ТОРЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Заявляемая полезная модель относится к торцевым уплотнениям, которые предназначены для уплотнения валов насосов и аппаратов с взрывопожароопасными, ядовитыми, химически агрессивными и другими жидкостями, попадание которых в атмосферу необходимо исключить, и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей, химической, топливно-энергетической промышленности для предотвращения утечек перекачиваемых сред в насосах.
Из патента РФ RU 2249137 С2 (опубл. 27.03.2005, МПК F16J 15/34) известно торцевое уплотнение, содержащее пару трения, включающую подвижное уплотнительное кольцо, установленное во втулке и стационарное уплотнительное кольцо, прижатые друг к другу при помощи пружин.
Недостатком известного технического решения является отсутствие средств фиксации втулки и уплотнительных колец относительно оси вала, что необходимо для обеспечения предотвращения их перекоса при вращении вала.
Из патента РФ на полезную модель RU 33194 (опубл. 10.10.2003, МПК F16J 15/34) известно торцевое уплотнение, содержащее две пары трения, состоящие из подвижного и стационарного уплотнительных колец, а также втулку.
Известная конструкция уплотнения также не позволяет обеспечить фиксацию втулки вала и уплотнительных колец относительно оси вала. Кроме этого в известном техническом решении прижатие подвижных и стационарных уплотнительных колец друг к другу обеспечивается только во время работы агрегата за счет осевых сил, возникающих под действием уплотняемой среды. При таком выполнении уплотнения герметичность может быть нарушена в случае падения во время работы величины давления до значений, близких к нулю.
Наиболее близким к заявленному является описанное в патенте РФ на полезную модель RU 52454 U1 (опубл. 27.03.2006, МПК F16J 15/34, F16F 1/34) торцевое уплотнение, содержащее корпус, две пары трения, состоящие из подвижного и стационарного уплотнительных колец, прижатых друг к другу при помощи пружин.
Известное уплотнение отличается сложностью конструкции, и также не содержит средств обеспечения параллельности трущихся поверхностей уплотнительных колец.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленной полезной модели, заключается в повышении надежности торцевого уплотнения, что выражается в
устранении протечек уплотняемой жидкости за счет минимизации деформации уплотнительных колец и устранения возможности их биения относительно оси вала, а также в облегчении монтажа.
Указанный технический результат обеспечивается при использовании торцевого уплотнения, содержащего корпус, две пары трения, состоящие из подвижного и стационарного уплотнительных колец, прижатых друг к другу при помощи пружин, согласно настоящей полезной модели одно из подвижных уплотнительных колец установлено во втулке, второе подвижное уплотнительное кольцо установлено в фиксирующем кольце, стационарные уплотнительные кольца расположены между подвижными уплотнительными кольцами, при этом фиксирующее кольцо выполнено с возможностью фиксации втулки, на внешней поверхности каждого стационарного уплотнительного кольца на участке его максимального внешнего диаметра вне плоскости его сопряжения с подвижным уплотнительным кольцом образован кольцевой выступ.
Далее полезная модель поясняется конкретным примером ее реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:
На фиг.1 - поперечный разрез торцевого уплотнения.
На фиг.2 - результаты испытаний типового стационарного уплотнительного кольца.
На фиг.3 - результаты испытаний стационарного уплотнительного кольца, выполненного согласно настоящей полезной модели.
Торцевое уплотнение, изображенное на фиг.1, содержит корпус (1) и две пары трения, состоящие из подвижного и стационарного уплотнительных колец. Стационарные уплотнительные кольца (2) установлены в корпусе (1). Одно подвижное уплотнительное кольцо (3) установлено во втулке (4). Второе подвижное уплотнительное кольцо (5) установлено в фиксирующем кольце (6). Стационарные уплотнительные кольца (2) расположены между подвижными уплотнительными кольцами (3) и (5).
Стационарные уплотнительные кольца (2) прижаты к подвижным уплотнительным кольцам (3) и (5) при помощи винтовых пружин сжатия (7) для обеспечения создания начального усилия прижатия. Винтовые пружины сжатия (7) расположены равномерно по окружности. Между винтовыми пружинами сжатия (7) и стационарными уплотнительными кольцами (2) установлены толкатели (8) с возможностью предотвращения проворота стационарных уплотнительных колец (2).
Подвижное уплотнительное кольцо (3), установленное во втулке (4), зафиксировано в ней при помощи штифта (9) с возможностью предотвращения проворота.
Второе подвижное уплотнительное кольцо (5), установленное в фиксирующем кольце (6), также зафиксировано штифтом (10).
