ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ
END SEAL

Предлагаемое техническое решение относится к области машиностроения, а более конкретно к торцовым уплотнениям вращающихся валов главных циркуляционных насосов (ГЦН) атомных электростанций (АЭС) или других крупногабаритных нагнетательных агрегатов, перекачивающих жидкости или газы с высокой температурой.
Разработка, изготовление, эксплуатация и испытания новых ГЦН показали, что с возрастанием габаритов (т.е. диаметра уплотняемого вала до 250 мм и более) насосов значительно увеличиваются размеры торцовых уплотнений вала, соответственно, пар трения и элементов вращения.
Современные материалы пар трения из карбида кремния и вторичные уплотнительные элементы на основе фторкаучука способны работать в условиях температур до 300°С. Однако с возрастанием требований по надежности и долговечности к АЭС растут требования к основному оборудованию - ГЦН, в том числе и к крупногабаритным торцовым уплотнениям. Высокие требования по надежности и длительности эксплуатации (ресурсу), предъявляемые к торцовому уплотнению, в первую очередь обеспечиваются снижением влияния элементов уплотнения друг на друга при его работе.
Известно торцовое уплотнение, подвижный уплотняющий контакт которого образован взаимодействующими по уплотнительному пояску вращающимся и неподвижным элементами, по меньшей мере, один из которых состоит из опорного элемента, взаимодействующего в радиальном направлении через вторичное уплотнение с базовой деталью, и антифрикционного кольца контактирующего с ним по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения (см., например, авторское свидетельство СССР №542869, М. Кл. F16J 15/34, опубликовано 15.01.1977).
Размещение кольцевого пояска в пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения исключило влияние температур и давления, воздействующих от опорного элемента на антифрикционное кольцо, что позволило стабилизировать работу уплотнения.
Расположение кольцевого пояска по отношению к ширине уплотнительного пояска может быть разным. Кольцевой поясок может быть расположен ближе к входной кромке или к выходной кромке уплотнительного пояска, в зависимости от этого сила давления на поперечное сечение кольца будет поворачивать на разный угол, образуя конфузорный зазор разной величины (см. фиг. 6). Меньший угол конфузорности образуется при расположении кольцевого пояска ближе к входной кромке уплотнительного пояска. Расположение кольцевого пояска по отношению к уплотнительному пояску не оказывает значительного влияния на антифрикционных кольцах размером до 200 мм.
Недостатком данного устройства является то, что с увеличением размеров оборудования, в котором используется торцовое уплотнение, приведет к увеличению площади уплотнительного пояска, повышению температуры в паре трения, увеличению деформации поперечного сечения антифрикционного кольца от действия сил давления, что нарушает плоскопараллельность уплотнительного стыка и в целом работу уплотнения.
Известно торцовое уплотнение, содержащее корпус, вал, уплотнительный блок, состоящий из антифрикционного кольца и опорного элемента, контактирующих по кольцевому пояску. На антифрикционном кольце выполнен уплотнительный поясок и, расположенная со стороны высокого давления, гидродинамическая ступень. Антифрикционное кольцо уплотнительным пояском и гидродинамической ступенью взаимодействует с неподвижным кольцом (см., например, авторское свидетельство СССР №871579, МПК F16J 15/34).
В данном уплотнении сочетание двух составляющих, деформации поперечного сечения от силы внешнего давления от контакта с кольцевым пояском и силы возникающей от гидродинамической ступени, увеличивает конфузорный зазор уплотнительного стыка. В уплотнениях небольшого диаметра с малой шириной уплотнительного пояска наличие конфузорного зазора благоприятно сказывается на работе уплотнения (рабочая жидкость легко попадает в уплотнительный стык), так как угол конфузора мал и пары трения быстро прирабатываются.
Недостатком данного устройства является то, что, как и в предыдущем случае, с увеличением размеров оборудования, где используется торцовое уплотнение, приводит к увеличению ширины уплотнительного пояска, повышению температуры в паре трения, увеличению деформации поперечного сечения антифрикционного кольца от действия сил внешнего давления и силы возникающей от гидродинамической ступени, что нарушает плоскопараллельность уплотнительного стыка, увеличивается конфузорный зазор (см. фиг. 7), через который может быть повышенная протечка рабочей жидкости. Кроме того, в увеличенный зазор могут попасть абразивные частицы, которые неизменно приведут к износу пар трения. Увеличенный угол конфузора приведет к развороту выходной кромки уплотнительного стыка и работе по ответному кольцу, что может привести к самоизнашиванию пар трения.
