Торцовое уплотнение вращающегося вала Советский патент 1989 года по МПК F16J15/54 

Изобретение относится к уплотнитель- ной технике, а именно к торцовым уплотнениям вращающихся валов, насосов, турбин, компрессоров.

Цель изобретения - повышение надежности уплотнения, путем оптимизации геометрии зазора между кольцами трения за счет исключения влияния давления уплотняемой среды.

На фиг. 1 показано кольцо трения с непрерывными канавками; на фиг. 2 - то же, с тангенциально-прерывистыми канавками; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1 и 2.

Кольцо трения преимущественно металлическое с износостойким покрытием поверхности трения выполняют таким образом, что на рабочем торце с внешней стороны от кольцевого выступа шириной А с поверхностью 1 трения имеется сплошная или тангенциально-прерывистая кольцевая канавка 2 глубиной Н, измеряемой от поверхности трения, а на внутренней цилиндрической поверхности - сплошная или тангенциально-прерывистая кольцевая канавка 3. Последняя расположена на удалении В

от поверхности трения и заходит под Heio на величину С Указанные параметры свя заны между собой следующими соотношениями:

,3-0,6А ,l- 0.3A, ,5-1,ОА,

выбранными из условия стабилизации первоначально плоскопараллельной формы зазора в уплотнении.

Ширина канавок выбирается исходя из конструктивных и технологических соображений и требований прочности кольца.

Уплотнение работает следующим образом.

При подаче давления со стороны наружного диаметра уплотнения вследствие неравномерного по радиусу аксиального сжатия материала кольца изменяется профиль зазора между поверхностями трения: из первоначально плоскопараллельного получается зазор конфузорной формы. Такому изменению препятствует деформация кольце«/

4- 00 СО

СД

вого выступа, на наружную поверхность которого со стороны кольцевой канавки 2 действует давление уплотняемой среды. Если давление подается со стороны внутреннего диаметра, то появлению на вхо- де конфузорного зазора препятствует деформация кольцевого выступа под действием давления уплотняемой среды на внут- ренюю цилиндрическую повеохность выступа и на ближайшую к поверхности трения плоскую поверхность кольцевой канавки 3. В обоих случаях деформация кольцевого выступа препятствует искажению первоначальной формы зазора, что особенно существенно для уплотнений с обычными парами трения, зазор в которых составляет 0,5- 2 мкм. Если кольцевые канавки 2, 3 выполнены тангенциально-прерывистыми, то одновременно со стабилизацией профиля зазора создается волнистость тангенциального профиля зазора. При этом улучшаются условия для образования гидродинамического несущего слоя между поверхностями трения.

Эффект, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, иллюстрируется примерами для стального кольца брутто- сечением 33-30 мм, на кольцевом выступе которого, шириной 12 мм расположена поверхность трения. Давление уплотняемой среды ЭМПа.

Пример 1. Давление подается со стороны наружного диаметра. На торце коль- ца трения, снаружи от кольцевого выступа, выполнена кольцевая канавка глубиной от 0 (канавка отсутствует, как в конструкции - прототипе) до 13 мм. В табл. 1 приведены значения отклонения зазора между кольцами уплотнения от плоскопараллель- ного (положительные значения - хонфу- зорный зазор, отрицательные - диффузор- ный).

Из данных табл. 1 следует, что в области значений глубины канавки от 6 до 12 мм (0,5 - 1,0 ширины кольцевого выступа) неплоскостность зазора при подаче давления значительно ниже, чем у прототипа - уплотнения без кольцевой канавки. При меньшем значении глубины канавки ее влияние слабо, хотя и неблагоприят- но. При увеличении глубины канавки сверх указанных пределов, последняя ослабляет сечение кольца и приводит к появлению значительного диффузорного зазора, что недопустимо. В диапазоне 0,5 - ,0 ширины кольцевого выступа среднее значение откло- нения зазора от плоскопараллельного в 1,8 раза меньше, чем в конструкции - прототипе.

Пример 2. Давление уплотняемой среды подается со стороны внутреннего диаметра. На торце кольца трения снаружи от кольцевого выступа выполнена канавка глубиной 6 мм, на внутренней цилиндрической повеохности на удалении 5 мм от

0

5 5

3

0 5

5 0

С

поверхности трения выполнена кольцевая канавка, часть которой глубиной от 0 до 5 мм находится под поверхностью трения. Значения отклонения радиального профиля зазора в уплотнении от плоскопараллельного приведены в табл. 2.

По данным табл. 2 видно, что при размере С от 1 до 4 мм (0,1 - 0,3 ширины кольцевого выступа) профиль зазора в уплотнении существенно стабилизируется по сравнению с прототипом, которому соответствует случай в указанном диапазоне отклонение зазора от плоскопараллельного в среднем в 1,7 раза меньше, чем у прототипа. Канавки с меньшим размером С неэффективны, с большим - ухудшают работоспособность.

