БЛОК ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к торцовым уплотнениям и может быть использовано, например, в конструкции насосов, применяемых в АЭС.

Известно торцовое уплотнение с регулируемым зазором, содержащее вращающееся и невращающееся кольца, вторичное уплотнение, упругий элемент в виде набора пружин и устройство регулирования зазора в виде расположенных в корпусе поршней, одним торцом взаимодействующих с уплотняемой полостью, а другим через пружины с аксиально подвижным кольцом [1]
Известно также торцовое уплотнение, установленное в корпусе между полостью высокого и полостью низкого давления и образованное двумя уплотнительными кольцами, одно из которых размещено на торце кольцевого выступа вала, а другое в статорном элементе, установленном в корпусе, причем полости высокого и низкого давления сообщены посредством дроссельных элементов, обеспечивающих деление давления на ступени уплотнения и дополнительную циркуляцию среды для съема тепла в парах трения [2]
Наиболее близким к изобретению является блок уплотнений вала насоса реактора ВВЭР-1000 [3] содержащий последовательно установленные рабочие ступени и концевую ступень, каждая из которых включает в себя расположенный на валу роторный элемент и контактирующий с ним подпружиненный аксиально подвижный статорный элемент, уплотненный относительно корпуса уплотнительным кольцом, причем полости высокого и низкого давления рабочих ступеней последовательно соединены дроссельными устройствами.

Недостатком известных конструкций торцевых уплотнений является малая надежность из-за возможности раскрытия ступени уплотнения при "зависании" и заклинивании статорного элемента с уплотнительным кольцом в месте посадки его в корпусе при сборке, работе на переходных режимах и повышенном торцевом биении, что приводит к нарушению деления давления между рабочими ступенями уплотнения и повышению нагрузки в паре трения ступени, оставшейся в рабочем состоянии.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы блока торцевых уплотнений.

Технический результат, достигаемый от использования изобретения, заключается в обеспечении принудительного закрытия каждой ступени уплотнения, в случае ее раскрытия, путем снабжения блока в дополнение к пружинам, силовыми ступенчатыми поршнями, уплотняемыми в ступенчатых расточках корпуса и создающими дополнительные усилия на аксиально подвижно статорные элементы при выравнивании давлений в полостях высокого и низкого давлений до и после ступени уплотнения. Указанный технический результат достигается тем, что в корпусе параллельно оси вала выполнены ступенчатые цилиндрические расточки, сообщающиеся по меньшему диаметру с полостью высокого давления, а по большему с полостью низкого давления, в которые установлен аксиально подвижные ступенчатые цилиндрические поршни, уплотненные в расточках по большему и меньшему диаметрам с возможностью взаимодействия конца поршня меньшего диаметра со статорным элементом. Целесообразно диаметры ступенчатых расточек выбирать из условия
, где
D₁ меньший диаметр расточки;
D₂ больший диаметр расточки;
P₁ величина высокого давления перед ступенью;
P₂ величина низкого давления после ступени.

В связи с тем, что дроссельное устройство, соединяющие полости высокого и низкого давления, выбираются в блоках торцевых уплотнений, исходя из условия деления давления пополам по рабочим ступеням уплотнений, т.е. P₂ 0,5P₁, ступенчатые расточки выполняются с отношением меньшего диаметра к большему диаметру не менее 0,7. Кроме того, для удобства эксплуатации, и особенно это относится к концевой ступени уплотнения, ступенчатые расточки в корпусах по большим диаметрам могут быть герметично отделены заглушками от полостей низкого давления, а образовавшиеся полости между торцами поршней и заглушками могут быть соединены каналами в корпусах через запорные устройства с полостями высокого и низкого давления. Это же решение может быть выполнено и для рабочих ступеней уплотнений.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где дан разрез блока торцевых уплотнений.

Блок торцовых уплотнений содержит последовательно установленные рабочие ступени 1 и 2 и концевую ступень 3, каждая из которых включает в себя расположенный на валу 4 роторный элемент 5 и контактирующий с ним аксиально подвижный статорный элемент 6, поджимаемый пружиной 7, установленный в расточке корпуса 8 и уплотняемый в последнем уплотнительными кольцами 10. Корпуса 8 рабочих ступеней уплотнений, устанавливаемые в корпус 11 блока, уплотнены кольцами 12 и содержат дроссельные устройства 13, обеспечивающие деление давления на каждой рабочей ступени 1 и 2 пополам и дополнительную циркуляцию среды для съема тепла в парах трения роторных 5 и статорных 6 элементов. В корпусах 8 рабочих 1 и 2 и концевой 3 ступеней уплотнений параллельно оси вала 4 выполнены ступенчатые цилиндрические расточки, сообщающиеся по меньшему диаметру с полостью 14 высокого давления, а по большему диаметру с полостью 15 низкого давления, в которые установлены аксиально подвижные ступенчатые цилиндрические поршни 16, уплотненные в расточках по большому и меньшему диаметрам уплотнительными кольцами 17 и 18. Перемещение поршней 16 в расточках в сторону полости низкого давления ограничивается, например, разрезными кольцами 19, установленными в проточки корпусов 8. При перемещении поршней 16 в сторону полости 14 высокого давления последние имеют возможность взаимодействовать концом своего меньшего диаметра со статорным элементом 6. Как вариант исполнения блока торцовых уплотнений и для удобства эксплуатации ступенчатые расточки в корпусах 8 по большему диаметру могут быть герметично отделены заглушками 20 с прокладками 21 от полостей низкого давления, а образовавшиеся полости 22 между торцами поршней 16 и заглушками 20 могут быть соединены каналами 23, 24 и 25 в корпусах 8 и 11 через запорные устройства 26 и 27 с полостями высокого давления и низкого давления. Особенно целесообразно это выполнить для концевой ступени уплотнения.

