Терморегулируемое торцовое уплотнение Советский патент 1984 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнениям вращающихся валов насосов и турбин энергетической, химической и других отраслей промышленностей.

Известно торцовое уплотнение, в котором с целью обеспечения управления осевыми и радиальными деформациями колец имеется средство для изменения геометрических характеристик, выполненное в виде размещенных в теле кольца термоэлементов -с внещним управлением. Эти элементы могут быть выполнены в виде электрических нагревательных элементов -или термоэлектрических элементов, действующих по принципу эффекта Пельтье 1.

Недостатком данного изобретения является то, что необходимы определение теплового состояния узла в процессе работы и идентификация каждого конкретного состояния с термодеформацией рабочих поверхностей.

Наиболее близким к изобретению является торцовое уплотнение, содержащее закрепленное на валу кольцо скольжения и установленное в корпусе контркольцо, Которое во время работы подвергается термическим деформациям, стремящимся при,близить внутренний радиальный участок его торцовой поверхности к соответствующей поверхности кольца скольжения. В корпусе расположено опорное кольцо, поддерживающее контркольцо по его внутренней поверхности. Между опорным кольцомИ контркольцом имеется ограниченная уплотнительными кольцами камера давления, соединенная с источником давления, который состоит из нескольких плоских спиральных канавок, выполненных на одной из уплотнительных поверхностей. Лежащие в радиальном направлении снаружи зоны высокого давления указанных поверхностей соединены с камерой давления. Если смотреть в осевом сечении, камера давления располагается относительно центра тяжести поверхности контркольца таким образом,- что давление в камере создает на контркольце момент вокруг центра тяжести поверхности, действующий в направлении приближения радиального наружного участка его торцовой поверхности к торцовой поверхности кольца скольжения. Обеспечение герметичности данной конструкции связано не с косвенным фактором, управляющим геометрией торцовой поверхности (например, с температурным полем кольца), а непосредственно с формой уплотнительной щели 2.

К недостаткам известной конструкции относится то, что При изменении формы уплотнительной щели необходимо создать значительное давление в камере давления для того, Чтобы нужным образом сдеформировать кольцо. Рассматривая уравнение Рейнольдса для течения жидкости в канавке, делаем вывод,- что глубина канавки на торцовой поверхности кольца должна быть достаточна мала, чтобы генерировать больщое давление в камере давления. Величина управляющего фактора сильно ослабляется при попадании абразивных частиц j канавки и отверстия в кольце, появлении газовых пузырей в канавках, что значительно понижает герметичность устройства. Для компенсации момента, искажающего уплотнительные поверхности, необходимо отклонение формы уплотнительной щели от первоначальной, так как при первоначальной форме уплотнительной щели компенсационное усилие не возникает. При отклонении формы уплотнительной щели от первоначальной -во многих случаях компенсационное усилие бывает недостаточным (это связано с тем, что жесткость уплотнительных колец велика), что также понижает герметичность устройства.

Цель изобретения - повыщение герметичности уплотнения.

Поставленная цель достигается тем, что в терморегулируемом торцовом уплотнении, содержащем два уплотнительных кольца,

одно из которых установлено с возможностью вращения, на торцовой рабочей поверхности неврац),ающегося кольца выполнены группы канавок, расположенные на разных диаметрах, а внутри него выполнена камера, камера частично заполнена жидКИМ металлом, объем которого ограничен с торцов -установленными в камере разъединительными мембранами, при этом образованные торцовыми поверхностями камеры и упомянутыми мембранами полости соединены с разными группами канавок.

На чертеже изображено терморегулируемое торцовое уплотнение и эпюра распределения температур вдоль оси- кольца.

