УПЛОТНЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА Российский патент 2001 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающихся валов центробежных нагнетателей и компрессоров, перекачивающих газообразные продукты.

Известно уплотнение вала, состоящее из основного торцового и вспомогательного щелевого уплотнений (см. А.И. Голубев и др. Уплотнения и уплотнительная техника, М., Машиностроение, 1986, стр. 445). В данной конструкции роль вспомогательного щелевого уплотнения выполняет самоустанавливающаяся (плавающая) втулка, предназначенная для минимизации утечки затворной жидкости в перекачиваемую среду. Надежность и длительность работы уплотнения с плавающей втулкой зависит от своевременности подачи затворной жидкости, постоянства перепада между затворной жидкостью и перекачиваемой средой, от степени износа плавающей втулки. Данная конструкция имеет небольшой ресурс вследствие износа втулки.

Наиболее близким техническим решением является уплотнение вала центробежного компрессора фирмы "Делаваль" 1982, с. 7, содержащее основное уплотнение т: орцовое и вспомогательное щелевое, образованное вращающимся валом и неподвижной втулкой радиального опорного подшипника, при этом затворная камера, разделяющая основное и вспомогательное уплотнения заполнена затворной жидкостью (в данном случае маслом для смазки и охлаждения подшипника) под давлением, превышающим давление перекачиваемого газа. Однако, несмотря на достаточное совершенство конструкции, совмещение функций опорного подшипника и щелевого уплотнения не избавляет ее от недостатков: колебания расхода масла, перепада давления между маслом и газом, вследствие неизбежного износа подшипника. Кроме того, возможен перегрев подшипника, так как масло, проходящее через него, подогревается основным торцовым уплотнением. Данная конструкция также имеет недостаточную надежность и незначительный ресурс.

Задача, решаемая изобретением - повышение надежности работы уплотнения и увеличение срока его службы.

Технический результат от использования изобретения заключается в осуществлении снижения радиальных и осевых нагрузок на вспомогательное уплотнение и минимизации теплового режима работы основного торцового уплотнения.

Указанный технический результат достигается тем, что вспомогательное щелевое уплотнение имеет, по меньшей мере, два плавающих кольца, каждое из которых установлено в отдельный корпус и контактирует с ним торцовым уплотнительным пояском, при этом каждое плавающее кольцо подвешено в радиальном направлении на пружинах, расположенных в корпусе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под углом 45^o к направлению силы тяжести кольца. Целесообразно, чтобы длина L_y уплотнительной поверхности плавающего кольца имела зависимость 0,15 r ≅ L_y ≅ 0,3 r, а радиальный зазор был в пределах от 0,003 r до 0,005 r, где r - внутренний радиус плавающего кольца. Целесообразно также, чтобы наружный диаметр обоймы был выполнен конструктивно минимальным с коническим переходом к цилиндрической части под углом 75 - 80^o к оси вращения. Целесообразно, чтобы обойма была выполнена с цилиндрическим хвостовиком, наружный диаметр которого образовывал внутреннюю часть вспомогательного щелевого уплотнения.

На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемого уплотнения; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.

Уплотнение вращающегося вала содержит основное торцовое уплотнение и вспомогательное щелевое уплотнение. Через корпус 1 проходит вращающийся вал 2, на котором размещена уплотненная резиновым кольцом 3 обойма 4, являющаяся элементом вращающегося узла основного уплотнения. В торцовой части обоймы 4 установлено антифрикционное кольцо 5, которое, соприкасаясь с антифрикционным кольцом 6, установленного в обойму 7 неподвижного узла, образует с ним подвижный контакт. Обойма 4 выполнена с цилиндрическим хвостовиком 8, причем наружный диаметр хвостовика 8 образует с внутренним диаметром, по меньшей мере, двух плавающих колец 9 вспомогательное щелевое уплотнение. Плавающие кольца 9 на внутреннем диаметре имеют антифрикционное покрытие 10 и устанавливаются в отдельные корпуса 11 Г-образной формы. Количество устанавливаемых корпусов с плавающими кольцами зависит от величины перепада давления на щелевом уплотнении и с увеличением перепада давления количество корпусов 11 с плавающими кольцами 9 возрастает. Кольцо 9 образует с корпусом 11 торцовый уплотняющий контакт через уплотнительный поясок 12. В радиальном направлении плавающее кольцо 9 подвешено на пружинах 13, размещенных в корпусе 11 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях на линии действия силы тяжести кольца и под углом 45^o к ней. Установленный штифт 14 в каждом корпусе 11 предотвращает вращение плавающего кольца 9.

Длина уплотнительной поверхности L_y плавающего кольца выбирается в интервале от 0,15 r до 0,3 r, а радиальный зазор h_о устанавливается в пределах от 0,003 r до 0,005 r, где r - внутренний радиус плавающего кольца.

