ЩЕЛЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК F16J15/42 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может найти применение в качестве межступенных и концевых узлов уплотнений в насосах, компрессорах, турбонасосных агрегатах и т.п.

Известно щелевое уплотнение вала, выполненное в виде блока уплотняющих и фонарных колец, образующих в сборе ряд камер между уплотняющими кольцами, в одни из которых подается затворная среда, а из других осуществляется ее отвод [1].

Уплотняющие кольца выполнены из антифрикционного полимерного или эластомерного материала, что повышает ресурс работы уплотнительного узла, снижает износ уплотняющих колец и поверхности вала под ними. В таком уплотнении первоначальный монтажный щелевой зазор между уплотняющими кольцами и валом с течением периода приработки и штатной работы растет, растут и утечки уплотняемой среды через щели. Для снижения объемных потерь среды через уплотнительный узел требуется проведение с уплотнением периодических текущих ремонтных работ.

Недостатком такого уплотнения является отсутствие механизма компенсации износа. В этом уплотнении также отсутствует механизм формообразования радиальных щелей между уплотняющими кольцами и поверхностью вала при изменении перепада давления. Эти недостатки не позволяют получить высокую уплотняющую и несущую способность уплотнения и его большой рабочий ресурс.

Существуют деформируемые щелевые уплотнения, в которых первоначальный монтажный зазор между валом и корпусной втулкой при нагружении узла уплотнения перепадом давления уменьшается за счет деформирования этой втулки под влиянием давлений, нагружающих ее по наружному и внутреннему диаметрам [2, 3].

Наиболее близким, принятым за прототип, является щелевое уплотнение вала, для разделения полости рабочей среды с пространством внешней среды [3].

Уплотнение содержит упорную втулку и деформируемую втулку с фланцевой и втулочной частями, установленную в центрирующую обойму корпуса. При этом втулочная часть деформируемой втулки расположена со стороны вала и ее торцовая поверхность уплотнена сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления. А со стороны наружной поверхности этой втулочной части расположена полость, сообщенная с полостью высокого давления каналами, выполненными во фланцевой части деформируемой втулки.

Недостатком такого устройства является высокая уплотняющая способность лишь вблизи расчетной по величине нагружающего давления точки (например, штатного значения величины нагружающего рабочего давления) и невысокая уплотняющая и несущая способности при уровне перепадов давлений ниже расчетного, а также нетехнологичность при изготовлении деталей узла из-за требуемой высокой точности их размерных характеристик.

Техническими задачами в предложенных данным изобретением вариантах выполнения щелевого уплотнения вала являются снижение утечек через узел щелевого уплотнения в широком диапазоне значений по нагружающему перепаду давлений, повышение несущей способности во всем диапазоне нагружений по перепаду давлений и повышение технологичности изготовления и сборки узла.

Первый вариант предлагаемого устройства представляет собой щелевое уплотнение вала для разделения полостей высокого и низкого давлений, содержащее упорную втулку и деформируемую втулку с фланцевой и втулочной частями, установленную в центрирующую обойму корпуса, при этом втулочная часть деформируемой втулки расположена со стороны вала и ее торцовая поверхность уплотнена сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления, а со стороны наружной поверхности этой втулочной части расположена полость, сообщенная с полостью высокого давления каналами, выполненными во фланцевой части деформируемой втулки. Особенность изобретения заключается в следующем. Щелевое уплотнение вала снабжено нажимным устройством и ограничителем, установленным в центрирующей обойме и сопряженным с фланцевой частью деформируемой втулки, обращенной к полости высокого давления. В торцовом сопряжении ограничителя и фланцевой части деформируемой втулки выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с полостью высокого давления посредством каналов в ограничителе и во фланцевой части деформируемой втулки. Нажимное устройство сопряжено с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости низкого давления. Деформируемая втулка дополнительно снабжена втулочной частью, расположенной со стороны центрирующей обоймы, и торцовая поверхность этой втулочной части уплотнена сопряжением с торцевой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления.

