ДВОЙНОЕ ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к технике герметизации вращающихся валов в машинах и аппаратах, работающих под избыточным давлением.

Двойное торцовое уплотнение предназначено для центробежных насосов с валами больших диаметров, вращающихся с большой частотой под воздействием агрессивных жидких и газообразных веществ при высоких параметрах давления и температуры.

В технике герметизации валов известны надежные конструкции торцовых уплотнений, которые применяют герметизации валов мешалок автоклавов, работающих под воздействием высокоагрессивной с абразивными зернами плотной суспензии при высоких параметрах давления и температуры [1, 2]. Эти торцовые уплотнения имеют рациональную конструкцию комплектов герметизирующих деталей, и они получили промышленное применение [3, 4].

ИркутскНИИхиммаш на заводах Минхимнефтемаша наладил мелкосерийное производство автоклавов с такими торцовыми уплотнениями валов мешалок, предназначенных для работы под давлением 10 МПа (100 кгс/см²) и выше. В 1985 г. ИркутскНИИхиммаш на своем экспериментальном производстве изготовил автоклав с перемешивающим устройством, на котором применил многоступенчатое торцовое уплотнение для работы под давлением 32 МПа (320 кгс/см²), при пробном давлении 48 МПа (480 кгс/см²) [5, 6]. Этот автоклав хорошо показал себя в работе. На валу диаметром 60мм, при частоте вращения 225 об/мин утечка запирающей жидкости из торцового уплотнения не превышала 2 см³/ч. Однако торцовое уплотнение такой конструкции можно было применять на малогабаритных автоклавах, емкостью до 1 м³, с диаметром валов мешалок до 60 мм, с частотой вращения до 250 об/мин.

Применение таких торцовых уплотнений в центробежных насосах с валами больших диаметров, вращающихся с частотой в несколько тысяч об/мин под высоким давлением, не дали ожидаемых результатов. Это объясняется тем обстоятельством, что конструкция торцового уплотнения не соответствовала условиям работы насоса. В процессе работы торцового уплотнения с большой частотой вращения в парах трения выделялось большое количество тепла, которое приводило к перегреву колец. В торцовых уплотнениях валов большого диаметра, образуется большая площадь гидравлического нагружения, и поэтому под гидравлическим давлением возникает большая сила прижатия антифрикционных колец к металлическим кольцам пар трения, которая сопровождается выдавливанием запирающей жидкости из щели между торцовыми поверхностями колец пар трения. При отсутствии жидкости происходило сухое трение, пары трения сильно нагревались, кольца растрескивались и теряли герметичность.

В связи с этим для предотвращения отрицательного влияния силы гидравлического нагружения нужно было найти техническое решение для нейтрализации или уменьшения отрицательного действия этой силы.

С этой целью мы усовершенствовали конструкцию двойного торцового уплотнения и дополнили ее устройством для разгрузки колец пар трения. Применение такого устройства позволило уменьшить удельное давление на торцах колец и, вследствие этого, в щели между торцовыми поверхностями колец пар трения сохранить тонкий слой запирающей жидкости, которая смазывала и охлаждала трущиеся поверхности колец.

Коэффициент трения твердых тел в парах колец снизился до коэффициента трения в жидкости. Уменьшилось количество тепла, выделяющегося при трении. Температура колец пар трения находится в допустимых пределах. Верхний комплект герметизирующих деталей двойного торцового уплотнения, расположенный на валу на стороне низкого давления, обрел высокую герметичность, надежность и долговечность.

Пары трения нижнего комплекта герметизирующих деталей двойного торцового уплотнения, расположенного на валу на стороне высокого давления, разгружались от давления запирающей жидкости при возникновении напора в корпусе центробежного насоса. Двойное торцовое уплотнение стало хорошо работать на валах большого диаметра.

Общий вид усовершенствованной конструкции двойного торцового уплотнения показан на чертеже.

Двойное торцовое уплотнение представляет собой комплектное изделие, годное к применению на валах центробежных насосов. Торцовое уплотнение включает в себя прочный корпус 1 из коррозионно-стойкой стали; снабженный крышкой 2, которая через уплотнительную резиновую прокладку 3 герметично и прочно присоединяется шпильками 4.

Внутри корпуса 1 помещается полый вал 5, который предназначен для сборки деталей герметизирующих комплектов в рабочее состояние и последующей установки собранного торцового уплотнения на валу центробежного насоса.

