Торцовое уплотнение Советский патент 1984 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнительной технике, преимущественно к уплотнениям вращающихся валов центробежных компрессоров и нагнетателей. Известны торцовые уплотнения с подводом уплотняющей жидкости, в которых боросилицированные графитовые кольца закреплены в пазах неподвижной и вращающейся металлических обойм пайкой или сваркой 1. Недостаток такого уплотнения заключается в том, что боросилицированное графитовое кольцо при работе подвергается силовому воздействию со стороны металлической обоймы вследствие разности в тепловых расширениях графитового кольца и сопрягающихся с ним стенок паза обоймы. Коэффициент линейного расщирения боросилицировачного графита меньше, чем у металла, поэтому наружная, охватывающая графитовое кольцо, стенка обоймы при повышении температуры стремится увеличить графитовое кольцо по диаметру, создавая в нем растягивающие напряжения. Внутренняя стенка обоймы охватывается графитовым кольцом и при тепловом расширении также стремится разорвать кольцо. Силовое взаимодействие стенок обоймы графитового кольца приводит к потере плоскости трущейся поверхности графитового кольца, в паре появляется повышенный неравномерный износ поверхностей трения, увеличиваются протечки уплотняющей жидкости в сторону уплотняемого пространства, ухудшаются надежность и стабильность работы уплотнения, уменьшается ресурс его работы. Целью изобретения является повышение надежности крепления боросилицированного графитового кольца в металлической обойме и повышение надежности в работе и стабильности характеристик уплотнения. Поставленная цель достигается тем, что в торцовом уплотнении, содержащем вращающуюся и неподвижную металлические обоймы с пазами и с закрепленными в них графитовыми кольцами, образующими пару трения, по периметру наружной и внутренней стенок паза металлических обойм выполнены расположенные с равным шагом канавки, глубина которых не менее глубины посадки графитового кольца в паз обоймы. Причем с целью более монолитного соединения графитового кольца с обоймой канавки на внутренней стенке паза смещены на полшага относительно канавок на наружной стенке паза. В таком торцово.м уплотнении разность между коэффициентами линейного расширения графитового кольца и металлической обоймы становится благоприятным фактором. Как наружная, так и внутренняя стенки паза металлической обоймы при креплении в предложенном уплотнении препятствуют тепловому расширению графитового кольца по диаметру, при этом в меридиональном сечении кольца возникают напряжения сжатия, исключающие возможность появления радиальных трещин в кольце, обусловленных в известных уплотнениях тангенциальными напряжениями растяжения. Тепловое расширение стенок металлической обоймы в предложенном торцовом уплотнении становится пренебрежимо малым, так как определяется толщиной, а не диаметром стенки, как это было в известных конструкциях. Отмеченная особенность приводит к уменьшению сил, действующих на графитовое кольцо со стороны стенок паза обоймы, причем трущаяся поверхность кольца сохраняет плоскостность, более чем на порядок уменьшаются протечки уплотняющей жидкости, повыщается равномерность распределения температуры по периметру кольца, уменьшается износ, улучшается стабильность характеристик уплотнения, уплотнение приобретает управляемость процессами образования гидродинамического клина между трущимися поверхностями. На фиг. 1 показано торцовое уплотнение, продольный разрез; на фиг. 2 - вращающаяся обойма уплотнения; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - вид В на фиг. 2; на фиг. 6 - графики распределения температур по периметру графитового кольца в известном уплотнении и в предлагаемом; на фиг. 7 - зависимость величины протечек уплотняющей жидкости от частоты вращения вала в известном уплотнении и в предлагаемом; на фиг. 8 - зависимость величины протечек уплотняющей жидкости от разности /ut между максимальной (1накс ) и минимальной (tNHH) температурами поверхноси трения (буквой Г обозначена зона рабоы предлагаемого уплотнения). Боросилицированные графитовые кольца I (фиг. 1) закреплены пайкой в кольцевых пазах 2 неподвижной 3 и вращающейся 4 бойм уплотнения, установленных в корпусе . Вал 6 вращается со скоростью uj . Протранство 7 заполнено уплотняющей жидостью, давление которой выше давления уплотняемого газа в пространстве 8. Контактная поверхность S уплотнения разделяет пространство 7 уплотняющей жидкости от пространства 8 уплотняемого газа. Наружное уплотнение 9, выполненное, например, в виде опорного подшипника, ограничивает протечки уплотняющей жидкости в сторону атмосферы. Уплотнение размещено в корпусе нагнетателя 10.

Во вращающуюся металлическую обойму 4 может быть впаяно графитовое кольцо 1 (фиг. 2). Наружная и внутренняя стенки И и 12 паза 2 под графитовое кольцо 1 в обойме 4. сопрягаются с графитовым кольцом 1. Припой 13 (фиг. 3) заполняет зазоры между стенками 11 и 12 и опорной поверхностью 14 паза 2 и графитовыми кольцами 1. Канавки 15 и 16 выполняют на стенках И и 12 паза 2 после пайки.

