УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА Российский патент 2003 года по МПК F16J15/16 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбокомпрессорах и насосах различного назначения для уплотнения вращающихся валов.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому положительному технико-экономическому эффекту является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное герметично в корпусе и разделяющее между собой полости высокого и низкого давления аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вторичным уплотнением, размещенным в кольцевой проточке корпуса, и закрепленное на валу вращающееся уплотнительное кольцо (Патент Украины 21905 F 16 J 15/16 от 28.02.95).

Однако такая конструкция уплотнения вала имеет низкую надежность, т.к. в процессе работы при высоких давлениях уплотнение вала теряет самоцентрирующую способность. На практике встречаются случаи, когда в процессе работы компрессора может изменяться состав перекачиваемого газа. В этих случая уплотнение работает не на расчетных параметрах, что также снижает надежность уплотнительного узла.

В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения надежности работы уплотнения вала на различных режимах путем улучшения триботехнических свойств трущейся пары "аксиально-подвижное уплотнительное кольцо - вращающееся уплотнительное кольцо", а также за счет использования канавок на периферии вращающегося уплотнительного кольца со ступенчатыми участками различной глубины и геометрической формы.

Поставленная задача решается тем, что уплотнение вала, содержащее установленное герметично в корпусе и разделяющее между собой полости высокого и низкого давления аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вторичным уплотнением, размещенным в кольцевой проточке корпуса, и закрепленное на валу вращающееся уплотнительное кольцо, на торцевой поверхности которого выполнена уплотнительная перегородка и расположены на периферии канавки, согласно изобретению между вращающимся уплотнительным кольцом, на наружной периферии которого выполнены канавки, и аксиально подвижным уплотнительным кольцом установлено промежуточное кольцо. Канавки выполнены в форме трапеции. Канавки дополнительно снабжены, по крайней мере, одним углублением и/или выступом, выполненными в виде трапеции. Канавка выполнены в форме равнобокой трапеции. Канавки дополнительно снабжены, по крайней мере, одним углублением и/или выступом в виде равнобокой трапеции. Канавки выполнены в форме прямоугольника. Канавки дополнительно снабжены, по крайней мере, одним углублением и/или выступом, выполненными в виде прямоугольника. Промежуточное кольцо выполнено из углеграфита.

Таким образом, предлагаемая конструкция уплотнения вала обладает следующими отличительными признаками:
- между вращающимся уплотнительным кольцом, на наружной периферии которого выполнены канавки, и аксиально-подвижным уплотнительным кольцом установлено промежуточное кольцо. Это предусмотрено для снижения коэффициента трения между аксиально-подвижным уплотнительным кольцом и вращающимся уплотнительным кольцом, что позволяет использовать аксиально-подвижное уплотнительное и вращающееся уплотнительное кольцо, изготовленные из твердосплавных материалов, что, в свою очередь, позволяет уменьшить величину деформаций этих колец и сохранить самоцентрирующую способность уплотнения вала;
- канавка выполнена в форме равнобокой трапеции. Предназначена для захвата газа.

Конструкция канавки позволяет захватывать одинаковое количество газа при обычном и реверсивном вращении вала. Это обеспечивается равенством углов наклона боковых сторон трапеции; канавка, выполненная в виде равнобокой трапеции, работает одинаково в обоих направлениях вращения вала, что также удобно при замене деталей (идентичность колец для правого и левого уплотнения). Еще одним из преимуществ использования данной канавки является предотвращение поломки колец при возможном аварийном вращении вала в противоположную сторону от обычного направления.

- канавка дополнительно снабжена, по крайней мере, одним углублением и/или выступом, выполненными в виде равнобокой трапеции. Ступенчатая структура канавки создает зоны повышенного давления на каждой ступени канавки, что делает несущий слой более жестким, а уплотнительный зазор более устойчивым; форма выступа или углубления в виде равнобокой трапеции предназначена для того, чтобы повторить геометрию первоначальной канавки;
- канавка выполнена в форме трапеции. Предназначена для захвата газа. Позволяет захватывать разное количество газа при обычном и реверсивном вращении вала, что обеспечивается разностью углов наклона боковых сторон трапеции; канавка, выполненная в форме произвольной трапеции, работает не одинаково в обоих направлениях. Углом наклона боковых сторон трапеции можно регулировать эффективность нагнетания газа и соответственно расход газа через уплотнение при разных направлениях вращения вала;
- канавка дополнительно снабжена углублением и/или выступом, выполненными в виде трапеции. Ступенчатая структура канавки создает зоны повышенного давления на каждой ступени канавки, что делает несущий слой более жестким, а уплотнительный зазор более устойчивым; форма выступа или углубления выполняется в виде трапеции для того, чтобы повторить геометрию первоначальной канавки;
- канавка выполнена в форме прямоугольника. Прямоугольная канавка работает не так эффективно, как канавка трапециевидной, но проста в изготовлении, что является основным ее достоинством (за счет прямых углов); канавка в форме прямоугольника работает одинаково в обоих направлениях вращения вала.

