УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1994 года по МПК F16J15/28 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может найти применение в насосах, компрессорах и турбонасосных агрегатах.

Известен уплотнительный узел, содержащий плавающее кольцо, в которое введена деформируемая тонкостенная L-образного сечения втулка, установленная с упором фланцем в кольцо со стороны полости высокого давления с образованием кольцевой камеры между внутренней поверхностью кольца и втулкой и выполненная с каналами во фланце, сообщающими полость высокого давления с образованной камерой, при этом конец втулки со стороны пространства низкого давления плотно сопряжен с кольцом по цилиндрической и торцовой поверхностям, контактирующим с ответными поверхностями гнезда расточки в теле кольца, величина дросселирующего зазора между валом и цилиндрическим участком кольца с наименьшим диаметром больше толщины стенки втулки в этом сопряжении.

Недостатком этого узла является технологическая трудность обеспечения одновременного контакта с телом кольца торцовых поверхностей фланца L-образной втулки со стороны полости высокого давления и конца втулки со стороны полости низкого давления. Одновременный торцовый контакт указанных поверхностей втулки с телом кольца является условием качественной работы узла уплотнения и гарантом его надежности.

Целью изобретения является повышение технологичности, надежности и качества работы узла уплотнения.

Эта цель достигается тем, что в уплотнительном узле для разделения полостей высокого и низкого давлений, содержащем установленное в корпусе статора и охватывающее вал с образованием дросселирующей цели плавающее кольцо с рабочим и нерабочим торцами, причем в плавающее кольцо со стороны нерабочего торца введена деформируемая тонкостенная втулка для образования кольцевой камеры между внутренней полостью кольца и втулкой, сообщенной с полостью высокого давления, при этом конец втулки со стороны низкого давления плотно сопряжен с кольцом по цилиндрической и торцовой поверхностям, контактирующим с ответными поверхностями гнезда расточки в теле кольца, величина зазора между валом и цилиндрическим участком кольца с наименьшим диаметром больше толщины стенки втулки в этом сопряжении, деформируемая тонкостенная втулка на стороне полости высокого давления сопряжена с кольцом и зафиксирована в нем по радиальной и осевой координатам, а сообщение кольцевой камеры между внутренней полостью кольца и втулкой осуществляется каналами, выполненными в теле кольца или втулки со стороны нерабочего торца, фиксация втулки относительно кольца осуществляется неразъемным соединением, выполненным в виде сварного или паяного соединения, фиксация втулки относительно кольца осуществляется разъемным соединением, выполненным в виде резьбового соединения.

Такое исполнение уплотнительного кольца позволяет повысить технологичность его изготовления, так как отпадает необходимость изготовления точно одинаковых линейных размеров для расстояний между торцовыми поверхностями в кольце и втулке, повысить его надежность, которая в прототипе значительно снижается, если расстояние между торцовыми поверхностями в кольце меньше расстояния, что может привести к заклиниванию деформированного концевого участка втулки на стороне низкого давления (со стороны рабочего торца) в теле кольца, что чревато касанием втулки с ротором при режимах останова или повторного пуска ротора, повысить качество работы узла по сравнению с прототипом в случае, если расстояние между торцовыми поверхностями в кольце больше расстояния во втулке, что приводит к меньшему деформированию кольца втулки со стороны полости низкого давления, значит, и к снижению уплотнительной способности узла.

На фиг.1 показан разрез узла уплотнения кольцом, где сопряжение втулки с кольцом выполнено сварным или паяным соединением; на фиг.2 - то же, с помощью резьбового соединения до нагружения его перепадом давления уплотняемой среды; на фиг.3 - дросселирующая щель при нагружении узла уплотнения рабочим уровнем перепада давления уплотнительной среды; на фиг.4 и 5 - радиальные эпюры давления на наружном и внутреннем радиусах плавающего кольца, а также эпюры результирующего силового нагружения его при различных уровнях нагружающего перепада давления; на фиг.6 и 7 - такие же эпюры для втулки щелевого уплотнения; на фиг.8 - характер изменения величины дросселирующей щели со стороны полости низкого давления с ростом уплотняемого перепада давления в узле уплотнения.

Плавающее кольцо 1, разделяющее пространства 2 из высокого и низкого давлений, установлено в корпусе статора 4, сопряжено с ним торцовой поверхностью 5 и охватывает вал 6 с образованием дросселирующей щели 7.

Плавающее кольцо 1 снабжено щелевым уплотнением, включающим тонкостенную деформируемую втулку 8, установленную в плавающее кольцо 1 с кольцевым зазором, образующим камеру 9, сообщенную с пространством 2 высокого давления посредством каналов 10. Щелевое уплотнение выполнено с устройством 11 фиксации положения втулки 8 от осевого и радиального перемещений, а также с узлами вспомогательных уплотнений 12 и 13. Уплотнение 12 образовано сопряжением торцовых поверхностей, а уплотнение 13 - сопряжением цилиндрических поверхностей втулки 8 и кольца 1 на стороне пространства 3 низкого давления.

Толщина стенки втулки 8 в уплотнении 12 выполнена равной δ₁ .

Величина дросселирующей щели 7 при монтаже узла h_о.

На фиг. 1 устройство 11 фиксации положения втулки выполнено в виде сварного или паяного соединения, а на фиг.2 - в виде резьбового соединения.

Иллюстрации к работе узла уплотнения представлены на фиг.3-5.

Устройство работает следующим образом.