Второй вариант выполнения щелевого уплотнения вала отличается от первого отсутствием в устройстве ограничителя. При этом центрирующая обойма выполнена в виде стакана с боковой поверхностью и днищем, имеющим центральное отверстие, внутренняя поверхность днища сопряжена с фланцевой частью деформируемой втулки. В этом сопряжении выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с полостью высокого давления посредством каналов в днище центрирующей обоймы и во фланцевой части деформируемой втулки. Центрирующая обойма снабжена нажимным устройством, сопряженным с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости низкого давления, и зафиксирована в корпусе стопорным устройством. Деформируемая втулка дополнительно снабжена втулочной частью, расположенной со стороны боковой поверхности центрирующей обоймы, и торцовая поверхность этой втулочной части уплотнена сопряжением с торцевой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления.

И по первому и по второму варианту исполнения устройства деформируемая и упорная втулки выполнены из антифрикционных материалов, например из фторопластов, углепластов или эластомеров.

Выполнение щелевого уплотнения вала с нажимным устройством повышает его уплотняющую способность.

Выполнение щелевого уплотнения вала с ограничителем позволяет зафиксировать положение деформируемой втулки в центрирующей обойме, а также избежать деформирования ее фланцевой части при осевом поджатии нажимным устройством деталей в щелевом уплотнении в процессе сборки.

Выполнение в торцовом сопряжении ограничителя и фланцевой части деформируемой втулки кольцевой полости, сообщающейся с полостью высокого давления посредством каналов в ограничителе, повышает технологичность изготовления и сборки щелевого уплотнения.

Выполнение деформируемой втулки с дополнительной втулочной частью со стороны центрирующей обоймы и уплотнение ее торцовой поверхности с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления, способствует снижению утечек через щелевое уплотнение.

Выполнение деформируемой и упорной втулок из антифрикционных полимерных материалов позволяет снизить требования на допуски к начальным монтажным радиальным зазорам деформируемой втулки с валом, а также снизить износ поверхностей деформируемой и упорной втулок при вынужденном рабочем контакте с валом. Это достигается тем, что благодаря низкому модулю упругости, присущему полимерным материалам (углепластам, фторопластам или эластомерам), можно добиться снижения уплотняющего зазора за счет радиального деформирования втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, уже при малых перепадах давления на уплотнении. Высокие антифрикционные свойства, присущие ряду таких материалов, допускают длительный контакт относительно перемещающихся поверхностей в уплотняющей паре с незначительным износом.

Таким образом, выполнение деформируемой и упорной втулок из антифрикционного полимерных материалов способствует повышению длительности эксплуатации и снижению утечек через узел щелевого уплотнения в широком диапазоне значений по нагружающему перепаду давлений, а также повышению несущей способности во всем диапазоне нагружений по перепаду давлений.

Выполнение уплотнения с центрирующей обоймой в виде стакана с боковой поверхностью и днищем, имеющим центральное отверстие (второй вариант), способствует повышению технологичности изготовления и сборки щелевого уплотнения. Кроме того, такое исполнение щелевого уплотнения вала позволяет уменьшить число уплотняемых поверхностей в узле, что способствует снижению утечек через узел уплотнения.

Щелевое уплотнение вала может быть снабжено, по меньшей мере, одной дополнительной деформируемой втулкой, расположенной между деформируемой и упорной втулками. Выполнение щелевого уплотнения вала с одной или несколькими дополнительными деформируемыми втулками позволяет увеличить длину уплотняющей щели в узле уплотнения между валом и корпусом, что способствует снижению утечек через узел щелевого уплотнения в широком диапазоне значений по нагружающему перепаду давлений, а также повышению несущей способности во всем диапазоне нагружений по перепаду давлений.

Щелевое уплотнение вала может быть выполнено таким образом, что длина l втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, и толщина S ее в месте сопряжения ее торцовых поверхностей с упорной втулкой, определяются соотношениями:

l>25 h₁, и δ>2,5 h₁, где h₁ - монтажный зазор между деформируемой втулкой и валом. Выполнение щелевого уплотнения вала таким образом обеспечивает высокую чувствительность втулочной части деформируемой втулки к изменениям нагружающего давления и позволяет рассматривать втулочную часть деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, как относительно близкую к длинной оболочке и не учитывать при расчетах ее деформирования влияние краевых эффектов для выбора оптимальных размерных характеристик деталей узла.

