МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ ЛАБИРИНТНО-ВИНТОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к насосостроению и к уплотнительной технике, а именно к бесконтактным уплотнениям валов лабиринтно-винтового типа. Может быть использована в центробежных гидромашинах для герметизации подшипниковых узлов.
Известны лабиринтные винтовые уплотнения для узлов с вращающимися валами, содержащие винтовые канавки в виде резьбы либо на роторе, либо на статоре, либо на роторе и статоре одновременно (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).
Эти уплотнения эффективны лишь в узком расчетном диапазоне частоты вращения вала и ненадежны при переменных режимах работы агрегата, когда частота вращения вала изменяется в широких пределах.
Известно лабиринтное винтовое уплотнение, содержащее гладкий цилиндрический ротор и охватывающий его статор с винтовыми пазами на внутренней поверхности, в которых установлена герметизирующая вставка в виде упругой ленты (авторское свидетельство СССР №400759, 1973 г.).
Однако и это «сдвоенное» уплотнение непригодно для обеспечения необходимой герметичности узла при изменении режимов работы агрегата, характеризующихся широким диапазоном частот вращения вала.
Наиболее близким аналогом выбрано аэродинамическое лабиринтно-винтовое уплотнение, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности статора и ротора, по меньшей мере на поверхности последнего из которых выполнена многозаходная резьба, а в случае выполнения резьбы как на роторе, так и на статоре, резьба на них выполнена противоположного направления (Патент РФ №2193698, 2000 г.).
Однако данное изобретение по патенту рассчитано для работы со сжимаемой средой, которая требует для работы подбора своих геометрических параметров резьбы.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание такой конструкции лабиринтно-винтового уплотнения, которая исключает попадание перекачиваемой жидкости в подшипниковый узел.
Технический результат заключается в увеличении срока службы гидромашины.
1
2
Для достижения указанного технического результата используют лабиринтно-винтовое уплотнение, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности ротора и статора, на поверхности которых выполнена резьба противоположного направления, причем число зубьев резьбы на роторе - 175, на статоре - 163, угол нарезки резьбы α-76°, высота h зубьев резьбы - 1 мм, шаги S и S резьбы как на роторе, так и на статоре одинаковы и составляют 0,7 мм, ширина β верхней площадки зуба - 0,15 мм, при этом радиальный зазор δ между ротором и статором составляет 0,15 мм. Для повышения герметичности предлагаемой конструкции, лабиринтно-винтовое уплотнение выполнено многоступенчатым, на выходе из каждой ступени выполнена щель с гладкими стенками - кольцевая проточка прямоугольной формы - с зазором, равным радиальному зазору уплотнения.
1
2
Отличительными признаками данной полезной модели от прототипа будет являться выполнение лабиринтно-винтового уплотнения многоступенчатым, причем на выходе из каждой ступени имеется щель с гладкими стенками -кольцевая проточка прямоугольной формы - с зазором, равным радиальному зазору уплотнения, число зубьев резьбы на роторе - 175, на статоре - 163, угол нарезки резьбы α-76°, высота h зубьев резьбы - 1 мм, шаги S и S резьбы как на роторе, так и на статоре одинаковы и составляют 0,7 мм, ширина β верхней площадки зуба составляет 0,15 мм, при этом радиальный зазор δ между ротором и статором составляет 0,15 мм.
На фиг.1 изображено многоступенчатое лабиринтно-винтовое уплотнение, установленное на валу в корпусе центробежного насоса; на фиг.2 - изображен элемент резьбы ступеней уплотнения; на фиг.3 - ротор многоступенчатого лабиринтно-винтовом уплотнения (резьбы показаны пунктиром); на фиг.4 - статор многоступенчатого лабиринтно-винтовом уплотнения (резьбы показаны
пунктиром); на фиг.5 - расходная характеристика лабиринтно-винтового уплотнения вала центробежного насоса.
Для предотвращения перетечек и попадания перекачиваемой жидкости внутрь защищаемого уплотнением подшипникового узла подбираются геометрические параметры многозаходной резьбы на роторе и статоре уплотнения.
1
2
B1
B2
B1
B2
B1
B2
O1
O2
O1
O2
O1
O2
Многоступенчатое лабиринтно-винтовое уплотнение, как показано на фиг.1 установлено на валу 1 центробежного насоса со стороны рабочего колеса. Уплотнение содержит (см. фиг.1) установленные с радиальным зазором 5 поверхности ротора 2 и статора 3. На поверхностях ротора и статора выполнена многозаходная резьба. При выполнении резьбы как на роторе 2, так и на статоре 3, резьба на них выполнена противоположного направления. Число зубьев резьбы на роторе 2-175, а на статоре 3-163. Угол нарезки резьбы α (см. фиг.2) - 76°. Высота h зубьев (см. фиг.2) резьбы - 1 мм, шаги S и S резьбы как на роторе, так и на статоре составляют 0,7 мм. Ширина β верхней площадки зуба составляет 0,15 мм. Радиальный зазор δ (см. фиг.1)между ротором 2 и статором 3 составляет 0,15 мм. Разница между диаметрами вершин зубьев резьбы 'D, 'D, "D, "D, '''D, '''D ротора и статора и диаметрами 'D, 'D, "D, "D, '''D, '''D оснований их зубьев (см. фиг.3, 4) определяется в зависимости от диаметров ступеней ротора и условия обеспечения необходимых размеров многозаходных резьб ротора 2 и статора 3 уплотнения. Для повышения герметичности предлагаемой конструкции многоступенчатого лабиринтно-винтового уплотнения на выходе из каждой ступени выполнена кольцевая проточка прямоугольной формы 1 (см. фиг.3) с зазором, равным радиальному зазору уплотнения.
