УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА Российский патент 1999 года по МПК F16J15/44 

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано при проектировании насосов, компрессоров и т.п.

В насосах широко применяются уплотнения с плавающими кольцами, позволяющие обеспечить высокую экономичность агрегата. В то же время недостаточное самоцентрирование, повышенное трение или раскрытие торцового стыка, возникновение самовозбуждающихся или вынужденных колебаний ведут к отказам уплотнения.

Известно уплотнение вала, содержащее установленное в корпусе плавающее кольцо, образующее с валом радиальную уплотнительную щель, а с корпусом - торцовый стык, и установленную со стороны, обратной торцовому стыку, осевую пружину, опирающуюся на корпус (Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/Л. А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др. Под общ. ред. А.И. Голубева, Л. А. Кондакова, - 2^е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994, стр. 379, рис. 11.23, в - прототип).

Известное уплотнение имеет следующие недостатки.

Сложность сборки из-за необходимости использования нескольких пружин, недостаточное использование возможностей упругой подвески, что на переходных режимах работы, запуске и останове из-за большого момента гидромеханической силы может привести к раскрытию торцового стыка, его наклепам и повреждениям. При использовании в качестве рабочего тела насоса жидкого кислорода это может привести к возгоранию узла уплотнения и разрушению агрегата.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а также повышение работоспособности уплотнений на режимах запуска и останова, в том числе при гидроударах, когда гидромеханическая сила в радиальной щели уплотнения незначительна, повышение виброустойчивости и угловой стабилизации плавающего кольца.

Поставленная задача достигается тем, что в уплотнении вала, содержащем установленное в корпусе плавающее кольцо, образующее с валом радиальную уплотнительную щель, а с корпусом - торцовый стык, со стороны, противоположной торцовому стыку, установлена осевая пружина, выполненная в виде кольцевого упругого элемента.

Для сокращения осевых размеров уплотнения кольцевой упругий элемент выполняется в виде тарельчатой пружины.

Для повышения угловой стабилизации плавающего кольца в кольцевом упругом элементе выполнены дросселирующие отверстия.

На чертеже приведено предлагаемое уплотнение вала, где
1 - корпус,
2 - вал,
3 - плавающее кольцо,
4 - радиальная уплотнительная щель,
5 - торцовый стык,
6 - кольцевой упругий элемент,
7 - дросселирующие отверстия,
δ - зазор в радиальной уплотнительной щели.

В корпусе 1 концентрично с валом 2 установлено плавающее кольцо 3, образующее с валом радиальную уплотнительную щель 4 с зазором δ. Плавающее кольцо опирается о торец корпуса, образуя с ним торцовый стык 5. Со стороны, противоположной торцовому стыку, между плавающим кольцом и корпусом установлена осевая пружина, выполненная в виде кольцевого упругого элемента 6. В кольцевом упругом элементе выполнены дросселирующие отверстия 7.

При работе за счет смещения вала в радиальном направлении, вызванного прогибом или его перемещением в опорах, в радиальной уплотнительной щели под воздействием перепада давлений уплотняемой среды возникает гидромеханическая сила. Под ее действием плавающее кольцо перемещается в радиальном направлении. При этом в торцовом стыке возникает сила трения, препятствующая смещению плавающего кольца. Сила трения в торцовом стыке относительно центра приложения гидромеханической силы создает опрокидывающий момент на плавающем кольце. Сила трения в стыке плавающего кольца и кольцевого упругого элемента создает момент, препятствующий опрокидыванию кольца (раскрытию торцового стыка). Благодаря этому плавающее кольцо на номинальном режиме работы перемещается в радиальном направлении без контакта в радиальной уплотнительной щели поверхностей вала и плавающего кольца.

Для угловой стабилизации плавающего кольца используется дроссель, течение в котором направлено от центра к периферии, выполненный в виде дросселирующих отверстий в кольцевом упругом элементе. В таком дросселе при перекосах возникает восстанавливающий гидростатический момент, способный компенсировать опрокидывающий момент в радиальной уплотнительной щели и в торцовом стыке. Одновременно увеличивается суммарный демпфирующий момент, действующий на плавающее кольцо. Для создания требуемого перепада давления на дросселирующих отверстиях необходимо обеспечить проток уплотняемой жидкости, для чего в корпусе выполняются перепускные отверстия. Перепускные отверстия могут быть заменены пазами в торцовом стыке.

Усилие кольцевого упругого элемента выбирается таким образом, чтобы сила прижатия торца плавающего кольца к корпусу составляла ~ 5 -10% от силы прижатия, вызванной действием гидромеханических сил, на номинальном режиме. При этом на режимах запуска и останова плавающее кольцо работает в режиме, когда сила прижатия плавающего кольца к корпусу превышает гидромеханическую силу в радиальной уплотнительной щели. В этом случае плавающее кольцо под действием соударений с валом занимает такое нейтральное положение, когда при установившемся режиме контакта между плавающим кольцом и валом нет. Так как на этих режимах гидромеханическая сила в радиальной уплотнительной щели незначительна, сила трения в торцовом стыке определяется только усилием кольцевого упругого элемента, следовательно, при соударениях плавающего кольца с валом усилие в зоне контакта мало по сравнению с усилием на номинальном режиме работы.

В то же время, окружной момент сил трения в торцовом стыке, эта сила незначительна, и в стыке плавающего кольца с кольцевым упругим элементом не позволяет валу вовлечь кольцо во вращение при контакте плавающего кольца и вала.

Кольцевой упругий элемент может быть выполнен в виде тарельчатой пружины, кольца с фрезерованными выступами либо в виде волнистой пружины.

Уплотнения, спроектированные и изготовленные с использованием данного изобретения, позволят повысить надежность и расширить функциональные возможности уплотнительных узлов с плавающими кольцами, особенно на переходных режимах, позволяя сохранить высокую экономичность агрегата. Кроме того, исключается возможность вращения плавающего кольца, наклепов в торцовом стыке, что особенно важно для исключения возгорания насосов, перекачивающих жидкий кислород.

Спроектированные с применением данного изобретения уплотнения могут использоваться в агрегатах, работающих на маловязких жидкостях и газах, в том числе в качестве уплотнений турбин, работающих на газообразном водороде.

Изготовление и сборка уплотнений, спроектированных с использованием данного изобретения, не требуют освоения новых материалов и технологических процессов и осуществляются известными приемами изготовления.

Изобретение может быть использовано при проектировании насосов, компрессоров и т.п. В корпусе концентрично с валом установлено плавающее кольцо, образующее с валом радиальную уплотнительную щель с зазором δ. Плавающее кольцо опирается о торец корпуса, образуя с ним торцовый стык. Со стороны, противоположной торцовому стыку, между плавающим кольцом и корпусом установлена пружина, выполненная в виде кольцевого упругого элемента. В кольцевом упругом элементе выполнены дросселирующие отверстия. Изобретение повышает надежность и расширяет функциональные возможности уплотнительных узлов с плавающими кольцами, особенно на переходных режимах, позволяя сохранить высокую экономичность агрегата. Кроме того исключается возможность вращения плавающего кольца, наклепов в торцовом стыке, что особенно важно для исключения возгорания насосов, перекачивающих жидкий кислород. 1 ил.

Уплотнение вала, содержащее установленное в корпусе плавающее кольцо, образующее с валом радиальную уплотнительную щель, а с корпусом - торцовый стык, и установленную со стороны, обратной торцовому стыку, осевую пружину, опирающуюся на корпус, отличающееся тем, что осевая пружина выполнена в виде кольцевого упругого элемента с дросселирующими отверстиями.