Торцовое уплотнение Советский патент 1991 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотни- тельной технике, в частности к уплотнениям вращающихся валов, и может быть использовано в компрессорах, газовых турбинах, турбоагрегатах и аналогичных машинах.

Цель изобретения - повышение надежности и долговечности (ресурса работы) путем ликвидации износа при запусках, остановах, и малых скоростях вращения вала.

На фиг.1 показано уплотнение, осевой разрез; на фиг.2-4 - варианты закрепления пьезокерамического кольца на торцовой поверхности неподвижного кольца; на фиг.5-8 - вид А на фиг.1 (пьезокерамическое кольцо выполненное из пьезоэлементов); на фиг.9 - профиль волны деформации; на фиг 10-13 - варианты объединения кольцевых сегментов пьеяо-элементов в группы (вид Л на фиг.2).

Торцовое уплотнение содержит вра- щающееся 1 и невращающееся 2 кольца, поджимаемые друг к другу упругими элементами 3 и установленные концент- рично валу 4. На торцовой поверхности 5 невращающегося кольца 2 закреплено средство для создания газодинамического эффекта, выполненное в виде пьезокерамичеокого кольца 6, соединенного с генератором 7 электрических колебаний череч устройство 8 регулирования напряжения электрических колебаний, соединенное линией 9 обратной связи с датчиком 10 величины зазора. Пьезокерамическое кольцо 6 может быть установлено в кольцевой проточке 11, выполненной на торцовой поверхности 5 нивр-шающегося кольца 2 со стороны нару/мито диаметра.

0

5

0

5

0

5

Пьезокерамическое кольцо 6 может быть установлено в кольцевой проточке 12, выполненной на торцовой поверхности 5 невращающегося кольца 2 со стороны внутреннего диаметра.

Пьезокерамические кольца 6 могут быть установлены в кольцевых проточках II и 12, выполненных на торцовой поверхности 5 невращающегося кольца 2 одновременно со стороны наружного и со стороны внутреннего диаметров.

Ширина пьезокерамического кольца (размер Б) составляет 1/4-3/4 ширины рабочей поверхности невращающегося кольца (размер В), а расстояние между рабочей поверхностью 13 пьезокерамического кольца 6 и вращающимся кольцом 1 находится в пределах 0,2- 20 мкм Рабочая поверхность пьезо- керамического кольц а 6 может быть выполнена криволинейной или конической (14).

Пьезокерамическое кольцо 6 может быть выполнено в виде набора пьезо- керамических.элементов. Иьезокерами- ческие элементы могут быть выполнены в виде спиральных пластин 15, прямых пластин, расположенных наклонно (16) или радиально(17), в виде колец 18, размещенных одно в другом кон- центрично относительно оси вала, либо в виде кольцевых сегментов 19.

Торцовое уплотнение вращающегося вала работает следующим образом.

До начала вращения вала на пьезо- керамическое кольцо 6 от генератора 7 электрических колебании подается электрическое напряжение большой час тоты, изменяемое по синусоидальному закону. При этом в пьечокерлмнческом кольце 6 с помощью переменного ЭЛРКТ-

рического поля п результате обратног пьезоэлектрического эффекта происходит деформация пьезокерамического кольца 6 в осевом направлении с час- тотой переменного поля.

Деформация пьезокерамического кольца 6 по синусоидальному закону с высокой частотой в направлении нор мали к поверхности кольца 1 приводит к образованию между кольцом 1 и пье- зокерамическим кольцом 6 сдавливае- мой газовой или жидкостной пленки, обладающей уплотняющей способностью, пропорциональной амплитуде колеба- ний при сдавливании. При этом между пьезокерамическйм кольцом 6 и кольцом 1 образуется зазор, величина которого пропорциональна амплитуде колебаний пьезокерамического кольца 6 и давление в котором выше давления окружающей среды.