Работа уплотнения заключается в следующем. При нормальной работе блока торцовых уплотнений с помощью дроссельных устройств 13 на каждой рабочей ступени уплотнения 1 и 2 срабатывает половина рабочего давления, в результате чего поршни 16 смещаются в сторону полостей 15 низкого давления до упора в разрезные кольца 19 усилием

где Д₁ меньший диаметр расточки;
Д₂ больший диаметр расточки;
P₁ величина высокого давления перед ступенью;
P₂ величина низкого давления после ступени;
площади сечений расточки меньшего и большего диаметров.

При этом диаметры Д₁ и Д₂ ступенчатых расточек выбираются из условия или при P₂ 0,5P₁>; .

При раскрытии ступеней уплотнения из-за "зависания" и заклинивания статорного элемента 6 с уплотнительным кольцом 9 в месте посадки его в корпус 8 при сборке, работе на переходных режимах изделия или при повышенном торцовом биении в ступенях 1,2 и 3 давление в полостях 14 и 15 выравнивается и при этом усилия на пружинах 7 не хватает, чтобы "закрыть" ступень. В этом случае на поршни 16 действует усилие P₁, т.е. при P₁ P₂ P и поршни 16 смещаются в сторону полости 14, взаимодействуя своими концами меньшего диаметра со статорным элементом 6, прижимая его к роторному элементу 5. При этом ступени уплотнения закрываются и уплотнения начинает работать нормально, а поршень 16 под действием силы F₁ возвращается в первоначальное положение. Количество поршней 16 в каждой ступени выбирается исходя из общего усилия, необходимого для закрытия ступени. Поршни располагаются равномерно по окружности. В случае исполнения блока торцовых уплотнений, в котором ступенчатые расточки в корпусах 8 по большим диаметрам герметично отделены заглушками 20 от полостей 15 низкого давления, при раскрытии ступени уплотнения открывают запорное устройство 26 и среда из полости высокого давления по каналам 23 и 24 поступают в полость 22. В этом случае давление в полости высокого давления и в полости 22 выравнивается и поршень 16 перемещается, взаимодействуя со статорным элементом 6, как было описано выше, и ступень закрывается. После этого запорное устройство 26 закрывается и открывают запорное устройство 27, связывая полость 22 с полостью низкого давления каналами 24 и 25. При нормальной работе ступени уплотнения поршень смещается до упора в разрезное кольцо 19 и запорное устройство закрывается.

Такая конструкция блока торцовых уплотнений позволяет восстановить работу блока в случае "зависания" и раскрытия ступени без разборки и демонтажа изделия, что особенно ценно в насосах, работающих, например, на АЭС, в которых уплотняемая среда обладает повышенной радиоактивностью.

Использование: к области машиностроения, а именно к торцовым уплотнениям, и может быть использовано, например, в конструкции насоса, применяемого на АЭС. Сущность изобретения: в корпусе параллельно оси вала 4 выполнены ступенчатые цилиндрические расточки, сообщающиеся по меньшему диаметру с полостью 14 высокого давления, а по большему диаметру - с полостью 15 низкого давления, в которые установлены аксиально подвижные ступенчатые цилиндрические поршни 16, уплотненные в расточках по большему и меньшему диаметрам с возможностью взаимодействия конца поршня меньшего диаметра со статорным элементом 6. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Блок торцовых уплотнений, содержащий последовательно установленные рабочие ступени и концевую ступень, каждая из которых включает в себя расположенный на валу роторный элемент и контактирующий с ним подпружиненный аксиально подвижный статорный элемент, уплотненный относительно корпуса уплотнительным кольцом, причем полости высокого и низкого давления рабочих ступеней последовательно соединены дроссельными устройствами, отличающийся тем, что в корпусе параллельно оси вала выполнены ступенчатые цилиндрические расточки, сообщающиеся по меньшему диаметру с полостью высокого давления, а по большему диаметру с полостью низкого давления, в которые установлены подвижные ступенчатые цилиндрические поршни, уплотненные в расточках по большему и меньшему диаметрам с возможностью взаимодействия конца поршня меньшего диаметра со статорным элементом. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что диаметры ступенчатых расточек выбраны из условия

где D₁ меньший диаметр расточки;
D₂ больший диаметр расточки;
P₁ величина высокого давления перед ступенью;
P₂ величина низкого давления после ступени. 3. Блок по п.1, отличающийся тем, что ступенчатые расточки в корпусах по большим диаметрам герметично отделены заглушками от полостей низкого давления, а образовавшиеся полости между торцами поршней и заглушками соединены каналами в корпусе через запорные устройства с полостями высокого и низкого давления.