Фиксирующее кольцо (6) имеет на внутреннем диаметре бурт (11), и установлено с возможностью сопряжения поверхности бурта (11) и торцевой поверхности втулки (4) и фиксации втулки (4) в осевом направлении.
Кроме этого для обеспечения возможности фиксации втулки (4) фиксирующее кольцо (6) снабжено винтами (12) с коническими наконечниками, установленными в отверстиях, выполненных в боковой стенке фиксирующего кольца (6) с возможностью прижатия бурта (11) к поверхности втулки (4) и крепления фиксирующего кольца (6) к валу (13).
В местах сопряжения торцевого уплотнения с корпусом насоса/аппарата (на чертеже не показан) установлена прокладка (14). В местах посадки и сопряжения деталей торцевого уплотнения друг с другом, а также в местах посадки и сопряжения торцового уплотнения с валом (13) установлены вторичные уплотнения (15), (16), (17) и (18) в форме резиновых O-образных колец.
Для исключения выдавливания вторичных уплотнений (18), установленных между стационарными уплотнительными кольцами (2) и корпусом (1), в зазоры между стационарными уплотнительными кольцами (2) и корпусом (1) с обоих сторон корпуса (1) установлены металлические кольца (19).
На внешней поверхности каждого стационарного уплотнительного кольца (2) на участке его максимального внешнего диаметра вне плоскости его сопряжения с подвижным уплотнительным кольцом образован кольцевой выступ (20).
Во время транспортировки, хранения и установки уплотнения фиксация стационарных (2) и подвижных (3) и (5) уплотнительных колец, а также сжатие винтовых пружин (7) в рабочее состояние и центровка всех элементов уплотнения обеспечивается четырьмя фиксаторами (21), расположенными равномерно по окружности. Для снятия уплотнения с оборудования без повреждения деталей фиксаторы (21) должны быть установлены на место.
Работа торцевого уплотнения осуществляется следующим образом.
После установки уплотнения на валу (13) снимают фиксаторы (21) и завинчивают винты (12).
В полость торцевого уплотнения между двумя парами трения подается затворная (барьерная жидкость), не являющаяся опасной при ее попадании в атмосферу, нейтральная к уплотняемой жидкости внутри насоса (аппарата). Барьерная жидкость
служит буфером между опасной жидкостью внутри насоса (аппарата) и атмосферой, а также предназначена для смазки и снятия тепла, образующегося при трении наружной пары трения, включающей стационарное (2) и подвижное (3) уплотнительные кольца.
Затворная (барьерная) жидкость подается в торцевое уплотнение в одно отверстие в корпусе (1) (на фиг.1 не показано) и выходит из уплотнения через другое отверстие в корпусе (1), которое на чертежах также не показано.
В рассматриваемом варианте реализации полезной модели циркуляция затворной (барьерной) жидкости осуществляется от внешнего источника. В других вариантах выполнения затворная (барьерная) жидкость может поступать из автономного бачка.
Основное уплотнение между средами (между средой в насосе/аппарате и затворной (барьерной) жидкостью, и между затворной (барьерной) жидкостью и атмосферой) при вращающемся вале (13) насоса (аппарата) происходит по трущимся поверхностям стационарных и подвижных уплотнительных колец, составляющих две пар трения.
При работе торцевого уплотнения внутренняя пара трения (по положению относительно атмосферы), состоящая из стационарного (2) и подвижного (5) уплотнительных колец, работает на перепаде давлений уплотняемой жидкости и затворной (барьерной жидкости).
При этом конструкция торцевого уплотнения обеспечивает надежную работу уплотнения, как в тандемном режиме (когда давление уплотняемой жидкости превышает давление затворной (барьерной) жидкости), так и в «двойном» режиме (когда давление уплотняемой жидкости ниже давления затворной/барьерной жидкости).
Как известно для надежного уплотнения с минимальными, не видимыми глазу утечками, трущиеся поверхности уплотнительных колец должны оставаться строго параллельными друг другу.
За счет выполнения фиксирующего кольца, в котором установлено одно подвижное уплотнительное кольцо, с возможностью фиксации втулки, в которой установлено другое подвижное уплотнительное кольцо, торцевое уплотнение после его установки на валу образует единый модуль, в котором жестко зафиксирована параллельность трущихся поверхностей подвижных уплотнительных колец и расположенных между ними стационарных уплотнительных колец, прижатых при помощи пружин.
При работе такой конструкции торцевого уплотнения втулка под действием давления жидкости давит на бурт фиксирующего кольца, стремясь сместить фиксирующее кольцо в направлении, перпендикулярном оси вала, что уменьшает биение уплотнительных колец.