Щелевое уплотнение вала может быть снабжено пружиной сжатия, охватывающей с натягом участок втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала. Такое исполнение щелевого уплотнения вала повышает его уплотняющую и несущую способности на режимах малых перепадов давлений на узле уплотнения, характерных, например, для режимов пуска - останова насоса или компрессора.

Выполнение под пружиной на поверхности втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, гнезда или упора для фиксации положения пружины от осевого смещения позволяет сохранять стабильными расчетные рабочие характеристики узла уплотнения, а также обеспечить повышение технологичности изготовления и сборки узла щелевого уплотнения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен вариант выполнения щелевого уплотнения вала с ограничителем, установленным в центрирующую обойму.

На фиг.2 изображен вариант выполнения щелевого уплотнения вала с центрирующей обоймой, выполненной в виде стакана с боковой поверхностью и днищем, имеющим центральное отверстие.

На фиг.3 изображено щелевое уплотнение вала с дополнительной деформируемой втулкой, а также с пружинами сжатия.

На фиг.4 показаны форма и размеры уплотняющей щели при нагружении щелевого уплотнения вала перепадом давления уплотняемой среды, а также эпюры давлений, нагружающих тело деформируемой втулки.

На фиг.1 показан первый вариант выполнения щелевого уплотнения вала.

Щелевое уплотнение вала 1 для разделения полостей высокого 2 и низкого 3 давлений содержит ограничитель 4 и деформируемую втулку 5 с фланцевой и втулочными частями, установленные в центрирующую обойму 6 корпуса 7, а также упорную втулку 8 и нажимное устройство 9. Торцовые поверхности втулочных частей деформируемой втулки 5, расположенных со стороны вала 1 и со стороны центрирующей обоймы 6, уплотнены сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки 8, обращенной к полости высокого давления 2. Между втулочными и фланцевой частями деформируемой втулки 5 и упорной втулкой 8 расположена полость 10. Эта полость сообщена с полостью высокого давления 2 каналами 11, выполненными во фланцевой части деформируемой втулки 5, посредством кольцевой полости 12, образованной в торцовом сопряжении ограничителя 4 и фланцевой части деформируемой втулки 5, и каналов 13 в ограничителе 4. Нажимное устройство 9 сопряжено с торцовой поверхностью упорной втулки 8, обращенной к полости низкого давления 3.

На фиг.2 изображено щелевое уплотнение вала по второму варианту.

Щелевое уплотнение вала 1 для разделения полостей высокого 2 и низкого 3 давлений содержит деформируемую втулку 5 с фланцевой и втулочными частями, упорную втулку 8 и нажимное устройство 9, установленные в центрирующую обойму 6 корпуса 7. Центрирующая обойма 6 выполнена в виде стакана с боковой поверхностью и днищем, имеющим центральное отверстие, внутренняя поверхность днища сопряжена с фланцевой частью деформируемой втулки 5. Между втулочными и фланцевой частями деформируемой втулки 5 и упорной втулкой 8 расположена полость 10. Эта полость сообщена с полостью высокого давления 2 каналами 11, выполненными во фланцевой части деформируемой втулки 5, посредством кольцевой полости 14, образованной в торцовом сопряжении днища центрирующей обоймы 6 и фланцевой части деформируемой втулки 5, и каналов 15 в днище центрирующей обоймы 6. Нажимное устройство 9 сопряжено с торцовой поверхностью упорной втулки 8, обращенной к полости низкого давления 2. Центрирующая обойма 6 зафиксирована в корпусе 7 стопорным устройством 16. Деформируемая 5 и упорная 8 втулки по обоим вариантам исполнения щелевого уплотнения вала выполнены из антифрикционых материалов, например из фторопластов, углепластов или эластомеров.