В итоге все перечисленные факторы снижают работоспособность и уменьшают ресурс уплотнения.
Наиболее близким техническим решением является патент Российской Федерации №2159884, МПК F16J 15/34, опубликовано 27.11.2000 - прототип.
Торцовое уплотнение содержит уплотняющий подвижный контакт, образованный взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами вращающегося и неподвижного узлов, по меньшей мере, один из которых состоит из опорного кольца, взаимодействующего в радиальном направлении через вторичное уплотнение с корпусом, и антифрикционного кольца, взаимодействующего с опорным кольцом в осевом направлении по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения.
К недостаткам этого устройства-прототипа относится то, что данное торцовое уплотнение выполнено таким образом, что гидростатические силы давления, действующие на торцовые поверхности антифрикционного кольца, изначально приводят к созданию конфузорной формы зазора.
При конфузорной форме щели повышается возможность проникновения твердых частиц в щель и абразивного износа уплотняющих поверхностей колец.
Также при конфузорной форме щели в торцовом уплотнении тепловыделения значительно отличаются от тепловыделений при ее плоской форме. Зачастую именно температурные явления в узлах торцовых уплотнений становятся ответственными за значительный износ колец пары, трещинообразование на поверхности колец или даже за их разрушение.
Также в изобретении-прототипе говорится, что наилучшее расположение линии вторичного уплотнения должно находиться в пределах 0,7…0,75 ширины уплотнительного пояска, но это не что иное, как коэффициент гидравлической нагруженности, который может находиться в пределах 0,6…0,9 (В.А. Мельник. Торцовые уплотнения валов. М: Машиностроение, 2008, стр. 25) для разгруженных уплотнений.
Интервал выполненных в данном изобретении тангенциальных канавок (гидродинамических ступеней) в количестве от 5 до 8 штук не является обязательным, может быть не менее двух расположенных равномерно по окружности и количество их выбирается из условий прочности пар трения и гидравлической составляющей ступеней.
Целью предлагаемого конструктивного решения является обеспечение стабильной работы уплотнения и увеличение срока его службы.
Технический результат от использования изобретения заключается в создании плоскопараллельного зазора в уплотнительном стыке с постоянным слоем жидкости, распределенным по всему уплотнительному стыку, за счет которого температурные поля, возникающие в уплотнительном стыке, будут равномерно распределяться по всей поверхности колец, что приведет к термостабильной работе уплотнения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в торцовом уплотнении, содержащем подвижный уплотнительный поясок, образованный парой антифрикционных колец, одно из которых имеет гидродинамическую ступень и взаимодействует через опорный элемент в радиальном направлении через вторичное уплотнение с корпусом, а в осевом направлении по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения, при этом передняя кромка кольцевого пояска образована внутренней стороной кольцевой канавки, в которой расположено эластичное кольцо круглого сечения, антифрикционные кольца выполнены симметричными в поперечном сечении, предусмотрены следующие отличия, на периферийной части невращающегося уплотнительного кольца с двух сторон выполнены равномерно располагающиеся гидродинамические ступени, кольцевой поясок опорного элемента расположен посередине уплотнительного пояска, а центр эластичного кольца круглого сечения находится в пределах входной кромки уплотнительного пояска.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: расположение кольцевого пояска посередине уплотнительного пояска и равномерно расположенных на невращающемся уплотнительном кольце с двух сторон гидродинамических ступеней должно привести к созданию плоскопараллельного зазора в уплотнительном стыке с постоянным слоем жидкости, распределенным по всему уплотнительному стыку.