Наружный диаметр обоймы 4 выполняется конструктивно минимальным с коническим переходом к наружному диаметру хвостовика 8 под углом 75-80^o к оси вращения. Основное торцовое уплотнение со вспомогательным щелевым уплотнением разделены затворной камерой 15.

Уплотнение вращающегося вала работает следующим образом.

Затворная жидкость поступает в затворную камеру 15 через канал 16 под давлением, превышающим давление уплотняемого газа на 0,5-3,0 кгс/см². Вспомогательное щелевое уплотнение снижает давление затворной жидкости до атмосферного, обеспечивая охлаждение основного торцового уплотнения расчетным расходом жидкости и необходимый перепад давления между затворной жидкостью и уплотняемым газом. Основное торцовое уплотнение предотвращает проникновение уплотняемого газа в затворную жидкость, допуская при этом минимальную утечку последней в уплотняемый газ.

При вращении вал прецессирует в опорных подшипниках по траектории, близкой к полуокружности (характерно для высокооборотных компрессоров), соответственно плавающее кольцо перемещается, отслеживая траекторию движения вала. Основным условием безотказной работы плавающего кольца является отслеживание колебаний вала, чтобы между плавающими кольцами и валом не было механического контакта, при сохранении контакта уплотнительного пояска с корпусом. Для уплотнений, применяемых в механизмах с горизонтальным валом, это условие имеет вид (см. А.И. Голубев и др. Уплотнения и уплотнительная техника, М., Машиностроение, 1986 г., стр. 388):
P_n x e_max > F_тр + m x g + k_о(e-h_о),
где P_n - нормальная составляющая гидромеханической силы в радиальной щели;
e_max - максимальная величина смещения кольца относительно вала;
F_тр - сила трения в торцовом стыке;
m - масса кольца;
k_о - жесткость упругой подвески кольца;
e - смещение оси вала от положения геометрической оси корпуса;
h_о - величина радиального зазора щели.

Сила трения в торцовом стыке F_тр между кольцом и корпусом определяется по формуле
F_тр = ΔP•K•f,
где ΔP- перепад давления на плавающем кольце;
K - коэффициент трения покоя в торцовом стыке;
f - коэффициент трения покоя в торцовом стыке.

Известно, что значение длины уплотнительной поверхности L_y рекомендуется выбирать в пределах (0,2 - 0,5) r, где r - внутренний радиус плавающего кольца (см. А.И. Голубев и др. Уплотнения и уплотнительная техника, М., Машиностроение, 1986 г., стр. 398). Однако при больших давлениях нецелесообразно применение кольца с большой длиной L_y, потому что в этом случае оно должно быть весьма массивным. Кроме того, увеличивается вероятность раскрытия торцового стыка при перекосах вала относительно корпуса. Перепад давления затворной жидкости по предлагаемому решению делится пропорционально количеству плавающих колец, что снижает удельное давление в торцовом уплотняющем контакте кольца с корпусом и силу трения в нем.

Известно, (см. А.И. Голубев и др. Уплотнения и уплотнительная техника, М. , Машиностроение, 1986 г., стр. 398), что радиальный зазор h_о в щелевом уплотнении рекомендуется принимать из условия h_о/r = 0,001 - 0,002, где r - внутренний радиус плавающего кольца. В предлагаемом решении данное соотношение увеличено до (0,003 - 0,005) r, что продиктовано необходимостью снятия тепла, выделяемого основным торцовым уплотнением. Исходя из расчетных потерь мощности основного уплотнения и максимального перепада давления между затворной жидкостью и уплотняемым газом, определяется величина радиального зазора h_о в щелевом уплотнении. По результатам расчета радиальный зазор в щелевом уплотнении превышает относительный зазор Ψ в опорных подшипниках компрессоров (см. Н.А. Спицин и др. Опоры осей и валов машин и приборов, Ленинград, Машиностроение, стр. 112):

где d_n - диаметр вкладыша подшипника;
d - диаметр вала подшипника.

Амплитуда перемещения плавающих колец при этом уменьшается, следовательно, практически сохраняется исходная (до установки вала) концентричность плавающих колец относительно вала, обусловленная сжатием одинаковых по жесткости пружин. Согласно (см. Т.М. Башта. Гидропривод и гидропневматика. М., Машиностроение, 1972 г., стр. 40) расход жидкости через эксцентричный кольцевой зазор превышает в 2,5 раза расход при концентричном их положении. Следовательно, в предлагаемом решении независимо от частоты вращения вала обеспечивается равномерность расхода затворной жидкости и перепада давления между последней и уплотняемым газом.