При повышении перепада давления на плавающем кольце 1 тело кольца нагружается на наружном радиусе эпюрой 14 давления, а на внутреннем радиусе эпюрой 15 (см. фиг.4). В то же время втулка 8 щелевого уплотнения нагружается на наружном радиусе эпюрой 16 давления, а на внутреннем эпюрой 17 (см. фиг. 5). Результирующее силовое нагружение тела плавающего кольца для этого случая представлено эпюрой 18 (фиг.6), а втулки 8 - эпюрой 9 (фиг.7).

Высокий уровень нагружения кольца осуществляется лишь в зоне, непосредственно примыкающей к торцовому сопряжению поверхностей 5 кольца 1 и статора 4, а на остальной части может быть выполнено тонкостенным.

Во втулке 8 возникают высокие сжимающие напряжения и значительные перемещения лишь на концевом участке со стороны пространства 3 низкого давления. Перемещение этого конца втулки 8 ведет к уменьшению проходного сечения дросселирующей щели 7 и образованию конфузорной ее формы.

С ростом перепада уплотняемого давления на плавающем кольце вплоть до потери торцового контакта втулки 8 с телом кольца 1 во вспомогательном уплотнении 12 сохраняется представленная картина поведения тела втулки и кольца, характерная для переходного режима работы с тем лишь отличием, что эпюра давления в дросселирующей щели 7 становится полнее из-за роста конфузорности этой щели.

Соответствующие этому случаю нагружения эпюры давления на поверхностях кольца представлены на фиг.4: эпюра 20 - на наружном радиусе кольца, эпюра 21 - на внутреннем радиусе кольца.

На фиг.5 представлены эпюры давления для втулки: эпюра 22 - на наружном радиусе втулки, эпюра 23 - на внутреннем радиусе втулки.

Результирующие эпюры силового нагружения тела плавающего кольца 1 представлены на фиг.6 - эпюра 24, а для втулки 8 - эпюра 25 на фиг.7.

При некотором, определенном для данной конструкции плавающего кольца значении перепада уплотняемого давления деформация конца втулки 8 достигает такой величины, что наружный диаметр втулки становится меньшим внутреннего диаметра d (см. фиг. 3) корпуса кольца. Начинается истечение уплотняемой среды через образовавшийся зазор h₆, сопровождающееся падением давления на участке щели камеры 9. Эпюры давления, нагружающие тело кольца 1, принимают вид эпюр 26 и 27 на наружном и внутреннем радиусах кольца (см. фиг.4), а нагружающие тело втулки - соответственно эпюр 28 и 29 (см. фиг.5).

Результирующие значения нагружающих эпюр на плавающее кольцо 1 представлено эпюрой 30 на фиг.6, на втулку 8 эпюрой 31 на фиг.7.

При этом фактором, ограничивающим перемещение втулки, становится достижение в узле уплотнения определенного соотношения зазоров входных и выходных участков щелей в камере 9 и в дросселирующей щели 7
: = const,$$
определяющее формы эпюр давлений в щелях.

Таким образом, в уплотнительном узле устанавливается автомодельный стационарный режим работы.

Характер изменения зазора h₄ с ростом перепада Δ Р давления на уплотнении между ротором и втулкой 8 со стороны полости 3 низкого давления показан на фиг.8.

Конфузорная форма дросселирующей щели 7 обеспечивает высокую жесткость жидкостного слоя, а значит, и высокую центрирующую способность его в отношении кольца 1.

Использование: в насосах, компрессорах и турбонасосных агрегатах. Сущность изобретения: в корпусе статора установлено охватывающее вал с образованием дросселирующей щели плавающее кольцо с рабочим и нерабочим торцами. В плавающее кольцо со стороны нерабочего торца введена деформируемая тонкостенная втулка для образования кольцевой камеры между внутренней поверхностью кольца и втулкой, сообщенной с полостью высокого давления. Конец втулки со стороны низкого давления плотно сопряжен с кольцом по цилиндрической и торцовой поверхностям, контактирующим с ответными поверхностями гнезда расточки в теле кольца. Величина зазора между валом и цилиндрическим участком кольца с наименьшим диаметром больше толщины стенки втулки в этом сопряжении. Втулка со стороны полости высокого давления сопряжена с кольцом и зафиксирована в нем по радиальной и осевой координатам. Сообщение кольцевой камеры между внутренней полостью кольца и втулкой с полостью высокого давления осуществляется каналами, выполненными в теле кольца или втулки со стороны нерабочего торца. Втулка относительно кольца фиксируется неразъемным соединением, выполненным в виде сварного или полного соединения или резьбового соединения. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ для разделения полостей высокого и низкого давлений, содержащий установленное в корпусе статора и охватывающее вал с образованием дросселирующей щели плавающее кольцо с рабочим и нерабочим торцами, причем в плавающее кольцо со стороны нерабочего торца введена деформируемая тонкостенная втулка для образования кольцевой камеры между внутренней поверхностью кольца и втулкой, сообщенной с полостью высокого давления, при этом конец втулки со стороны низкого давления плотно сопряжен с кольцом по цилиндрической и торцевой поверхностям, контактирующим с ответными поверхностями гнезда расточки в теле кольца, а величина зазора между валом и цилиндрическим участком кольца с наименьшим диаметром больше толщины стенки втулки в этом сопряжении, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, надежности и качества работы узла уплотнения, деформируемая тонкостенная втулка на стороне полости высокого давления сопряжена с кольцом и зафиксирована в нем по радиальной и осевой координатам, а сообщение кольцевой камеры между внутренней полостью кольца и втулкой с полостью высокого давления осуществляется каналами, выполненными в теле кольца или втулки со стороны нерабочего торца. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что фиксация втулки относительно кольца осуществляется неразъемным соединением, выполненным в виде сварного или паяного соединения. 3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что фиксация втулки относительно кольца осуществляется разъемным соединением, выполненным в виде резьбового соединения.