На верхнем конце полого вала 5 на стороне низкого (атмосферного) давления прочно и герметично установлена втулка 6, которая выполняет функцию металлического кольца пары трения верхнего комплекта герметизирующих деталей. Втулка 6 уплотнена на полом валу с применением резинового кольца 7, поперечное сечение стенки которого имеет круглую форму. Для предотвращения проворачивания втулки 6 на полом валу 5 предусмотрено шлицевое соединение.

Для установки втулки 6 на валу 5 на определенном расстоянии по его длине предусмотрен кольцевой уступ, в который упирается втулка при сборке торцового уплотнения. Втулку 6 на полом валу 5 закрепляют гайкой 8. На нижнем конце полого вала 5 на стороне высокого давления снаружи сделан кольцевой выступ В1, верхняя торцовая поверхность которого выполняет функцию кольца пары тренья нижнего комплекта герметизирующих деталей, которым полый вал 5 подвижно уплотняют в корпусе 1 на стороне высокого давления.

Внутри полого вала 5 имеется кольцевой паз для установки резинового уплотнительного кольца 9, поперечное сечение стенки которого имеет круглую форму. Нижний конец полого вала 5 внутри имеет кольцевой уступ У2, которым полый вал 5 упирается в торец кольцевого уступа на валу центробежного насоса при установке торцового уплотнения. Для предотвращения проворачивания на валу насоса полый вал 5 имеет продольный паз Ш для установки шпонки для прочного закрепления полого вала 5 от перемещения в осевом направлении.

На валу центробежного насоса имеется резьба и гайка (на чертеже не показаны).

Корпус 1 торцового уплотнения на осевой внутренней цилиндрической поверхности имеется кольцевой выступ В2, который служит опорой для верхнего и нижнего комплектов герметизирующих деталей двойного торцового уплотнения.

К торцовой поверхности кольцевого выступа снизу плотно прижимается упругое уплотнительное кольцо 10 нижнего комплекта герметизирующих деталей. Упругое уплотнительное кольцо 10 изготовлено из маслобензостойкой резины. Поперечное сечение стенки упругого уплотнительного кольца 10 имеет форму прямоугольного треугольника.

Своей широкой торцовой поверхностью упругое уплотнительное кольцо 10 плотно прижимается к торцовой поверхности обоймы 11, изготовленной из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т. Обойма имеет кольцевой паз П1, который ограничивает распространение тепла через обойму.

На своих торцах по диаметру отверстия обойма имеет бортики, одним из которых она плотно с натягом помещается внутри резинового уплотнительного кольца 10, а другим бортом она по скользящей посадке вставлена во внутрь антифрикционного кольца 12, изготовленного из углеграфита марки АГ1500-Б83.

Это антифрикционное кольцо 12 своей торцовой поверхностью плотно прижимается к торцовой поверхности кольцевого выступа В1 на валу 5.

Верхний комплект герметизирующих деталей двойного торцового уплотнения расположен оппозитно по отношению к нижнему комплекту и опирается на верхнюю торцовую поверхность кольцевого выступа В2 на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 двойного торцового уплотнения.

Верхний комплект включает в себя упругое уплотнительное кольцо 13, выполненное из маслобензостойкой резины, поперечное сечение стенки которого имеет форму прямоугольного треугольника. Узкая торцовая поверхность упругого уплотнительного кольца 13 плотно прижимается к торцовой поверхности кольцевого выступа В2 на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 уплотнения.

К широкой торцовой поверхности упругого уплотнительного кольца 13 своей торцовой поверхностью плотно прижата обойма 14, которая своим цилиндрическим бортом входит плотно с натягом во внутрь упругого уплотнительного кольца 13, изготовленного из маслобензостойкой резины.

Обойма изготовлена из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т. На своей наружной цилиндрической поверхности обойма 14 имеет кольцевой паз П2, который предназначен для ограничения проникновения тепла по металлу от горячего антифрикционного кольца 15 из углеграфита к упругому уплотнительному кольцу 13 из резины. К торцу обоймы 14 плотно прижато антифрикционное кольцо 15, изготовленное из углеграфита марки АГ1500-Б83.

