Радиальное гидродинамическое уплотнение вала Советский патент 1991 года по МПК F16J15/42 

Изобретение относится к уплотнитель- ной технике и может быть использовано для герметизации валов роторных машин.

Цель изобретения - повышение надежности герметизации и увеличение удерживаемого перепада давления.

На фиг.1 изображено предлагаемое уплотнение с телами качения в виде шаров и аксиально подвижной стенкой корпуса; на фиг.2 - разрез А-А на фиг,1 с размещением шаров в кольцевых пазах диска импеллера; на фиг.З - разрез А-А на фиг.1 с размещением шаров в радиальных пазах диска импеллера; на фиг.4 - уплотнение с телами качения в виде шаров, диаметры которых увеличиваются в направлении от вала к периферии диска импеллера; на фиг.5 - уплотнение с телами качения в виде цилиндрических роликов, диаметры которых увеличиваются в направлении от вала к периферии диска импеллера; на фиг.6 - уплотнение с телами качения в виде конических,

расширяющихся в направлении от вала к периферии диска импеллера роликов с расположением их осей под углом к оси вала; на фиг.7 - уплотнение с телами качения в виде цилиндрических роликов, оси которых отклонены от радиального направления со смещением внутреннего конца линии контакта по направлению, а наружного конца - против направления вращения диска импеллера; на фиг,8 - разрез Б-Б на фиг.7; на фиг.9 - уплотнение с конической контактной поверхностью стенки корпуса; на фиг. 10 - уплотнение со средствами упругого прижима шаров к стенке корпуса; на фиг.11 - уплотнение с аксиально подвижным диском импеллера; на фиг. 12 - уплотнение с телами качения в виде цилиндрических роликов, установленных в сепараторе с радиальным расположением их осей: на фиг. 13 - разрез В-В на фиг. 12; на фиг. 14 - уплотнение с телами качения в виде цилиндрических роликов, установленных в сепараторах с возё

О 4 ГО О

о ю

можностью свободного вращения относительно вала; на фиг.15 - разрез Г-Г на фиг.14.

Радиальное гидродинамическое уплотнение содержит корпус 1 и установленный в нем на валу 2 импеллер в виде диска 3 с динамическим элементом в виде тел качения 4, размещенных в радиальном кольцевом канале между торцовыми поверхностями диска 3 и стенки 5 корпуса 1 и установленных с возможностью контакта и качения относительно этой стенки. Контактирующая стелами качения стенка 5 корпуса 1 может быть выполнена в виде аксиально Подвижного диска, зафиксированного от проворота штифтом 6 и уплотнительного кольцом 7. Тела качения могут быть выполнены в виде шаров и расположены в выполненных на диске 3 кольцевых канавках 8 или радиальных пазах 9. Тела качения могут быть выполнены с увеличением диаметральных размеров в направлении от вала к периферии диска 3 импеллера (фиг.4,5,6). Тела качения могут быть выполнены в виде роликов, расположенных с отклонением на угол а их осей от радиального направления, при этом внутренние концы линий контакта роликов смещены от радиального направления в направлении вращения диска 3, а наружные концы - против направления его вращения (фиг.7). Стенка 5 корпуса 1 в виде диска может быть выполнена конической, при этом диск 3 импеллера также имеет коническую форму, а тела качения в виде шаров могут быть расположены на диске 3 в глухих отверстиях 10 или кольцевых канавках (фиг.9). Диск 3 может быть снабжен средствами поджатия тел качения к стенке 5 в виде пружин 11 и опорных элементов 12 (фиг. 10). Диск 3 импеллера может быть установлен на валу 2 с возможностью осевого перемещения, например, на шлицах 13, и уплотнен по валу кольцом 14, тела качения могут быть размещены в сепараторе 15, зафиксированном от проворота относительно вала 2 ступицей 16 со спицами 17 (фиг.11). Тела качения могут быть выполнены в виде цилиндрических роликов, установленных в сепараторе (фиг. 12). Тела качения могут быть установлены в сепараторах, установленных с возможностью осевого перемещения относительно друг друга, например, при помощи пружины 18 соединены между собой шлицевым соединением 20 и установлены на валу 2 на подшипнике 21 с возможностью свободного вращения относительно вала (фиг. 14), при этом сепараторы могут быть снабжены приводом вращения. Тела качения в виде роликов могут быть соединены зубчатым зацеплением со стенкой 5 корпуса 1.