Торцовое уплотнение содержит установленное на валу 1 вращающееся кольцо 2,

к которому сильфоном 3 прижато аксиально-подвижное кольцо 4-. На рабочей поверхности кольца 4 выполнены две группы канавок 5. Одна группа канавок-расположена ближе к наружной -части кольца, другая - ближе к внутренней. Внутри кольца 4

имеется камера 6, содержащая жидкий металл (например, ртуть). Камера соединена с канавками 5 при помощи отверстий 7 и 8 в кольце. Причем отверстие 7 соединяет ближнюю к рабочей поверхности кольца

часть камеры с группой канавок, выполненных на рабочей поверхности кольца по большему радиусу. Отверстие 8 соединяет часть камеры, расположенную ближе к тыльному торцу кольца, с группой канавок, выполненных на меньщем радиусе кольца.

Утечке жидкого металла из камеры 6 препятствуют две разъединительные мембраны 9, которые подДействием сил давления уплотняемой - -среды могут растягиваться

или сжиматься в осевом направлении, вызывая тем самым перемещение в том же направлении жидкого металла.

Торцовое уплотнение работает следующим образом.

Уплотнение разделяет полости с уплотняемой средой и атмосферный воздух. Вращающееся и невращающееся уплотнительные кольца прижаты притертыми торцами. В уплотнительную щель подДействием перепада давления поступает уплотняемая среда. В канавках 5 при вращении генерируется гидродинамическое давление, которое очень сильно зависит от их глубины и уклона (канавки работают по принципу подшипников Релея) . В результате изменения условий охлаждения рабочих поверхностей (изменения частоты вращения ротора, тем пературы и состава уплотняемой среды) или изменения давления уплотняемой -среды происходит деформация рабочих поверхностей, что увеличивает расход-уплотняемой-среды через уплотнительную щель. При возникновении деформации поверхностей образуется конфузорная или диффузорная уплотнительная щель. Одновременно возникает разность генерируемых давлений в канавках. Например, предположим, что при изменении давления уплотняемой среды образовалась диффузорная щель, т. е. произощло раскрытие уплотнительной щели по внутреннему стыку. В результате давление, генерируемое в канавках, расположенных на меньщем радиусе кольца, падает и становится меньще давления, генерируемого в канавках на больщом - радиусе. Разность давлений, генерируемых между двумя группами канавок, воздействует на разъединительные мембраны в камере и вызывает перемещение жидкого металла в осевом направлении. В случае диффузорной формы уплотнительной щели жидкий металл перемещается в сторону тыльного торца кольца (пунк тиром показано первоначальное расположение жидкого металла), это приводит к изменению термического сопротивления кольца. Условия охлаждения части кольца, расположенной ближе к тыльному торцу, улучшаются. Часть кольца у рабочего торца нагревается. Примем, что температура вала и колец в поперечном сечении является постоянной, а изменяется только по их длине, т. е. радиальный градиент температур отсутствует (уплотнительные кольца были притерты при нулевом градиенте температуры), тогда появляется осевой градиент температуры (распределение температур вдоль оси кольца на чертеже).

Следовательно, при наличии осевого гра диента температур, происходит поворот кольца вокруг места закрепления (точка а) против часовой стрелки. В результате этого восстанавливается плоскопараллельная форма уплотнительной щели. - Таким образом, при отклонении , формы уплотнительной щели от плоскопараллельной происходит такое изменение осевого градиента температур, которое приводит к восстановлению плоскопараллельной формы щели, что и повыщает герметичность предлагаемого устройства.

Даже незначительное изменение градиента температур (на 3-5°G по длине кольца) приводит к деформации рабочих поверхностей до 1 мкм, что указывает на эффективность предлагаемого устройства.

Изобретение обеспечивает повышение герметичности торцового уплотнения.

ТЕРМОРЕГУЛИРУЕМОЕ ТОРЦОВОЕ-УПЛОТНЕНИЕ, содержащее уплотнительных кольца, одно из которы.х установлено с возможностью вращения, на торцовой рабочей поверхности невращающегося кольца выполнены группы канавок, расположенные на разных диаметрах, а внутри него выполнена камера, отличающееся тем, что, с целью повышения герметичности уплотнения, камера частично заполнена жидким металлом, объем которого ограничен с торцов установленными в камере разъединительными мембранами, при этом образованные торцовыми поверхностями камеры и упомянутыми мембранами полости соединены с разными группами канавок. (Л ю со 4 ю