После образования между пьезо- керамическим кольцом 6 и кольцом 1 гарантированной газовой или жидкостной пленки уплотнение готово к работе. Включают электродвигатель машины, и вал начинает вращаться. Это позволяет ликвидировать износ уплотнения при запусках, остановах и малых скоростях вращения вала

Если уплотнение дополнительно снабжено устройством 8 регулирования напряжения электрических колебаний, соединенным линией 9 обр,1т:пй связи с датчиком 10 величины зазора, то датчик 10 вырабатывает пр порцио- нальный величине зазора между пьезо- керамическим 6 и вращающимся 1 кольцами сигнал, который через линию 9 обратной связи подается на устройство 8 регулирования напряжения электрических колебаний. Это устройство изменяет сигнал, получаемый от генератора 7 электрических колебаний, пропорционально величине си гнала, получаемого от датчика 10, и передает его на пьезокерамическое кольцо 6. При уменьшении величины зазора между кольцами 1 и 6 сигнал, выраба- тываемый датчиком 10, увеличивается. При этом сигнал, подаваемый устройством 8 регулирования напряжения электрических колебаний на пьезоке- рамическое кольцо 6, возрастает, что приводит к возрастанию амплитуды колебаний пьезокерамического кольца 6 и восстановлению зазора. Это позволяет устанавливать между пьезоке-

0

5

0

0 5

5 5 0 5

рамическим 6 и вращающимся 1 кольца ми оптимальную ветчину зазора, а также регулировать зазор в процессе работы уплотнения

Если пьезокерамическое кольцо 6 закреплено на части невращаюшс оси кольца 2, то повышенное давление, создаваемое пьезокерамическим кольцом 6, дросселируется в щелевом зазоре на участке 5, что повышает уплотняющие свойства торцового уплотнения.

Закрепление пьезокерамического кольца 6 в про точке 11 невращающегося кольца 2 так, что между пьезокерамическйм 6 и вращающимся 1 кольцами имеется гарантированный зазор Д . 0,2-20 мкм, позволяет исключить случайный контакт между ними в процессе работы уплотнения при возникновении осевых колебаний вала и избежать разрушения пьезокерамического кольца 6 под действием случайных ударных нагрузок.

Выполнение пьезокерамического кольца 6 с конической (14) или криволинейной рабочей поверхностью так, что со стороны более высокого давления рабочий зазор между пъезоксра- и вращающимся кольцом боль- ше, позволяет улучшить уплотняющие свойства торцового уплотнения за счет нагнетания уплотняемой среды при пульсациях в сторону большего зазора. Это повышает надежность ц долговечность уплотнения.

Еыпо шенне пьезокерамического кольпа 6 в виде набора пьезокерами- ческих элементов, каждый из которых соединен с генератором электрических колебаний, позволяет подавать сигнал на любой из пьезокерамических элементов независимо от других элементов. Это обеспечивает получение разнообразных форм деформаций рабочей поверхности невращающегося кольца, а позволяет изменять форму рабочей поверхности по любому заранее за данному закону

При выполнении пьезокерамического кольца в виде набора спиральных лье- зоэлементов 15 сигнал от устройства 8 регулирования напряжения электрических колебаний подается на сосед- иле элементы 15, отличающиеся по фале на определенную постоянную величину. В результате деформации на по- ьерхности пьезокерамического кольца

71634907

6 образуются спиральные пазы, глуби на которых пропорциональна подаваемо му напряжению, не зависит от темпера- туры колец и может быть изменена в г процессе работы уплотнения. Так как деформация элементов 15 равна по амплитуде, но отличается по фазе, на поверхности пьеэокерамического кольца 6 образуется волна, вектор распро- JQ странения которой перпендикулярен радиусу кольца. Скорость распростра- нения волны () пропорциональна частоте, выдаваемой генератором 7 электрических колебаний, причем волна дефор-(5 мации может распространяться как в направлении, показанном стрелкой на фиг.8, так и в противоположном направ лении. Форма волны показана на фиг.9.

Такие же волны образуются при вы- 20 полнении пьезокерамического кольца 6 в виде набора наклонных 16 или радиальных 17 пластин. Эти волны деформации характеризуются тем, что глубина пазов (спиральных, радиальных или наклонных) зависит только от подаваемого на пьезоэлемент напряжения и не зависит от температуры или давления уплотняемой среды. Кроме того, они не засоряются в процессе работы уп- 30 лотнения, так как после прекращения подачи электрического сигнала на гьезоэлементы пазы исчезают, т.е. пазы обладают способностью самоочищаться, что позволяет уплотнять за- 35 гряз не иные жидкости или газы.

При выполнении кольца 6 в виде набора пьезокерамических колец 18 вектор распространения волны деформации направлен вдол 3 радиуса кольца 40 6 в сторону наружного или внутреннего диаметра. Укачанные волны деформации способны перекачивать уплотняемую среду против направления утечки и создавать повышенное дав-45

ление в зазоре, что повышает надежность и договечность торцового уплотнения.