Уплотнение работает следующим образом.

При вращении вала 2 с диском 3 качения 4 катятся по торцовой поверхности

стенки 5 корпуса 1, при этом вращение тел качения 4 вокруг вала 2 осуществляется свободно в кольцевом канале между диском 3 и стенкой 5 (фиг.2) или принудительно совместно с диском 3 (фиг.З). При свободном

0 вращении тел качения 4 в кольцевом канале 8 между диском 3 и стенкой 5 частота вращения тел качения 4 вокруг вала 2, а следовательно, и частота вращения уплотняемой среды в кольцевом канале 8, равна полови5 не частоты вращения диска 3. В данном случае при вращении тел качения 4 вокруг вала 2 имеет место только трение качения. При принудительном вращении тел качения 4 совместно с диском 3 частота вращения

0 тел качения 4 вокруг вала 2, а следовательно, и частота вращения уплотняемой среды, равна частоте вращения диска 3. Однако, в этом случае в элементах конструкции, кроме трения качения, имеет место трение сколь5 жени я.

При вращении уплотняемой среды вокруг вала 2 центробежные силы, действующие на последнюю, создают определенное противодавление, герметизирующее враща0 ющийся вал 2. Основной дополнительный эффект, обеспечивающий герметизацию вала 2, достигается контактом тел качения 4 со стенкой корпуса 1, при котором создается между последними, гидравлический клин,

5 вращающийся вокруг вала 2 с частотой вращения тел качения 4 вокруг вала 2.

Уплотняемая среда в кольцевом канале клином между телами качения 4 и стенкой 5 выдавливается от стенки 5 корпуса 1 и от0 брасываетоя центробежными силами к периферии диска 3 импеллера. Механизм герметизации вала 2 за счет действия клина между телами качения 4 и стенкой 5 корпуса 1 позволяет повысить герметичность уплот5 нения путем устранения стекания пограничного слоя уплотняемой среды по торцовой поверхности стенки 5 корпуса 1 к валу 2. Клиновый эффект позволяет обеспечить частоту вращения уплотняемой среды не0 посредственно на неподвижной стенке 5 корпуса 1, что дает возможность увеличить удерживаемый перепад давления уплотняемой среды на гидродинамическом и радиальном уплотнении путем повышения

5 частоты вращения всего объема уплотняемой среды между диском 3 и стенкой 5, вплоть до частоты вращения диска 3.

В конструкции уплотнения, показанной на фиг. 1, тела качения имеют одинаковый диаметр. Однако, очевидно, ч го при качении

по стенке 5 корпуса 1, тела качения 4, размещенные на периферии диска 3, имеют частоту вращения вокруг собственной оси больше, чем тела качения 4, размещенные ближе к валу 2. Разница частот вращения тел качения 4, размещенных на периферии диска 3 и у вала 2, обусловленная различием диаметров дорожек качения, а следовательно, и длин путей качения, приводит к различной скорости качения тел качения 4 по стенке 5 корпуса 1 и к разной интенсивности износа тел качения 4 и стенки 5 корпуса 1.

Для равномерного износа тел качения 4 при условии их привода от дисков 3 или от вала 2 должна быть обеспечена одинаковая скорость качения, независимо от диаметра дорожки качения.

Обеспечение эффекта качения с одинаковой скоростью, независимо от диаметра дорожки качения, достигается выполнением соотношения di/Di const, где di - диаметр тела качения на диаметре Di; Di - диаметр дорожки качения. Угол раскрытия образующих, охватывающих тела качения 4, от вала 2 к периферии диска 3 определяется зависимостью

а 2 arctg (di-н - di)/(Di+i - DO.

Для тел качения 4 в виде шаров, контактирующих со стенкой 5 корпуса 1 в точке, достаточным условием равномерности износа является обеспечение одинаковой частоты их вращения вокруг собственной оси, что достигается изменением диаметра тел качения (фиг.4).

