ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Предлагаемая полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована в компрессорах и насосах различного назначения для уплотнения вращающихся валов.
Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая кольца трения, установленные во вращающейся и аксиально-подвижной обоймах с осевым зазором, образованным вторичным уплотнением, например резиновым кольцом круглого сечения, причем кольца пары трения зафиксированы относительно обойм с помощью упоров, обеспечивающих контактное давление по вторичным уплотнениям. (А.с. №9245; Торцове ущiльнення. Промислова власнiсть. Офiц. бюл. №3, 1996 р. С. 3, 1, 370.)
Недостатком такой конструкции уплотнения вала является сложность расположения упоров, а при высоких частотах вращения ротора упоры могут вносить дополнительный дисбаланс, что ограничивает применение таких уплотнений, а также значительно усложняет процесс проектирования и сдерживает широкое промышленное применение таких уплотнений в компрессорах.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение надежности и расширение области применения уплотнения вала, за счет упрощения конструкции и поддержания работоспособности уплотнения в широком диапазоне рабочих параметров, что позволит обеспечить широкое промышленное применение этих уплотнений в конструкциях компрессоров и насосов.
Эта цель достигается тем, что в известной конструкции торцового уплотнения, содержащей кольца пары трения, установленные во вращающейся и аксиально-подвижной обоймах с осевым зазором, образованным вторичным уплотнением, например резиновым кольцом круглого сечения, установленным в торцовых канавках обойм, а также элементы, фиксирующие кольца пары трения от проворота и осевого смещения относительно обойм и обеспечивающие контактное давление по вторичным уплотнениям, согласно предлагаемой полезной модели элементы, фиксирующие кольца пары трения от проворота и осевого смещения относительно вращающейся и/или аксиально-подвижной обойм и обеспечивающие контактное давление по вторичным уплотнениям, выполнены в виде упругих лент, имеющих продольное рифление, которые размещены между обоймами и кольцами пары трения торцового уплотнения в кольцевых пазах, выполненных на внутренней поверхности вращающейся и аксиально-подвижной обойм или наружной поверхности колец пары трения. В частном случае продольное рифление упругой ленты в поперечном сечении может иметь какую-то определенную форму, например  или , а боковые поверхности кольцевого паза - выполнены в трапецеидальном виде. К тому же упругие ленты могут быть выполнены из пружинной стали или/и бериллиевой бронзы.
Предлагаемая конструкция торцового уплотнения имеет следующие существенные отличительные признаки:
- элементы, фиксирующие кольца пары трения от проворота и осевого смещения относительно вращающейся и/или аксиально-подвижной обойм и обеспечивающие контактное давление по вторичным уплотнениям, выполнены в виде упругих лент имеющих продольное рифление;
- упругие ленты, имеющие продольное рифление, расположены между обоймами и кольцами пары трения торцового уплотнения в кольцевых канавках, выполненных на внутренней поверхности вращающейся и/или аксиально-подвижной обойм;
- упругие ленты, имеющие продольное рифление, расположены между обоймами и кольцами пары трения торцового уплотнения в кольцевых канавках, выполненных на наружной поверхности колец пары трения;
- продольное рифление упругих лент имеет какую-то определенную форму, например  или ;
- боковые поверхности кольцевого паза на внутренней поверхности вращающейся и аксиально-подвижной обойм выполнены в трапецеидальном виде;
- упругие ленты могут быть выполнены из пружинной стали или/и бериллиевой бронзы.