При этом сила прижатия будет приблизительно равна силе раскрытия в уплотнительном стыке, тем самым равнодействующая сила будет стремиться к нулю. А также и угол раскрытия уплотнительного пояска согласно формуле:
где ϕ - угол раскрытия уплотнительного пояска, рад;
F - равнодействующая силы эпюры гидродинамического давления, Н;
L - плечо действия силы F, см;
R - равнодействующая сила давления резинового кольца, Н;
Е - модуль упругости антифрикционного кольца, МПа;
c
4
I - момент инерции сечения антифрикционного кольца, см;
K - плечо действия силы R, см, имеющее значение, в зависимости от места расположения кольцевого пояска, определяемое неравенством:
0,25b+0,4D≤K≤b+0,4D,
где b - ширина уплотнительного пояска, см;
D - диаметр сечения уплотнительного кольца, см.
будет стремиться к нулю, т.е. F≈R.
Таким образом, будет обеспечиваться плоскопараллельный зазор в уплотнительном стыке.
В плоскопараллельном зазоре пары трения торцового уплотнения будет иметься слой жидкости, распределенный по всему уплотнительному стыку, за счет которого температурные поля, возникающие в уплотнительном стыке, будут равномерно распределяться по всей поверхности колец, что приведет к термостабильной работе уплотнения.
Исходя из выше сказанного, с учетом имеющихся отличий, данное конструктивное решение соответствует требованиям изобретения.
Данное изобретение обеспечит стабильную работу уплотнения и увеличение его срока службы.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - продольный разрез предлагаемого торцового уплотнения;
на фиг. 2 - выносной элемент А фиг. 1;
на фиг. 3 - эпюры гидростатических сил, действующих на антифрикционное кольцо;
на фиг. 4 - схема действия равнодействующей силы гидродинамического давления;
на фиг. 5 - схема действия равнодействующей силы контактного давления резинового кольца.
На вращающемся валу 1 располагается вращающееся антифрикционное кольцо 2, которое контактирует с антифрикционным кольцом 3 по уплотнительному пояску 4 с входной 5 и выходной 6 кромками. Антифрикционные кольца 2, 3 выполнены симметричными в поперечном сечении. Вращающееся антифрикционное кольцо 2 герметизируется по валу 1 резиновым кольцом 7. Антифрикционное кольцо 3 устанавливается в опорный элемент 8 и контактирует с ним по кольцевому пояску 9, расположенному в диаметральных пределах входной кромки 5 уплотнительного пояска 4 и вторичного уплотнения. Передняя кромка 10 кольцевого пояска 9 образована внутренней стороной кольцевой канавки 11, в которой размещено резиновое кольцо 12, центр которого находится в пределах входной кромки уплотнительного пояска 4. Особенностью кольцевого пояска 9 является то, что он расположен посередине уплотнительного пояска 4. Опорный элемент 8 в радиальном направлении контактирует с корпусом 13 через резиновое кольцо 14, расположенное на линии вторичного уплотнения 15. На антифрикционном кольце 3 выполнена кольцевая канавка 16, которая, совместно с полостью уплотняемой жидкости 17, составляют единую полость. Наружный диаметр кольцевой канавки 16 и внешний диаметр антифрикционного кольца 3 образуют на его периферийной части с обеих сторон равномерно располагающиеся гидродинамические ступени 18, 19. Первоначальное поджатие антифрикционного кольца 3 к вращающемуся кольцу 2 обеспечивается пружинами 20.
Предлагаемое уплотнение работает следующим образом.
Под действием давления уплотняемой жидкости, заполняющей полость 17, опорный элемент 8 через кольцевой поясок 9 передает усилие гидравлического нагружения антифрикционному кольцу 3, которое в свою очередь прижимается к вращающемуся антифрикционному кольцу 2, образуя герметичный уплотняющий контакт.
При вращении происходит нагревание, в первую очередь, антифрикционных колец за счет трения в уплотнительном пояске 4. Для разбивания потока вращающейся среды выполнены гидродинамические ступени 18 и 19, а для уменьшения площади трения ступени выполнены с занижением к основной плоскости уплотнительного пояска 4. В этом случае, часть потока среды проходит через кольцевую канавку 16, охлаждая уплотнительный поясок 4. Аналогично происходит охлаждение антифрикционного кольца 3 с обратной стороны.
Таким образом, выполненное положение конструктивных элементов в целом улучшает тепловой режим при работе уплотнения, что в итоге увеличивает надежность и ресурс изделия.