Антифрикционное кольцо 15 с целью обеспечения свободы вращения и перемещения в осевом направлении выполнено плавающей конструкции и поэтому оно не закрепляется ни в корпусе уплотнения 1, ни в металлической обойме 14, ни на полом валу 5. Частью площади своей верхней торцовой поверхности антифрикционное кольцо 15 плотно прижато к торцовой поверхности металлического кольца 6, вращающегося вместе с полым валом 5.

Остальной частью площади торцовой поверхности антифрикционное кольцо 15 плотно прижато к торцовой поверхности обоймы 16 устройства для разгрузки колец пары трения от силы гидравлического давления запирающей жидкости.

Обойма 16 может перемещаться в осевом направлении под давлением жидкости, нагнетаемой в камеру устройства для разгрузки колец пар трения.

На своей внутренней цилиндрической поверхности обойма 16 имеет кольцевой паз ПЗ, который предназначен для ограничения проникновения потока тепла по металлу к резиновому кольцу 17 от нагретого трением антифрикционного кольца 15 из углеграфита.

На цилиндрической поверхности снаружи обойма 16 имеет кольцевой паз для уплотнительного кольца 18 из резины, поперечное сечение стенки которого имеет круглую форму. На верхнем торце обоймы по наружному диаметру имеется бортик, которым обойма 16 охватывает с натягом упругое уплотнительное кольцо 17 из маслобензостойкой резины. Поперечное сечение стенки кольца имеет форму прямоугольного треугольника.

Упругое уплотнительное кольцо 17 из резины надевают с натягом на цилиндрический выступ крышки 2 и узкой торцовой поверхностью упругое уплотнительное кольцо 17 плотно прижимают к плоской торцовой поверхности крышки 2. Высоту, объем и упругую силу резинового кольца 17 устройства для разгрузки пар трения делают равными или немного меньше высоты, объема и упругой силы резинового уплотнительного кольца 13 верхнего комплекта герметизирующих деталей. Площадь гидравлического нагружения деталей рабочего комплекта устройства для разгрузки колец пары трения, расположенного в камере K под крышкой 2 торцового уплотнения, делают равной или немного меньше площади гидравлического нагружения верхнего комплекта герметизирующих деталей, установленных в корпусе 1 торцового уплотнения.

На боковой поверхности корпуса 1 торцового уплотнения снаружи имеется штуцер А для входа запирающей жидкости в корпус торцового уплотнения и штуцер А1 для выхода запирающей жидкости из корпуса.

На верхнем фланце корпуса 1 торцового уплотнения имеется штуцер Б для входа масла в камеру устройства для гидравлической разгрузки пар трения и штуцер Б1 для выхода масла из этой камеры.

Двойное торцовое уплотнение устанавливают на валы центробежных насосов следующим образом.

Собранное торцовое уплотнение полым валом 5 с применением уплотнительного резинового кольца 9, поперечное сечение стенки которого имеет круглую форму, герметично устанавливают на валу насоса и прочно закрепляют шпонкой от проворачивания и гайкой от осевого перемещения (на чертеже не показаны). Своим нижним фланцем через уплотнительную прокладку корпус торцового уплотнения шпильками герметично и прочно присоединяют к фланцу на корпусе центробежного насоса. Корпус торцового уплотнения трубопроводами соединяют со вспомогательным оборудованием для подачи запирающей жидкости, минерального масла, охлаждающей воды и сжатого газа, которые применяют для обслуживания двойного торцового уплотнения при работе под высоким давлением и высокой частоты вращения вала.

Вывинчивают ввертные болты 19 и снимают установочные полукольца 20. Двойное торцовое уплотнение подготовлено к работе. Двойное торцовое уплотнение работает следующим образом. В собранном торцовом уплотнении все кольца своими торцовыми поверхностями плотно прижаты один к другому под действием упругих сил уплотнительных колец, изготовленных из маслобензостойкой резины.

В корпусе 1 торцового уплотнения через штуцер А нагнетают запирающую жидкость, давление которой должно быть на 1-5 атмосфер больше рабочего давления жидкости в корпусе насоса. Таким давлением антифрикционное кольцо 15 верхнего комплекта герметизирующих деталей, установленного на стороне низкого (атмосферного) давления, еще сильнее прижимают к торцовой поверхности металлического кольца 6, установленного на полом валу 5.