Кроме этого такое выполнение уплотнения облегчает его установку за счет исключения необходимости выполнения измерений, связанных с выставлением требуемого натяга пружин для создания начального контактного давления, а также обеспечивает центровку всех элементов уплотнения, что также дает возможность зафиксировать исходное параллельное положение трущихся поверхностей уплотнительных колец и их перпендикулярность относительно оси вала.
Также при таком выполнении конструкции создается возможность повысить надежность за счет использования при работе уплотнения затворной (барьерной) жидкости, подаваемой в полость, образованную корпусом и двумя парами трения, что дает возможность предотвратить протечки в атмосферу уплотняемой жидкости.
Установка стационарных уплотнительных колец между подвижными уплотнительными кольцами позволяет осуществить при помощи корпуса их совместную фиксацию в положении, при котором их трущиеся поверхности перпендикулярны оси вала, что позволяет избежать их биения и обеспечить надежную работу торцевого уплотнения.
Минимизация деформаций уплотнительных колец от действия давления и температуры напрямую влияет на основной показатель работоспособности торцевого уплотнения - отсутствие утечки уплотняемой жидкости, т.к. для надежного уплотнения с минимальными, не видимыми глазу утечками, плоскости сопряжения уплотнительных колец, являющиеся трущимися поверхностями, должны оставаться строго параллельными друг другу. Угол поворота сечений уплотнительных колец друг относительно друга от воздействия давления и температуры служит показателем работоспособности и надежности уплотнения.
Проведенные эксперименты показывают, что увеличение поперечного сечения уплотнительных колец в радиальном направлении приводит к уменьшению угла поворота сечений.
Для достижения указанного эффекта в патентуемом торцевом уплотнении на внешней поверхности каждого стационарного уплотнительного кольца на участке его максимального внешнего диаметра вне плоскости его сопряжения с подвижным уплотнительным кольцом образован кольцевой выступ.
Для оценки влияния кольцевого выступа на работоспособность торцевого уплотнения (на угол поворота сечения уплотнительного кольца под действием давления) были проведены эксперименты, на основе которых было выполнено моделирование методом конечных элементов.
Для эксперимента было взято стационарное уплотнительное кольцо, выполненное согласно настоящей полезной модели, и типовое стационарное уплотнительное кольцо торцового уплотнения РДУ. Оба стационарных уплотнительных кольца были изготовлены из материала углеграфит с металлической пропиткой (МИК-1 по ТУ 3619-006-56508584-03) и имели одинаковую ширину трущихся поверхностей, находящихся в плоскости сопряжения стационарных уплотнительных колец с подвижными уплотнительными кольцами, равную 3 мм.
Конфигурация в сечении типового стационарного уплотнительного кольца (фиг.2) характеризуется отсутствием кольцевого выступа. Т.е. внешний диаметр трущейся поверхности, находящейся в плоскости сопряжения стационарного уплотнительного кольца с подвижным уплотнительным кольцом, и внешний диаметр стационарного уплотнительного кольца совпадают.
Конфигурация в сечении стационарного уплотнительного кольца (фиг.3), выполненного согласно настоящей полезной модели, характеризовалась тем, что на его внешней поверхности на участке его максимального внешнего диаметра вне плоскости его сопряжения с подвижным уплотнительным кольцом образован кольцевой выступ.
По результатам эксперимента, проведенного при давлении жидкости 15 кгс/см2, определяли осевые перемещения узлов конечно-элементных моделей стационарного уплотнительного кольца, выполненного согласно настоящей полезной модели, и типового стационарного уплотнительного кольца торцового уплотнения РДУ.
-3
Было установлено, что у типового стационарного уплотнительного кольца торцевого уплотнения РДУ осевое перемещение точки на наружном диаметре трущейся поверхности составляет +0,0100 мм, точки на внутреннем диаметре трущейся поверхности составляет +0,0018 мм, что в результате дает угол поворота сечения 2,7*10рад (фиг.2).
-3
В тоже время у стационарного уплотнительного кольца (фиг.3), выполненного согласно настоящей полезной модели, осевое перемещение точки на наружном диаметре трущейся поверхности составило +0,0050 мм, точки на внутреннем диаметре трущейся поверхности составило -0,0004 мм, что в результате дает угол поворота сечения 1,8*10рад.
Таким образом, оптимизация конфигурации стационарного уплотнительного кольца в сечении позволила снизить поворот сечения на 1/3, что обеспечило минимизацию деформаций стационарных уплотнительных колец и позволило сохранить параллельность их трущихся поверхностей при работе торцевого уплотнения.
Из изложенного выше следует, что при использовании заявленной полезной модели обеспечивается достижение технического результата, связанного с повышением надежности торцевого уплотнения и облегчением его монтажа.