Если на торцовой поверхности 5 невращающегося кольца 2 выполнены50

две кольцевые проточки 11 и 12, в каждой из которых установлено пьезо- керамическое кольцо 6, то на эти кольца сигналы от генератора электрических колебаний подаются так, что «5 бразующиеся полны деформации перекачивают уплотняемую среду навстречу друг другу. Что приводит к резкому повышению д-тнения уплотняемой

м

8

среды в зазоре между кольцами на участке 5 и, следовательно, к повышению надежности и долговечности.

Выполнение пьезокерамического кольца 6 в виде набора кольцевых сегментов 19 позволяет получить на рабочей поверхности кольца большое количество микровыступов при подаче на кольцевые сегменты сигналов, отличающихся по фазе

Кроме того, эта конструкция позволяет объединять кольцевые сегменты 19 в группы 20-23, сигнал к которым подается одновременно, причем сигнал, подаваемый к соседним группам, отличается по фазе. В зависимое то от того, какие элементы 19 объединены в группы на поверхности пьезокерамического кольца, могут быть получены различные виды волн дефор- мации, например волна деформации в виде спиралей, загнутых по направлению вращения вала или против, радиальная волна деформации, кольцевая волна деформации.

На рабочей поверхности пьезокера- мического кольца может быть одновременно получено большое количество волн деформации (для наглядности выделена только одна).

Для предотвращения выхода уплотнения из строя вследствие аварии, например, при внезапном отключении электрической энергии на поверхность пьезокерамического кольца нанесено покрытие из фторопластового материала, которое, обладая хорошими антифрикционными свойствами, не препятствует деформации пьезокерамических элементов.

Формула изобретения

1. Торцовое уплотнение вращающегося вала, включающее вращающееся и невращающееся кольца тревдя, поджимаемые друг к другу упругими элементами и установленные концентрично валу, средство для создания газодинамического эффекта, выполненное в виде кольца, закрепленного на торцовой поверхности невращающегося кольца, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности путем ликвидации износа при запусках и остановах, оно снабжено генератором электрических колебаний, устройством регулирования напря

жения и датчиком зазора, выход которого соединен с входом устройства регулирования напряжения, другой вход которого соединен с генератором электрических колебаний, а выход уст ройства регулирования - с кольцом, закрепленным на торцовой поверхности невращающегося кольца, причем кольцо выполнено из пьезокерамического ма- териала.

2. Уплотнение по , о т ли - чающее ся тем, что пьезокера- мическое кольцо установлено в кольцевой проточке, выполненной на тор1- цовой поверхности невращаюшегося кольца со стороны наружного или стороны внутреннего диаметра.

.3. Уплотнение по пп.1 и 2, о т личающее ся тем, что пьезо1 Керамическое кольцо имеет коническую или криволинейную рабочую торцовую

поверхность.

4. Уплотнение попп.1-3, отличающеесятем, что пьезо- керамическое кольцовыполнено в ви-

со

-

д

25

15

20

де набора пьезокерамических элементов, каждый из которых соединен с устройством регулирования напряжения1 электрических колебаний.

5.Уплотнение по п.4, о т л и чающееся тем, что пьеэокера- мические элементы выполнены в виде спиральных пластин.

6.Уплотнение по п.4, отличающееся тем, что пьеэокера - мические элементы выполнены в виде прямых пластин, расположенных ра диально или наклонно.

- 7. Уплотнение по п.4, о т л и - - чающееся тем, что пьезокера- мические элементы выполнены в виде концентрично расположенных колец.

8.Уплотнение по п.4, о т л и чающееся тем, что пьезокера- мические элементы выполнены в виде кольцевых сегментов.

9.Уплотнение по пп., о т личающееся тем, что на пьезокерамическое кольцо нанесено антифрикционное покрытие.

Изобретение м.б. использовано .в уплотнениях вращающихся валов компрессоров, газовых турбин. Цель изобретения повышение надежности и долговечности путем ликвидации износа при запусках и остановах. Вращающееся и невращающееся кольца (К) 1, 2 трения поджаты друг к другу упругиья олементами 3 и установ

/3

11

фиг. 2

t

Гм -3

5

I

t

5)

«Э

Фиг. 10

18

Фиг. 12 МЛ

19,н

Редактор

фиг.13

Составитепъ И. Тащенко

Техред К.ДлдыкКорректор М.Демчик

Фиг. 9

ВидА

Фиг. 11

22