В камеру K под крышкой 2 торцового уплотнения, где установлен рабочий комплект деталей устройства для разгрузки колец пары трения, через штуцер Б нагнетают масло, давление которого должно быть равным или на 1 - 3 атмосферы меньше давления запирающей жидкости в корпусе двойного торцового уплотнения.

При нагнетании масла в камеру K под крышкой 2 торцового уплотнения упругое уплотнительное кольцо 17 обжимается вокруг цилиндрического выступа на торце крышки 2, при этом оно уменьшает свои размеры в радиальном направлении и увеличивает свою длину в осевом направлении и, таким способом, перемещает обойму 16 в сторону антифрикционного кольца 15.

Сила, которая перемещает обойму 16, давит на торцовую поверхность антифрикционного кольца 15 и стремится переместить это кольцо во внутрь корпуса уплотнения и, таким образом, противодействует силе, возникающей на торцовой поверхности антифрикционного кольца 15 со стороны верхнего комплекта герметизирующих деталей под действием высокого давления запирающей жидкости в корпусе 1 торцового уплотнения. Суммарная сила, действующая на антифрикционное кольцо 15, прижимает его к торцовой поверхности металлического кольца 6, уменьшается до величины, достаточной для предотвращения раскрытия пары трения и минимальной для работы пары трения при рабочем давлении жидкости, возникшем в корпусе насоса.

При таком давлении в щели между торцовыми поверхностями колец пары трения сохраняется тонкий слой запирающей жидкости и торцовое уплотнение работает с низким коэффициентом трения, обладает высокой герметичностью, надежностью и долговечностью.

Литература
1. United States Patent 3, 951, 417 Арч. 20, 1976. Chernykh
2. United States Patent 4, 088, 330 May 9, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР N 702206. "Торцовое уплотнение вращающегося вала" от 9 января 1978 г., класс F 16 J 15/34. Автор: Черных В.П.

4. Авторское свидетельство СССР N 153523 "Торцовое уплотнение вращающегося вала" от 12 мая 1988 г., класс (51) F 16 J 15/34. Автор: Черных В.П.

5. Авторское свидетельство СССР N 953316 "Многоступенчатое торцовое уплотнение вращающегося вала в аппаратах, работающих под давлением" от 14 января 1981 г., класс F 16 J 15/34. Автор: Черных В.П.

6. Авторское свидетельство СССР N 1619814 "Многоступенчатое торцовое уплотнение вращающегося вала" от 8 сентября 1990 г., класс F 16 J 15/34. Автор: Черных В.П.

Двойное торцовое уплотнение вращающихся валов снабжено устройством для разгрузки колец пар трения от гидравлического давления запирающей жидкости, нагнетаемой в корпус уплотнения. Торцовое уплотнение работает в режиме жидкого трения. Это повышает степень герметичности, надежность и долговечность работы торцового уплотнения на валах большого диаметра, вращающихся с большой частотой в машинах и аппаратах под воздействием высокоагрессивных жидких и газообразных веществ при высоких параметрах давления и температуры, антифрикционное кольцо частью площади своей торцевой поверхности трения герметично прижато к торцевой поверхности металлического кольца скольжения. Остальная часть площади торцевой поверхности антифрикционного кольца опирается на торцевую поверхность металлического кольца устройства для разгрузки антифрикционного кольца. Устройство снижает удельное давление на поверхности трения, обеспечивает смазку трущихся поверхностей запирающей жидкостью, уменьшает износ колец пар трения. 1 ил.

Двойное торцовое уплотнение вращающихся валов в машинах и аппаратах, работающих под воздействием агрессивных жидких и газообразных веществ при высоких параметрах давления, температуры и частоты вращения, содержащее комплекты герметизирующих деталей, включающих антифрикционные кольца плавающей конструкции из углеграфита, металлические кольца скольжения из коррозионностойкой стали и упругие уплотнительные кольца из эластомера, отличающееся тем, что антифрикционное кольцо частью площади своей торцовой поверхности трения, обращенной в сторону низкого (атмосферного) давления, герметично прижато к торцовой поверхности металлического кольца скольжения, плотно и прочно установленного на вращающемся валу, а остальной частью площади торцевой поверхности антифрикционное кольцо опирается на торцевую поверхность металлического кольца устройства для разгрузки антифрикционного кольца от действия силы, возникающей под давлением запирающей жидкости со стороны высокого давления.