Таким образом, поставленная задача решается следующим путем:
- выполнение элементов, фиксирующих кольца пары трения от проворота и осевого смещения относительно вращающейся и аксиально-подвижной обойм и обеспечивающих контактное давление по вторичным уплотнениям, в виде упругих лент, имеющих продольное рифление, позволит значительно упростить конструкцию и обеспечить ее работоспособность при высоких окружных скоростях вращения вала;
- размещение упругих лент, имеющих продольное рифление, между обоймами и кольцами пары трения торцового уплотнения в кольцевых канавках, выполненных на внутренней поверхности вращающейся и/или аксиально-подвижной обойм, позволит обеспечить надежную фиксацию колец пары трения от проворота и осевого смещения относительно вращающейся и/или аксиально-подвижной обойм и обеспечить требуемое контактное давление по вторичным уплотнениям при строго концентричном расположении колец относительно посадочных поверхностей обойм и оси вращения вала;
- размещение упругих лент, имеющих продольное рифление, между обоймами и кольцами пары трения торцового уплотнения в кольцевых канавках, выполненных на наружной поверхности колец пары трения торцового уплотнения, позволит обеспечить не только надежную фиксацию колец пары трения от проворота и осевого смещения относительно вращающейся и/или аксиально-подвижной обойм и обеспечить требуемое контактное давление по вторичным уплотнениям при строго концентричном расположении колец относительно посадочных поверхностей обойм и оси вращения вала, но и уменьшить наружный диаметр обойм, т.е. обеспечить работоспособность уплотнения вала при более высоких окружных скоростях вращения вала компрессора или насоса;
- выполнение боковых поверхностей кольцевых канавок в трапецеидальном виде позволит исключить выпадение упругой ленты, как при монтаже, так и при работе уплотнения, чем обеспечивается ее работоспособность при высоких окружных скоростях вращения вала компрессора;
- выполнение упругих лент, имеющих продольное рифление определенной формы, например  или , позволит значительно упростить конструкцию и обеспечить ее работоспособность при высоких окружных скоростях вращения вала;
- выполнение упругих лент из пружинной стали или/и бериллиевой бронзы обеспечивает широкий выбор материала упругой ленты в зависимости от ее коррозионной стойкости в уплотняемой среде, что значительно упрощает проектирование уплотнения в целом.
Все это дает возможность повысить надежность и расширить область применения торцового уплотнения в целом за счет упрощения конструкции и поддержания работоспособности уплотнения в широком диапазоне окружных скоростей и рабочих давлений, и позволит обеспечить широкое промышленное применение этих уплотнений в конструкциях турбокомпрессоров и насосов.
Заявляемая конструкция торцового уплотнения, с указанной совокупностью признаков, обеспечивает повышение надежности и расширение области применения уплотнения в целом за счет упрощения конструкции и поддержания его работоспособности в широком диапазоне окружных скоростей роторов компрессоров, насосов и других роторных машин, а также может быть применена в качестве концевых уплотнений на насосах и центробежных компрессорах, перекачивающих различные среды в химической, газовой и других областях промышленности.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого торцового уплотнения, упругие ленты которого расположены в кольцевых канавках, выполненных на наружной поверхности колец пары трения, а на фиг. 2 - продольный разрез предлагаемого торцового уплотнения, в котором кольцевые канавки с боковыми поверхностями трапецеидальной формы выполнены на внутренней поверхности вращающейся и аксиально-подвижной обойм; на фиг. 3, 4, 5 - вид А фиг. 1 и фиг. 2 с различными вариантами выполнения продольного рифления упругих лент.
Торцовое уплотнение состоит из вращающейся обоймы 1, установленной на валу 2, и аксиально-подвижной обоймы 3, установленной в корпусе 4. В обоймах установлены вращающееся 5 и аксиально-подвижное 6 кольца пары трения и вторичные уплотнительные кольца 7 и 8, расположенные в торцовых канавках обойм. На наружной поверхности колец 5 и 6 пары трения (фиг. 1) или внутренней поверхности обойм 1 и 3 (фиг. 2) выполнены кольцевые канавки 9 и 10. В кольцевых канавках 9 и 10 установлены упругие ленты 11 и 12, имеющие продольное рифление (фиг. 3, 4, 5). Предварительное поджатие аксиально-подвижного кольца 6, которое установлено в обойме 3, к кольцу 5, установленному во вращающейся обойме 1, осуществляется пружинами 13, а герметизация обоймы 3 относительно корпуса 4 обеспечивается уплотнительным кольцом 14.
Торцовое уплотнение работает следующим образом.