Для тел качения 4 в виде роликов, имеющих цилиндрическую форму (фиг.5), изменение диаметра тел качения позволяет только уменьшить величину износа. Для конкретного ролика путь качения имеет величину, изменяющуюся в зависимости от диаметра дорожки качения, поэтому в конструкции имеет место проскальзывание цилиндрической поверхности роликов относительно стенки 5 корпуса.

Для выполнения вышеуказанных соотношений диаметров тел качения 4 в виде роликов и диаметров дорожек качения во всем диапазоне от вала 2 до периферии диска 3 ролики должны быть конической формы (фиг.б).

Тела качения 4 в направляющих диска 3 импеллера или в сепараторе 15 могут быть установлены различным образом, а именно, радиально, в шахматном порядке и т.п.

Установка тел качения 4 в радиальном кольцевом канале под углом к радиальному направлению в плоскости, перпендикулярной оси вала 2, позволяет обеспечить образование клина, действующего в виде бегущей волны, выдавливающей уплотняемую среду по стенке 5 корпуса 1 от вала 2 к

5 периферии диска 3 импеллера. Таким образом, в этом случае клиновой эффект воздействует на уплотняемую среду как в осевом направлении, выдавливая ее от стенки корпуса 1 в кольцевой канал 8, так и в радиаль0 ном направлении, выдавливая ее по стенке

5 корпуса 1 к периферии диска импеллера.

Наиболее эффективны для такого

воздействия на уплотняемую среду тела

качения 4, выполненные в виде роликов,

5 контактирующих со стенкой 5 корпуса 1 по линии от вала 2 до периферии диска 3 импеллера (фиг.7). Ось вращения роликов отклонена от радиального направления под углом а со смещением внутреннего конца

0 линии контакта роликов со стенкой 5 корпуса 1 на периферии диска 3 по направлению, а наружного конца линии контакта у вала 2 против направления вращения диска 3 импеллера. При вращении вала 2 на стенке 5

5 корпуса образуется клин, который повышает эффективность работы уплотнения как по удерживаемому перепаду давления, так и по герметичности.

Угол а между радиальным направлени0 ем и линией контакта роликов со стенкой корпуса 1 устанавливается в зависимости от частоты вращения вала 2, удерживаемого перепада давлений, рода и свойств уплотняемой среды.

5В конструкции (фиг. 14) привод вращения

роликов 4 относительно диска 3 позволяет повысить частоту вращения относительно вала 2, например, с помощью мультипликатора, а привод от автономного привода по0 зволяет осуществить герметизацию вала 2 на режимах стоянки роторной машины.

Формула изобретения

51. Радиальное гидродинамическое уплотнение вала, содержащее установленный в корпусе на валу импеллер в виде диска с динамическим элементом в виде тел качения, размещенными в радиальном канале

0 между торцовыми поверхностями диска и стенки корпуса, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности герметизации и увеличения удерживаемого перепада давления, тела качения установ5 лены с возможностью контакта и качения относительно стенки корпуса.

2. Уплотнение поп.1,отличающее- с я тем, что тела качения выполнены с увеличением их диаметральных размеров в направлении от вала к периферии диска импеллера.

3. Уплотнение по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что тела качения выполнены в виде роликов, которые расположены с отклонением их осей от радиального направления,

при этом внутренние концы линий контакта роликов смещены от радиального направления в направлении вращения диска, а наружные концы - против направления вращения диска,

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации валов роторных машин. Цель изобретения - повышение надежности герметизации и увеличение удерживаемого перепада давления. Уплотнение содержит установленный в корпусе на валу импеллер в виде диска с динамическим элементом в виде тел качения, установленных в радиальном канале между диском и корпусом с возможностью контакта и качения относительно корпуса. Диаметральные размеры тел качения могут увеличиваться в направлении от вала к периферии диска. Тела качения могут быть установлены под углом к радиальному направлению. Наличие в устройстве тел качения, взаимодействующих со стенкой корпуса, за счет создания ими клинового эффекта повышает герметичность уплотнения. 2 з.п. ф. 15 ил.

Z

Фиг. 2

7

Фиг.1

Фиг. 3

2

Фиг. 4

4

Фиг. 5

Фиг, 7

OL

Фиг. 8

Фиг. 9

п

Фиг. Ю

77

fjl ЗПф

2902191

Фиг. 15