давления, за счет "продавливания" среды в радиальном направлении через конфузорную щель между кольцами, удельное давление в контактной паре на гладком кольцевом пояске постепенно снижается до нуля. При наличии усеченного клина со ступенькой такой эффект наступает раньше, то есть при меньшем перепаде давления. Аксиально-подвижное кольцо уравновешивается до необходимого уровня под действием силы F. Контакт между кольцами исчезает. Образуется минимальный зазор в паре. Стендовые испытания конкретного узла показали, что этот механизм устойчиво реализуется при давлениях 2,3-2,4 МПа.
g
g
g
С началом вращения начинает расти дополнительная составляющая F, причем чередование скоса с гладкой поверхностью создает ступеньку в окружном направлении, а значит, резко повышает силу F При некоторой (расчетной) частоте вращения кольцо 1 отходит от кольца 2, и уплотнение начинает работать в бесконтактном режиме. С понижением частоты вращения - механизм обратный. Сила F снижается, кольцо 1 приближается к кольцу 2, утечка уменьшается. Уплотнение проектируется таким образом, чтобы контактный режим прекращался при низкой частоте вращения, или заданном статическом давлении Лучшие зарубежные образцы таких узлов становятся бесконтактными при окружной скорости V=(0,6...0,8) м/с.
Уплотнение, в котором обеспечен бесконтактный режим при пуске, в 99,9% случаев надежно эксплуатируется в течение длительного времени (более 5 лет), так как "младенческая смертность" (т.е. отказ пары в переходном режиме) предотвращается (Саксена М.Н. Сухие газовые уплотнения и поддерживающие системы // Нефтегазовые технологии, 2004. №3. С.55-59).
На фиг.8 и 9 представлены графики зависимости расхода и температуры от уплотняемого давления. На графиках заполненными маркерами обозначены результаты испытаний штатного уплотнения фирмы "John
Crane", а пустыми маркерами - результаты испытаний предлагаемого реверсивного уплотнения.
Как видно из графиков изменения температуры и расхода, узел работоспособен при различных давлениях и частотах вращения ротора.