При истечении через каждую щель, которая является кольцевым не профилированным отверстием, реализуется неравномерное распределение скоростей; в зависимости от схемы лабиринта и его геометрических параметров при обтекании высокоскоростной струей гладкой или ступенчатой стенки возникают отрывы потока и вихреобразования. Интенсивность вихревого движения в отрывных зонах и в промежуточных камерах определяет степень диссипации кинетической энергии и в конечном итоге расходные характеристики лабиринтного
уплотнения. Существенную роль в этом процессе играет вязкость жидкости. Чем выше вязкость перекачиваемой жидкости, тем ниже будут расходные характеристики лабиринтного уплотнения. Так как уплотнение устанавливается на вращающихся валах, то вращение внутренней поверхности лабиринта оказывает заметное влияние на структуру потока и расход жидкости за счет образования противотоков. Площадь сечения всех щелей и промежуточных камер одинакова, а расход жидкости через каждую последующую щель будет уменьшаться, так как часть жидкости, прошедшей через щель уплотнения, будет образовывать отрывную зону в промежуточной камере. Кроме того, в лабиринтном уплотнении по его длине будет наблюдаться понижение давления в силу того, что часть кинетической энергии жидкости частично будет преобразовываться в теплоту, а еще часть затрачивается на образование отрывной зоны в промежуточной камере и поддержание возвратно-циркуляционного (вихревого) движения в ней.
Предлагаемое лабиринтно-винтовое уплотнение допускает работу на загрязненных жидкостях с 5 процентным включением абразивных частиц. Для исключения изнашивания выступов зубьев резьбы ротора и статора уплотнения среднеарифметический размер песчинок 0,5 мм не должен превышать половины величины радиального зазора уплотнения (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).
Ограничение уменьшения ширины β верхней площадки зуба определяется только технологическими соображениями или износом при перекачке сред с абразивными частицами (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).
Для турбулентного режима движения жидкости оптимальное значение относительного радиального зазора  составляет 0,15. При этом значении  наступает автомодельный режим течения жидкости (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).
Шаг резьбы на фиксированной длине определяет число зубьев резьбы на роторе и статоре. Увеличение числа зубьев на роторе до 185, на статоре до 173 приводит к уменьшению шага резьбы и составляет 0,66 мм. Угол нарезки резьбы
α увеличится до 78°, при этом увеличится расходная характеристика предлагаемого лабиринтно-винтового уплотнения вала центробежного насоса. Под расходной характеристикой уплотнения понимается зависимость величины утечек жидкости Q через лабиринтно-винтовое уплотнение от величины радиального зазора и удерживаемого им давления (напора). Известно, что величина давления, удерживаемого уплотнением, обратно пропорциональна величине радиального зазора, т.е. ΔР~1/δ. Следовательно, чем больше величина радиального зазора, тем меньше величина удерживаемого давления и тем больше величина утечек жидкости Q через уплотнение.
При фиксированном давлении жидкости перед уплотнением (в нашем случае 1 МПа) увеличение радиального зазора увеличит величину утечек через уплотнение (см. фиг.5). Жидкость достигнет подшипникового узла и смазка будет вымываться из него. Последнее приведет к снижению срока службы гидромашины.
Уменьшение числа зубьев на роторе до 165, на статоре до 153 приводит к увеличению шага резьбы до 0,74 мм. Угол нарезки резьбы α уменьшается до 73°, что, как известно, увеличит потребляемую уплотнением мощность. Увеличение потребляемой мощности приведет к дополнительному нагреву жидкости. Нагрев жидкости приведет к снижению ее вязкости и нагреву уплотнительного узла в целом. Процессы теплопередачи обусловят разогрев смазки подшипникового узла и уменьшение вязкости смазки приведут к ее вытеканию. Что опять приведет к снижению срока службы гидромашины
В силу выше сказанного технический результат - увеличение срока службы гидромашины - не будет достигнут.
Как показали экспериментальные исследования при соблюдении в конструкции многоступенчатого лабиринтно-винтового уплотнения размеров, характеризующих многозаходную резьбу и радиальный зазор между ротором 2 и статором 3, в ступенях уплотнения обеспечивается создание необходимого давления в нашем случае 1,168 МПа, которое исключает попадание перекачиваемой жидкости в подшипниковый узел.
Установка уплотнений, имеющих конструкцию в соответствии с данным устройством, в центробежных насосах исключит попадание перекачиваемой жидкости в подшипниковый узел и одновременно увеличивает срок службы гидромашины.