Пример 3. Давление уплотняемой среды подается со стороны внутреннего диаметра. На торце кольца трения выполнена канавка глубиной 6 мм, на его цилиндрической внутренней поверхности - кольцевая канавка, на 3 мм заходящая под поясок трения. Удаление последней канавки от поверхности трения от 2 до 10 мм. В табл. 3 приведены значения отклонения радиального профиля зазора от плоскопараллельного.

Из данных табл. 3 видно, что при значении удаления кольцевой канавки от поверхности трения в пределах 4-7 мм (0,3 - 0,6 толщины кольцевого выступа) обеспечивается стабилизация профиля зазора в уплотнении: среднее значение неплоскостности (0,13 мкм) в 2,6 раза меньше, чем у прототипа (по примеру 2 последнее значение равно 0,34 мкм). Канавки, расположенные к плоскости трения ближе 4 мм, ухудшают работоспособность уплотнения и снижают его прочностные характеристики, расположенные на большем удалении,неэффективны.

Приведенные примеры подтверждают эффективность технического решения: выполнение на торцовой и внутренней цилиндрической поверхности колец канавок позво- пяет существенно (в 1,7 - 2,6 раза) снизить деформацию зазора в уплотнении при действии давления уплотняемой среды, повысив тем самым стабильность рабочих характеристик и, следовательно, надежность и долговечность уплотнения. Выбор параметров кана- зок в заявленном интервале обеспечивает также при необходимости переход от конфу- зорной формы зазора к диффузорной и регулирование таким образом тангенциальной волнистости поверхностей трения для улучшения гидродинамических характеристик уплотнения. При выполнении кольцевых канавок тангенциально-прерывистыми волнистость зазора изменяется в пределах, соответствующих данным табл. 1 и 2.

Формула изобретения

1. Торцовое уплотнение вращающегося вала, содержащее кольца трения, одно из

которых выполнено с поверхностью трения, расположенной на кольцевом выступе торцовой поверхности, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, на нерабочих поверхностях кольца трения выполнены канавки, одна из которых расположена на торцовой поверхности с внешней стороны кольцевого выступа, а другая на внутренней цилиндрической поверхности кольца трения, причем часть канавки на цилиндрической поверхности расположена под поверхностью трения, при этом геометрические размеры канавок удовлетворяют следующим соотношениям:

,5-1,0/4

,6Л ,1 - 0,ЗЛ ,

где Н - глубина канавки на торцовой поверхности;

В - расстояние от поверхности трения до канавки на внутренней цилиндрической поверхности кольца трения;

С - ширина части канавки, расположенной под поверхностью трения;

А - ширина поверхности трения.

2.Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые канавки выполнены прерывистыми.

Изобретение относится к уплотнительной технике, а именно к торцовым уплотнениям вращающихся валов насосов, турбин, компрессоров. Цель изобретения - повышение надежности уплотнения путем оптимизации геометрии зазора между кольцами трения. Выполненные на нерабочих поверхностях кольца трения кольцевые канавки 2, 3 компенсируют его деформацию под действием давления уплотняемой среды и сохраняют первоначальную геометрию зазора между кольцами трения. При выполнении кольцевых канавок 2, 3 тангенциально прерывистыми создается волнистость профиля зазора, что способствует гидродинамической разгрузке уплотнения. 1 з.п. ф=лы, 3 ил.,3 табл.

Таблица 1 Глубина Н, лм012345678910111213

Соотношение Н/А 0 0,08 0,17 0,25 0,33 0,42 0,50 0,58 0,67 0,75 0,83 0,92 1,00 1,08

Неплоскостность,

мкм0,36 0,37 0,38 0,39 0,39 0,37 0,35 0,31 0,25 0,18 0,08 -0,06 -0,20 -0,38

Таблица 2 Размер С, мм012345

Соотношение С/А 00,08 0,17 0,250,330,42

Неплоскостность,

мкм0,34 0,29 0,24 0,13-0,13-0,65

Таблица 3

Размер В, мм2345678910

40

Соотношение В/А 0,17 0,25 0,33 0,42 0,50 0,58 0,67 0,75 0,83 Неплоскостность, мкм-1,56 -0,29 0,02 0,13 0,17 0,19 0,20 0,20 0,20

фиг. /

А-А

Риг.З

Составитель Ю. Красильников

Редактор Ю СередаТехред И. ВересКорректор М Максимишинец

Заказ 2804/31Тираж 721Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат «Патент, г Ужгород, ул Гагарина, 101

Фиг. 2