При установке колец 5 и 6 во вращающуюся 1 и аксиально-подвижную 3 обоймы, упругие ленты 11 и 12, размещенные в кольцевых канавках 9 и 10, деформируются, обеспечивая, как строго концентричное положение колец относительно обойм, так и требуемую жесткость их установки. Это предотвращает осевое смещение и проворачивание колец 5 и 6 пары трения относительно обойм. При этом, если кольцевые канавки 9 и 10 выполнены на внутренней поверхности обойм 1 и 3, то в них вначале устанавливают упругие ленты 11 и 12, а потом впрессовывают кольца 5 и 6. В этом случае возможно выполнение боковых поверхностей кольцевых канавок трапецеидальной формы (фиг. 2 и фиг. 5), что позволит исключить выпадение упругой ленты, как при монтаже, так и при работе уплотнения, чем обеспечивается ее работоспособность при высоких окружных скоростях вращения вала компрессора или насоса. Если же кольцевые пазы выполнены на наружной поверхности колец (фиг. 1 и фиг. 4), то кольца впрессовывают в обоймы совместно с упругими лентами.
В исходном положении кольца 5 и 6 совместно с обоймами 1 и 3 прижаты друг к другу с помощью пружин 13. Кольца 5 и 6 удерживаются от проворачивания и осевого смещения относительно обойм 1 и 3 упругими лентами 11 и 12. Уплотняемая среда, находящаяся перед узлами уплотнений, удерживается от перетечек через зазоры между обоймами 1 и 3 и кольцами 5 и 6 вторичными уплотнительными кольцами 7 и 8, а между аксиально-подвижной обоймой 3 и корпусом 4 - уплотнительным кольцом 14, соответственно. Усилие поджатая пружин 13 и статическая сила от давления уплотняемой среды, прижимающие кольца пары трения друг к другу, больше силы, раскрывающей уплотнительный стык. Это препятствует проникновению уплотняемой среды из полости высокого давления в полость низкого давления, чем обеспечивается герметизация уплотнительного стыка.
При осевом перемещении вала 2 и вращающейся обоймы 1 вместе с ними, благодаря наличию предлагаемой упругой ленты 11, перемещается и кольцо 5, сохраняя при этом требуемое контактное давление по вторичному уплотнительному кольцу 7. Под действием статического давления уплотняемой среды и усилия пружин 13, аксиально-подвижная обойма 3, с установленным в ней кольцом 6, перемещается вслед за кольцом 5, обеспечивая через упругую ленту 12 сохранение требуемого контактного давления по вторичному уплотнительному кольцу 8. При этом кольца занимают некоторое равновесное положение. Таким образом, обеспечиваются условия для совместного перемещения обойм и колец пары трения. Этим гарантируется герметичность торцового уплотнения при различных давлениях уплотняемой среды и частотах вращения. Выполнение упругих лент с продольным рифлением определенной формы, например  или , позволит обеспечить требуемую жесткость установки колец в обоймах, а также значительно упростить конструкцию и обеспечить ее работоспособность при высоких окружных скоростях вращения валов компрессоров или насосов.
Упругие ленты можно изготавливать из различных материалов, например из пружинной стали или/и бериллиевой бронзы. Этим обеспечивается широкий выбор материала упругой ленты в зависимости от ее коррозионной стойкости в уплотняемой среде и требуемых прочностных свойств. Это значительно упрощает проектирование уплотнения в целом. При этом упругие ленты позволяют выполнять многократный монтаж колец пары трения в обоймы, не повреждая посадочные поверхности, сохраняя повышенную точность их установки в течении длительного периода эксплуатации торцовых уплотнений компрессора или насоса. Кроме того, предложенная конструкция обеспечивает упругую установку колец пары трения в обоймах (с торца - вторичное уплотнительное кольцо, а по наружному диаметру - упругая лента), что демпфирует упругие колебания вала.
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности уплотнительного узла и расширении области применения уплотнения в целом, путем упрощения конструкции и поддержания ее работоспособности в широком диапазоне давлений и окружных скоростей роторов турбокомпрессоров, насосов и других роторных машин, а также может быть применено в качестве концевых уплотнений на центробежных компрессорах, перекачивающих различные среды в химической, газовой и других областях промышленности.