На фиг.3 изображено щелевое уплотнение с одной дополнительной деформируемой втулкой 17, расположенной между деформируемой втулкой 5 и упорной втулкой 8, а также с помещенными в гнезда 18 и 19 деформируемых втулок 5 и 17 пружин сжатия 20 и 21, охватывающих с натягом примыкающие к упорной втулке 8 и к фланцевой части деформируемой втулки 17 участки втулочных частей деформируемых втулок 17 и 5, расположенные со стороны вала 1.

Поведение элементов деталей узла уплотнения, в том числе деформируемой втулки, при работе показано на фиг.4. Работа устройства состоит в следующем.

При появлении некоторого перепада давления на узле уплотнения, направленного от полости 2 к полости 3, втулочная часть деформируемой втулки 5, расположенная со стороны вала 1, нагружается по наружному диаметру давлением с эпюрой 22 прямоугольной формы, а по внутреннему диаметру - давлением с эпюрой 23 из-за образующейся конфузорности щели между валом 1 и втулочной частью деформируемой втулки 5. Падение давления на щели, образованной между упорной втулкой 8 и валом 1, и имеющей размер h₂, будет иметь при этом вид эпюры 24.

Под влиянием силового воздействия давлений, нагружающих втулочную часть деформируемой втулки 5, расположенную со стороны вала 1, по ее наружному и внутреннему диаметрам, тело втулочной части деформируется и тем больше, чем выше перепад давления на щели между валом 1 и внутренним диаметром втулочной части деформируемой втулки 5.

При выходе на штатный режим работы агрегата втулочная часть деформируемой втулки 5 нагружается по наружному диаметру давлением с эпюрой 25 прямоугольной формы, а по внутреннему диаметру - эпюрой 26. Это связано с тем, что начальный монтажный зазор h₁ между деформируемой втулкой 5 и валом 1 при штатном режиме работы агрегата уменьшается до значения h₃ из-за разницы форм эпюр давлений, нагружающих втулочную часть деформируемой втулки 5, расположенную со стороны вала 1. Таким образом, форма щели будет конфузорной во всем диапазоне нагружающих давлений.

Форма эпюры давления в щели между валом 1 и упорной втулкой 8 при штатном режиме нагружения будет иметь вид эпюры 27.

Таким образом, за счет деформирования втулочной части деформируемой втулки 5 во всем диапазоне нагружающих давлений обеспечивается обязательное уменьшение зазора на выходе из щелевого уплотнения, а значит, обеспечивается снижение утечки через щелевое уплотнение вала. Конфузорная форма уплотняющей щели обеспечивает высокую несущую способность слоя жидкости в ней.

Применение предложенных в изобретении вариантов выполнения щелевого уплотнения вала в качестве межступенных или концевых узлов уплотнений в турбонасосных агрегатах, а также в насосах и компрессорах, позволит значительно снизить утечки рабочей среды через узел щелевого уплотнения в широком диапазоне значений по нагружающему перепаду давлений. Кроме того, это позволит повысить несущую способность и технологичность изготовления узла уплотнения, в том числе снизить стоимость его изготовления и обслуживания.

Источники информации

1. Ибрагимов Е.Р. и др. Использование винтовых компрессоров с впрыском воды в химических производствах. Журнал: “Химическое и нефтегазовое машиностроение”, 2002 г., №9, с.23-24.

2. Макаров Т.В. Уплотнительные устройства. М.: Машиностроение, 1973, с.158-1173.