Осевая глубина канавок 15 и 16, равная h, выбирается конструктивно и должна быть не менее глубины посадки кольца 1 в лаз 2. Ширина d канавок 15 и 16 определяется технологией и радиусом инструмента RMHCT (фрезы). Шаг t между канавками 15 на стенке 11 и шаг t между канавками 16 на стенке 12 определяют опытным путем с учетом величины диаметра кольца и из условия обеспечения разности (д1) между максимальной (tnaKc) и минимальной (1цин) температурами по периметру графитового кольца в диапазоне 20-30°С (фиг. 8, зона Г).

Металлические обоймы 3 и 4, в которых закрепляют кольца 1, изготавливают таким образом, чтобы радиальный зазор между графитовым кольцом 1 и стенками 1 и 12 паза 2 до пайки был равен 0,5-0,8 мм. Это обеспечивает хорощее затекание припоя 13 в зазоры при пайке и его высокую однородность. После пайки на стенках 11 и 12 паза 2 выполняют канавки 15 и 16 высотой h, шириной d и с щагом t и tj Затем трущуюся поверхность S графитовых колец 1 обрабатывают до получения заданной плоскостности.

Такая последовательность крепления графитовых колец 1 в обой.мах 3 и 4 обуславливается тем, что после выполнения канавок 15 и 16 на стенках 11 и 12 обойм 3 и 4 внутренние напряжения, имеющие место в зоне крепления колец 1, перераспределяются. Это приводит к изменению первоначальной пространственной конфигурации графитовых колец 1 и увеличивает неплоскостность поверхности S. Последующая после выполнения канавок 15 и 16 обработка трущихся поверхностей устраняет эти отклонения.

При работе уплотнения графитовые кольца 1 и стенки Пи 12 металлических обойм 3 и 4 разогреваются от выделяющегося тепла трения до 130-150°С и более. Вследствие того, что на стенках 11 и 2 пазов 2 обоймы 3 и 4 выполнены канавки 15 и 16, наружная 11 и внутренняя 12 стенки пазов

2имеют тепловое расщирение, обусловленное лищь толщиной S стенок 11 и 12, а в диаметральном направлении тепловое расщирение стенок 11 и 12 отсутствует ИJJИ

5 очень мало. При таких условиях тепловое расщирение графитового кольца 1 по диаметру Д блокируется стенками 11 и 12 обоймы. В графитовом кольце 1 создаются напряжения сжатия, более благоприятные с точки зрения надежности работы уплотнения, чем напряжения растяжения, возникающие в кольце от теплового расщирения стенок 11 и 12 в существующих конструкциях торцовых уплотнений. Теплосиловое взаимодействие графитового кольца 1 со 5 стенками 11 и 12 паза 2, например, обоймы

3приобретает больщую осесимметричность причём абсолютная величина деформации кольца 1 уменьщается, а количество волн деформаций на поверхности трения S увеличивается, что хорощо видно из приведенного сопоставления кривых распределения температур по периметру кольца при известной (кривая 1) и предлагаемой (кривая 2) конструкциях крепления кольца (фиг. 6). Кривая 1 имеет два пика температур, а кривая

5 2 - четыре пика температур. При этом существенно облегчается возможность реализации условий для образования стабильной гидродинамической пленки в зазоре между трущимися по поверхности S графитовыми кольцами 1.

В предлагаемом уплотнении протечки уплотняющей .жидкости уменьщаются (по фиг. 7 в 10-15 раз) и слабо зависят от увеличения частоты вращения. В то же время, несмотря на такое сильное уменьщеj. ние величины протечек, температура поверхности трения повышается всего на 3-5°С. Это свидетельствует о том, что предлагаемое уплотнение обеспечивает лучшие, более благоприятные условия для образования сплошной гидродинамической пленки меж0 ду трущимися поверхностями уплотнения, а деформации трущихся поверхностей S графитовых колец 1 имеют малую (несколько мкм) величину.

Технико-экономический эффект, полуг чаемый от использования предлагаемого изобретения, заключается в уменьшении -потерь уплотняющей жидкости, повыщении надежности работы центробежных компрессоров и нагнетателей, увеличении ресурса (долговечности) уплотнений и уменьшении

стоимости эксплуатации мащин на 2000- 3000 руб/год.

2

fS-

Фиг. 2

A-A

1. ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ, содержащее вращающуюся и неподвижную металлические обоймы с пазами и с закрепленными в них графитовыми кольцами, образующими пару трения, отличающееся тем, что, с целью повыщения надежности его в работе и стабильности характеристик уплотнения, по периметру наружной и внутренней стенок паза металлических обойм выполнены расположенные с равным щагом канавки, глубина которых не менее глубины посадки графитового кольца в паз обоймы. 2. Уплотнение по п. 1., отличающееся тем, что канавки на внутренней стенке паза смещены на полщага относительно канавок на наружной стенке паза.

5

/

/

Фиг.З

Виде

90

/

16

7,2

0,8

0,4

6000

т270 360 r

Фиг.6

.

2L

/

7П50°%ан

2

°7ffv/f

roooo

8000 Фиг. 7

гг

0.8

04

о

Ю20JO40

М°

6

Фиг. 8