При вращении вал прецессирует в опорных подшипниках по траектории, близкой к полуокружности, плавающие кольца 9, соответственно, перемещаются, отслеживая траекторию перемещения. Это происходит вследствие появления в зазоре плавающих колец 9 гидромеханической силы, величина которой определяется из соотношения (см. А.И. Голубев и др. Уплотнения и уплотнительная техника, М., Машиностроение, 1986 г., стр. 388)
P_n • e_max > F_тр + m • g + k_о(e - h_о),
где P_n - нормальная составляющая гидромеханической силы;
e_max - максимальная величина смещения кольца относительно вала,
F_тр - сила трения в торцовом стыке;
m - масса кольца;
k_о - жесткость упругой подвески кольца;
e - смещение оси вала от положения геометрической оси корпуса;
h_о - величина радиального зазора щели.

Пружины упругой подвески, размещенные диаметрально под углом 45^o к линии действия силы тяжести кольца, позволяет максимально использовать гидромеханическую силу, особенно в вертикальной плоскости, так как жесткость пружин в этом направлении меньше в раза.

Следует отметить, что результирующая гидромеханической силы и сила упругой подвески совпадают с центром массы кольца, тогда как сила трения расположена в плоскости торцового стыка кольца и противодействует вышеуказанным силам. Поскольку длина кольца достаточно мала, поэтому меньше момент сил, стремящихся раскрыть торцовый стык.

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемой конструкции уплотнения, вследствие малой массы плавающего кольца, расчетной жесткости пружин и минимального удельного давления в торцовом стыке, подъемная гидродинамическая сила, действующая на плавающее кольцо, достаточна для отслеживания биения вала на высоких частотах вращения. Затворная жидкость после щелевого уплотнения сливается в картер машины, а затем в циркуляционный бак (на фиг. не показан). Конический переход, выполненный между цилиндрической и торцевой частями обоймы 4, вследствие разности радиусов, образующих конус, обеспечивает интенсификацию охлаждения антифрикционного кольца и облегчает вход затворной жидкости во вспомогательное щелевое уплотнение.

Промышленная применимость очевидна. Опытное уплотнение предлагаемой конструкции прошло испытания в составе центробежного нагнетателя природного газа при давлении 40 кгс/см², при частоте вращения вала 8300 об/мин и показало высокие результаты по надежности, износостойкости плавающих колец и постоянству перепада давления между затворной жидкостью и уплотняемым газом.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающихся валов центробежных нагнетателей и компрессоров. Уплотнение вращающегося вала содержит основное торцовое уплотнение, подвижный контакт которого образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами неподвижного и вращающегося узлов. Последний выполнен в виде обоймы с антифрикционным кольцом. Вспомогательное щелевое уплотнение и основное торцовое уплотнение разделены между собой затворной камерой. Вспомогательное щелевое уплотнение имеет, по меньшей мере, два плавающих кольца, каждое из которых установлено в отдельный корпус и контактирует с ним торцовым уплотнительным пояском. При этом каждое плавающее кольцо подвешено в радиальном направлении на пружинах, расположенных в корпусе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под углом 45^o к направлению силы тяжести. Изобретение позволяет повысить надежность уплотнения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Уплотнение вращающегося вала, содержащее основное торцовое уплотнение, подвижный контакт которого образован взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами неподвижного и вращающегося узлов, последний из которых выполнен в виде обоймы с антифрикционным кольцом, и вспомогательное щелевое уплотнение, разделенные между собой затворной камерой, отличающееся тем, что вспомогательное щелевое уплотнение имеет, по меньшей мере, два плавающих кольца, каждое из которых установлено в отдельный корпус и контактирует с ним торцовым уплотнительным пояском, при этом каждое плавающее кольцо подвешено в радиальном направлении на пружинах, расположенных в корпусе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под углом 45^o к направлению силы тяжести. 2. Уплотнение вращающегося вала по п.1, отличающееся тем, что длина L_y уплотнительной поверхности плавающего кольца имеет зависимость 0,15r ≅ L_y≅ 0,3r, где r- внутренний радиус плавающего кольца. 3. Уплотнение вращающегося вала по п.1 или 2, отличающееся тем, что радиальный зазор h₀, образованный внутренней поверхностью плавающего кольца и наружной поверхностью обоймы вращающегося узла, выполнен из условия 0,003r≅ h ≅ 0,005r. 4. Уплотнение вращающегося вала по п.1 или 2, отличающееся тем, что наружный диаметр обоймы выполнен конструктивно минимальным с коническим переходом к цилиндрической части под углом 75 - 80^o к оси вращения. 5. Уплотнение вращающегося вала по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что обойма выполнена с цилиндрическим хвостовиком, наружный диаметр которого образует внутреннюю часть вспомогательного щелевого уплотнения.