3. Патент РФ №2167355, кл. F 16 j 15/23.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может найти применение в качестве межступенчатых и концевых узлов уплотнений в насосах, компрессорах, турбонасосных агрегатах и т.п. В первом варианте щелевое уплотнение вала содержит ограничитель и деформируемую втулку, установленные в центрирующую обойму корпуса, а также упорную втулку и нажимное устройство. Второй вариант выполнения щелевого уплотнения вала отличается от первого отсутствием в устройстве ограничителя. При этом центрирующая обойма выполнена в виде стакана с центральным отверстием в днище. Центрирующая обойма снабжена нажимным устройством и зафиксирована в корпусе стопорным устройством. В узле уплотнения деформируемая втулка, состоящая из фланцевой и двух втулочных частей, выполнена из антифрикционного материала, например фторопласта. Изобретение снижает утечки через узел щелевого уплотнения в широком диапазоне значений по нагружающему перепаду давлений, повышает его несущую способность и технологичность изготовления узла уплотнения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Щелевое уплотнение вала для разделения полостей высокого и низкого давлений, содержащее упорную втулку и деформируемую втулку с фланцевой и втулочной частями, установленную в центрирующую обойму корпуса, при этом втулочная часть деформируемой втулки расположена со стороны вала и ее торцовая поверхность уплотнена сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления, а со стороны наружной поверхности этой втулочной части расположена полость, сообщенная с полостью высокого давления каналами, выполненными во фланцевой части деформируемой втулки, отличающееся тем, что оно снабжено нажимным устройством и ограничителем, установленным в центрирующей обойме и сопряженным с фланцевой частью деформируемой втулки, обращенной к полости высокого давления, при этом в торцовом сопряжении ограничителя и фланцевой части деформируемой втулки выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с полостью высокого давления посредством каналов в ограничителе и во фланцевой части деформируемой втулки, а нажимное устройство сопряжено с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости низкого давления, кроме того, деформируемая втулка дополнительно снабжена втулочной частью, расположенной со стороны центрирующей обоймы, и торцовая поверхность этой втулочной части уплотнена сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления, при этом деформируемая и упорная втулки выполнены из антифрикционных материалов, например, из фторопластов, углепластов или эластомеров.2. Щелевое уплотнение вала по 1, отличающееся тем, что длина l втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, и толщина δ в месте сопряжения ее торцовой поверхности с упорной втулкой определяются соотношениями: l≥25 h₁ и δ≥2,5 h₁, где h₁ - монтажный зазор между деформируемой втулкой и валом.3. Щелевое уплотнение вала по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено пружиной сжатия, охватывающей с натягом участок втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала.4. Щелевое уплотнение вала по п.3, отличающееся тем, что под пружиной сжатия на поверхности втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, выполнено гнездо или упор для фиксации положения этой пружины от осевого смещения.5. Щелевое уплотнение вала для разделения полостей высокого и низкого давлений, содержащее упорную втулку и деформируемую втулку с фланцевой и втулочной частями, установленную в центрирующую обойму корпуса, при этом втулочная часть деформируемой втулки расположена со стороны вала и ее торцовая поверхность уплотнена сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления, а со стороны наружной поверхности этой втулочной части расположена полость, сообщенная с полостью высокого давления каналами, выполненными во фланцевой части деформируемой втулки, отличающееся тем, что центрирующая обойма выполнена в виде стакана с боковой поверхностью и днищем, имеющим центральное отверстие, внутренняя поверхность днища сопряжена с фланцевой частью деформируемой втулки, причем в этом сопряжении выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с полостью высокого давления посредством каналов в днище центрирующей обоймы и во фланцевой части деформируемой втулки, при этом центрирующая обойма снабжена нажимным устройством, сопряженным с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости низкого давления, и зафиксирована стопорным устройством в корпусе, кроме того, деформируемая втулка дополнительно снабжена втулочной частью, расположенной со стороны боковой поверхности центрирующей обоймы, причем торцовая поверхность этой втулочной части уплотнена сопряжением с торцовой поверхностью упорной втулки, обращенной к полости высокого давления, при этом деформируемая и упорная втулки выполнены из антифрикционых материалов, например, из фторопластов, углепластов или эластомеров.6. Щелевое уплотнение вала по 5, отличающееся тем, что длина l втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, и толщина δ в месте сопряжения ее торцовой поверхности с упорной втулкой определяются соотношениями: l≥25 h₁ и δ≥2,5 h₁, где h₁ - монтажный зазор между деформируемой втулкой и валом.7. Щелевое уплотнение вала по любому из пп.5 и 6, отличающееся тем, что оно снабжено пружиной сжатия, охватывающей с натягом участок втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала.8. Щелевое уплотнение вала по п.7, отличающееся тем, что под пружиной сжатия на поверхности втулочной части деформируемой втулки, расположенной со стороны вала, выполнено гнездо или упор для фиксации положения этой пружины от осевого смещения.