УЗЕЛ ТОРЦОВОГО ИМПУЛЬСНОГО УПЛОТНЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к уплотнительной технике, а именно к узлам торцовых импульсных уплотнений, и может быть использована для уплотнения вращающихся валов насосов, турбин и компрессоров, работающих в агрессивных и криогенных средах.
Как правило, узлы торцового импульсного уплотнения содержат установленное в корпусе аксиально-подвижное металлическое кольцо, которое снабжено вторичным уплотнением, герметизирующим полости с различными значениями давления.
В качестве вторичных уплотнений в этих конструкциях применяются, например, резиновые кольца или металлические сильфоны. Сильфонные уплотнители [см. например, патент Великобритании 1232082, F2B] обладают рядом недостатков, которые делают невозможным использование их в уплотнениях, разделяющих полости с большим перепадом давления. Резиновые уплотнители не могут быть применены в криогенных средах [см., например, авт. свид. СССР №101660, F16J 15/34, 1983 г.].
Прототипом заявляемого технического решения является узел импульсного торцового уплотнения для роторных машин, перекачивающих криогенные среды, способный надежно работать в криогенных средах высокого давления при больших скоростях вращения и на нестационарных режимах с малыми протечками от 0,1 до 0,7 л/с, в зависимости от геометрических размеров торцовой пары [Патент Российской Федерации на изобретение №2187727 С2. 7F16J 15/34. Торцевое импульсное уплотнение. / Громыко Б.М., Каторгин Б.И., Кириллов В.В., Колпаков А.В., Марцинковский В.А., Матвеев Е.М., Постников И.Д., Чернов А.Е., Степанова М.А. /Опубл. 20.08. 2002, бюл. №23. - с.].
Известный узел торцового импульсного уплотнения включает установленное в корпусе аксиально-подвижное подпружиненное металлическое кольцо, снабженное вторичным уплотнением. При этом вторичное уплотнение выполнено в одно целое с аксиально-подвижным кольцом, расположено с его тыльной стороны и представляет собой профилированный конический ус с торцовой контактной поверхностью, имеющей покрытие из мягкого материала. Упругий профилированный конический ус выполнен в виде тонкостенной оболочки с утолщением в месте соединения с аксиально-подвижным металлическим кольцом.
При сборке уплотнительного узла торцовая поверхность уса с натяжением (от 0,02 до 0,07 мм) устанавливается на втулку. Учитывая то, что вторичное уплотнение аксиально подвижного кольца изготовлено в одно целое с кольцом, то в месте контакта поверхность вторичного уплотнения и поверхность уплотнительной втулки, взаимно перемещаясь, подвергаются фреттинг-коррозии. Если исходить из того, что взаимное перемещение поверхностей не может быть исключено вследствие упругости материала, то для борьбы с фреттинг-коррозией следует: а) уменьшить микроперемещения; б) снизить силы трения; в) сосредоточить скольжение в промежуточной среде. В нашем случае микроперемещения при нормальной работе уплотнения стабильны и достигают 0,004 мм. Однако, если при увеличении контактного давления амплитуда смещения остается постоянной, то повреждения усиливаются [Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность). - М.: «Издательство МСХА», 2001. - 616 с.].
За основу полезной модели взята задача обеспечения надежности и герметичности соединения торцовой уплотнительной поверхности вторичного уплотнения в зоне контакта с уплотнительной поверхностью втулки.
Поставленную задачу решают тем, что в узле торцового импульсного уплотнения, который включает аксиально-подвижное металлическое кольцо, установленное в корпусе и обеспеченное вторичным уплотнением, и уплотнительную втулку, согласно полезной модели, на уплотнительной втулке между ней и вторичным уплотнением установлена полимерная промежуточная втулка, а вторичное уплотнение выполнено в виде тонкостенной оболочки.
Промежуточная втулка выполнена из фторопласта Ф-4.
Вторичное уплотнение может быть выполнено из жаропрочного на никелевой основе сплава ХН58МБЮД или безоловянной бронзы, обработанной давлением, в частности, бериллиевой бронзы БрБ2.
Выбор фторопласта Ф-4 в качестве материала для втулки, установленной между вторичным уплотнением и уплотнительной втулкой, обусловлен рядом требований к уплотнительному узлу, а именно: обеспечением высокой химической стойкости к агрессивным средам (например, чистых концентрированных кислот, щелочей, сильных окислителей, восстановителей и растворителей), высокой термостойкости, биологической инертности и низких адгезионных показателей. Материал Ф-4 не взрывоопасен и не горюч, работоспособен в широком интервале температур (от -269 до +260°С), обладает хорошими гидрофобными и диэлектрическими характеристиками. Кроме того, фторопласт Ф-4 имеет отличные антифрикционные свойства и исключительно низкий коэффициент трения (менее 0,1) [К. Джуринский. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ КМПП С ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧАСТОТОЙ 18 ГГц. МАТЕРИАЛЫ, КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНОЛОГИИ - ЭЛЕКТРОНИКА №2. - 2014. - С. 162-170]. При этом, исходя из того, что профессор Гаркунов Д.Н. не рекомендует использовать одноименные материалы в парах трения [Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность). - М.: «Издательство МСХА», 2001. - 616 с.], следует иметь в виду, что коэффициент трения бронзы по бронзе и никелевого сплава по никелевому сплаву составляет более 0,2, что также свидетельствует о предпочтении сделанного выбора.
Контакт в процессе работы уплотнительной контактной поверхности вторичного уплотнения с уплотнительной поверхностью втулки значительно улучшает трибологические свойства пары трения.
На чертеже представлена конструкция предлагаемого узла торцового импульсного уплотнения для турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя (ТНА ЖРД).
Узел торцового импульсного уплотнения включает аксиально-подвижное металлическое кольцо 1, установленное в корпусе и обеспеченное вторичным уплотнением 2 с уплотнительной контактной поверхностью 3, и уплотнительную втулку 4. На уплотнительной втулке 4 между ней и вторичным уплотнением 2 установлена полимерная промежуточная втулка 5, выполненная из фторопласта Ф-4.
Вторичное уплотнение 2 выполнено в виде тонкостенной оболочки из жаропрочного на никелевой основе сплава ХН58МБЮД или безоловянной бронзы, обработанной давлением, в частности бериллиевой бронзы БрБ2.
В процессе работы уплотнительная контактная поверхность 3 вторичного уплотнения 2 контактирует с уплотнительной поверхностью втулки 5.