- канавка дополнительно снабжена углублением и/или выступом, выполненными в виде прямоугольника. Ступенчатая структура канавки создает зоны повышенного давления на каждой ступени канавки, что делает несущий слой более жестким, а уплотнительный зазор более устойчивым; форма выступа или углубления выполняется в виде трапеции для того, чтобы повторить геометрию первоначальной канавки;
- промежуточное кольцо выполнено из углеграфита. Углеграфит, пропитанный различными компонентами (сурьма, кремний, фенолформальдегидные смолы и т.п. ), обладает хорошими триботехническими (антифрикционными) свойствами, что необходимо при размещении промежуточного кольца между аксиально-подвижным уплотнительным кольцом и вращающимся уплотнительным кольцом, которые изготовлены из твердосплавных материалов (карбид кремния, карбид вольфрама и т.п. ). Это обеспечивает хорошие триботехнические свойства пары "твердый сплав по твердому сплаву".

Ступенчатая структура канавки создает зоны повышенного давления на каждой ступени канавки, что делает несущий слой более жестким, а уплотнительный зазор более устойчивым; форма выступа или углубления выполняется в виде трапеции для того, чтобы повторить геометрию первоначальной канавки;
Традиционно в узлах сухих газовых уплотнений вращающееся уплотнительное кольцо выполняется из жесткого и прочного материала, как правило, из твердого сплава (карбид кремния, карбид вольфрама, и т.п.), а аксиально-подвижное уплотнительное кольцо выполняется из материала с меньшими прочностными свойствами с хорошими триботехническими свойствами, как правило, из углеграфита, пропитанного различными компонентами (сурьма, кремний, фенолформальдегидные смолы и т.п.). Главным условием удовлетворительной работы уплотнения является условие сохранения плоскопараллельности уплотнительного зазора между вращающимся уплотнительным кольцом и аксиально-подвижным уплотнительным кольцом. При сравнительно небольших изменениях величины газового зазора появляется пара сил, стремящихся восстановить первоначальный зазор. Т.е. уплотнение обладает самоцентрирующей способностью. Однако в узлах уплотнений, работающих при высоких давлениях (свыше 110 кг/см²), происходят сильные деформации углеграфитового аксиально-подвижного уплотнительного кольца. Величина деформаций превышает размер уплотнительного зазора и, следовательно, уплотнение теряет самоцентрирующую способность. Чтобы уменьшить деформации аксиально-подвижного уплотнительного кольца, его, как и вращающееся уплотнительное кольцо, необходимо изготавливать из твердого сплава. Однако трущаяся пара "твердый сплав по твердому сплаву" обладает плохими триботехническими свойствами. Для снижения коэффициента трения в данном техническом решении между вращающимся уплотнительным кольцом и аксиально-подвижным уплотнительным кольцом, выполненными из твердого сплава, устанавливают промежуточное кольцо, выполненное из углеграфита. При этом за счет газовых сил, действующих в уплотнительном зазоре, промежуточное кольцо будет плотно прижато к аксиально-подвижному уплотнительному кольцу, причем для герметизации контактные поверхности торцов обоих колец необходимо притереть. Аксиально-подвижное уплотнительное кольцо будет обеспечивать малые деформации при высоком давлении, а промежуточное кольцо будет обеспечивать хорошие триботехнические свойства трущейся пары. При проектировании уплотнения одной из рассчитываемых величин является глубина динамических канавок. Параметром, влияющим на расчетную глубину канавки, является вязкость уплотняемого газа. Вязкость, как известно, зависит от состава уплотняемого газа и его параметров (температура, давление). На практике, однако, встречаются случаи, когда компрессор работает не только на различных режимах (по температуре и давлению), но в процессе работы может изменятся состав перекачиваемого газа. В этих случаях уплотнение работает не на расчетных параметрах, что снижает надежность уплотнительного узла. Предлагаемая конструкция уплотнения вала позволяет осуществлять реверсивное направление вращения вала и за счет динамических канавок со ступенчатыми участками различной глубины получить устойчивую работу уплотнения на различных режимах (по температуре и по давлению) и для различного состава уплотняемого газа. Ступенчатая структура динамической канавки создает зоны повышенного давления на каждой ступени канавки, что делает несущий слой более жестким, а уплотнительный зазор более устойчивым.

Таким образом, все существенные признаки настоящего технического решения направлены на решение поставленной задачи, а именно повышение надежности работы уплотнения вала.

Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлен продольный разрез уплотнения вала;
на фиг.2 - вид канавки в форме равнобокой трапеции;
на фиг.3 - вид канавки в форме трапеции;
на фиг.4 - вид канавки в форме прямоугольника.

Уплотнение вала содержит следующие детали.

На валу 1 установлены корпус 2, втулка основная 3, вращающееся уплотнительное кольцо 4, на торцевой поверхности которого выполнена уплотнительная перегородка (не показана), и расположенные на периферии канавки (не показаны); на валу 1 также установлено аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 5, размещенное в кольцевой проточке корпуса 2, с L-образной обоймой 6, нажимной пружиной 7. Над аксиально-подвижным уплотнительным кольцом 5 установлен штифт 9. Между вращающимся уплотнительным кольцом 4 и аксиально-подвижным уплотнительным кольцом 5 установлено промежуточное кольцо 10, выполненное из углеграфита.

Уплотнение вала работает следующим образом.

Перекачиваемый газ или жидкость, находящийся в полости высокого давления (не показана), поступает в канавки (не показаны), выполненные на периферии вращающегося уплотнительного кольца 4. При вращении вала 1 канавки воздействуют на газовую среду или жидкость и повышают ее давление, что приводит к созданию уплотнительного слоя с большей плотностью, чем в полости низкого давления (не показано). Кроме того, компримируемый газ при движении к центру встречает сопротивление донной части канавок (не показаны) и уплотнительной перегородки (не показана). Указанные силовые факторы позволяют установить и поддержать стабильную величину торцового уплотнительного зазора на основе равенства гидростатических сил, действующих на наружные поверхности вращающегося уплотнительного кольца 4 и аксиально-подвижного уплотнительного кольца 5, усилия от нажимной пружины 7 и гидродинамической уравновешивающей силы, возникающей за счет воздействия канавок (не показаны) на газовую среду. В предпочтительном варианте вращающееся уплотнительное кольцо 4 и аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 5 изготавливаются из твердых сплавов, например из карбида вольфрама или металлокерамики, т.е. из материала с минимальными деформациями в процессе работы. Между вращающимся уплотнительным кольцом 4 и аксиально-подвижным уплотнительным кольцом 5 установлено промежуточное кольцо, выполненное из углеграфита, которое при вращении вала 1 улучшает триботехнические свойства уплотнительных колец, выполненных из твердосплавных материалов.

Возможны несколько вариантов изготовления канавок (не показаны). В зависимости от преследуемой цели канавки могут быть выполнены в виде равнобокой трапеции, произвольной трапеции или в форме прямоугольника. Канавки выполнены как ступенчатые участки различной глубины, что позволяет получить устойчивую работу уплотнения на различных режимах (по температуре и давлению) и для различного состава уплотняемого газа. Кроме этого, ступенчатая структура динамической канавки создает зоны повышенного давления на каждой ступени канавки, что делает несущий слой более жестким, а уплотнительный зазор более устойчивым.

Выполнение канавок (не показаны) на периферии торцевой поверхности вращающегося уплотнительного кольца 4 может быть осуществлено несколькими способами, например ионным травлением с использованием масок, наносимых на торцовую поверхность вращающегося уплотнительного кольца, лазерной обработкой, или же канавки могут быть выполнены механическим путем, например с использованием традиционных методов металлообработки, в частности фрезерования.

Таким образом, данное техническое решение обеспечивает надежность работы уплотнения вала на различных режимах по температуре и давлению и для различного состава уплотняемого газа.

Изобретение предназначено для турбокомпрессоров. Уплотнение вала содержит установленное герметично в корпусе и разделяющее между собой полости высокого и низкого давления аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вторичным уплотнением. На валу закреплено вращающееся уплотнительное кольцо, на торцевой поверхности которого выполнена уплотнительная перегородка и расположены на периферии канавки. Между вращающимися уплотнительным кольцом и аксиально-подвижном уплотнительным кольцом установлено промежуточное кольцо. Изобретение повышает надежность работы уплотнения вала. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Уплотнение вала, содержащее установленное герметично в корпусе и разделяющее между собой полости высокого и низкого давления аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вторичным уплотнением, размещенным в кольцевой проточке корпуса, и закрепленное на валу вращающееся уплотнительное кольцо, на торцевой поверхности которого выполнена уплотнительная перегородка и расположены на периферии канавки, отличающееся тем, что между вращающимся уплотнительным кольцом, на наружной периферии которого выполнены канавки, и аксиально-подвижным уплотнительным кольцом установлено промежуточное кольцо. 2. Уплотнение вала по п. 1, отличающееся тем, что канавки выполнены в форме трапеции. 3. Уплотнение вала по п. 1 или 2, отличающееся тем, что канавки дополнительно снабжены, по крайней мере, одним углублением и/или выступом, выполненными в виде трапеции. 4. Уплотнение вала по п. 1, отличающееся тем, что канавки выполнены в форме равнобокой трапеции. 5. Уплотнение вала по п. 1 или 4, отличающееся тем, что канавки дополнительно снабжены, по крайней мере, одним углублением и/или выступом, выполненными в виде равнобокой трапеции. 6. Уплотнение вала по п. 1, отличающееся тем, что канавки выполнены в форме прямоугольника. 7. Уплотнение вала по п. 1 или 6, отличающееся тем, что канавки дополнительно снабжены, по крайней мере, одним углублением и/или выступом, выполненными в виде прямоугольника. 8. Уплотнение вала по одному из пп. 1-7, отличающееся тем, что промежуточное кольцо выполнено из углеграфита.