Торцовые уплотнения и его элементы

ВВЕДЕНИЕ

Несколько десятков лет  назад единственным средством уплотнения валов центробежных нефтяных насосов  служили сальниковые набивки. Однако в последнее время они уже  не удовлетворяют возросшим требованиям, предъявляемым к уплотнениям  по герметизации, надежности работы и сроку службы, и на смену им пришли торцовые уплотнения.

Быстрое распространение торцовых уплотнений во многих отраслях машиностроения за последние два десятилетия  объясняется следующими преимуществами их перед сальниковыми уплотнениями.

1. Способность создавать  надежную герметичность вала  при более высоких давлениях  жидкости. Область применения сальниковых  уплотнений в нефтяных центробежных  насосах ограничена, как правило,  давлением р£ 10 кГ/см², тогда как торцовые уплотнения применяют при давлениях до 35—40 кГ/см² и выше.

2.  Торцовые уплотнения  просты в обслуживании, которое  ограничивается периодическим наблюдением.

3.  Срок службы торцовых  уплотнений, составляющий для хороших  и правильно примененных конструкций  несколько тысяч и даже десятков тысяч часов, намного превышает срок службы сальниковых уплотнений.

4. В десятки и даже  в сотни раз меньшие утечки (например, по данным американской  фирмы «John Crane» отношение утечек для сальниковых и торцовых уплотнений составляет примерно 100:1).

Практикой эксплуатации машин с быстровращающимися валами подтверждается необходимость разработки и внедрения более совершенных  и экономичных торцовых уплотнений. В центробежных нефтяных насосах, аппаратах  и в других машинах в качестве уплотнения вращающихся валов, как правило, применяли и продолжают применять мягкие сальники с набивкой, часто низкого качества, что приводит к большим эксплуатационным затрата а в ряде случаев к невозможности обеспечения требуемой герметичности валов.

Не случайно поэтому, что в отечественном машиностроении торцовые уплотнения получили в первую очередь распространение в  нефтеперерабатывающей промышленности. Гипронефтемаш первым в Советском Союзе разработал и внедрил в промышленность торцовые уплотнения.

Этому содействовали также свойства перекачиваемых нефтепродуктов, большинство из которых при утечке из насосов. испаряется, создавая в определенных условиях взрывоопасную концентрацию паров в помещении зданий насосных станций.

Положительные результаты при создании надежных и долговечных торцовых уплотнений определяются тремя основными условиями: 1) правильностью конструкции; 2) высоким качеством изготовления; 3) правильностью выбора материалов для трущейся пары и уплотнительных элементов в зависимости от конкретных условий эксплуатации торцового уплотнения.

Торцовые уплотнения Гипронефтемаша конструктивно представляют самостоятельный комплектно собранный  узел, монтируемый на вал насоса, что наиболее целесообразно при  централизованном производстве торцовых уплотнений (по типу шарикоподшипников). |

В книге на основе работ  Гипронефтемаша освещены вопросы расчета, конструирования, испытания, производства, применения и эксплуатации торцовых уплотнений, предназначенных для  уплотнения быстровращающихся валов  центробежных нефтяных насосов. I

Кроме того, авторы использовали материалы ВНИИгидромаша, НИИхиммаша, ряда нефтеперерабатывающих заводов  и других научно-исследовательских  институтов, а также данные, опубликованные в отечественной и иностранной литературе

Устройство, классификация и область

применения  торцовых уплотнений

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИЯ ТОРЦОВОГО УПЛОТНЕНИЯ И ЕГО ЭЛЕМЕНТЫ

 

Уплотнение вращающегося вала в месте выхода его из неподвижного корпуса насоса имеет двоякое  назначение: препятствовать утечке перекачиваемой насосом жидкости вдоль вала в атмосферу при наличии избыточного давления перед уплотнением и не допускать проникновения воздуха в насос, если последний работает под вакуумом на приеме. Нефтяные центробежные насосы работают, как правило, под избыточным давлением перекачиваемой жидкости в приемном патрубке, поэтому применяемые в них торцовые уплотнения преимущественно должны препятствовать утечке нефтепродукта в атмосферу.

Торцовое уплотнение вращающегося вала представляет собой герметизирующее устройство, в котором плоские уплотняющие поверхности расположены перпендикулярно к оси вращения, а усилия, удерживающие эти поверхности в контакте, направлены параллельно оси вала.

Одна из уплотняющих  поверхностей неподвижна и связана  с корпусом, а вторая — вращается вместе с валом. Уплотняющие поверхности, обработанные с высокой степенью чистоты и плоскостности, расположены на торцах рабочих (вращающейся и неподвижной) втулок. Выполнены они в виде плоскостей кольцевой формы и образуют пару трения, а возникающие в последней динамические силы препятствуют утечке уплотняемой среды, обеспечивая таким образом герметизирующее действие уплотнения. В зависимости от конструкции уплотнения и условий его работы в шаре трения могут быть жидкостный, полужидкостный, полусухой или сухой режимы трения.

На рис. 1 изображена принципиальная конструкция одинарного торцового  уплотнения, которое устанавливается  в месте выхода вала из корпуса.

Вращающаяся втулка 4 устанавливается  на валу насоса (или  на специальной  гильзе) и совершает вместе с ним вращательное движение   с   такой   же   угловой    скоростью.   Устройством   2 передается крутящий момент от вала к вращающей втулке и исключается возможность их относительного проворачивания.

Между вращающейся втулкой  и валом (гильзой) расположен уплотняющий элемент 3, предотвращающий утечку через зазор между этими деталями. Наиболее часто уплотняющий элемент по валу выполняется в виде кольца круглого сечения из резины или другого эластичного материала. Необходимо отметить, что вал, втулка и уплотняющий элемент вращаются с одинаковой угловой скоростью и между ними нет относительного углового перемещения.

Неподвижная втулка 5 устанавливается  непосредственно в корпусе насоса или в его отъемной крышке и  удерживается от проворачивания стопорным устройством 7 (штифт, винт, шпонка и др.).

 

Узел аксиально подвижной  втулки               Узел аксиально неподвижной втулки

Рис. 1. Устройство одинарного торцового уплотнения.

 

Для герметизации зазора между неподвижной втулкой и  корпусом применяется уплотняющий элемент 6, представляющий собой кольцо круглого сечения из резины или другого эластичного материала, а также манжету, прокладку и др.

Под действием гидростатического  давления Р уплотняемой среды  вращающаяся втулка прижимается  к неподвижной. Таким образом, в паре трения создается контактное давление, необходимое для обеспечения герметизирующего действия уплотнения в процессе его работы.

Для удержания пары трения в постоянном контакте при стоянке насоса, когда он не развивает напор, или когда по каким-либо причинам отсутствует избыточное гидростатическое давление в камере уплотнения, служит контактное устройство 1. В большинстве случаев оно состоит из одной или нескольких пружин различной конструкции и создает в паре трения начальное контактное давление.

В процессе работы уплотнения неизбежен износ его рабочих  втулок. Поэтому необходимо, чтобы  одна из них имела возможность  перемещаться вдоль вала в осевом направлении, компенсируя таким  образом износ и поддерживая  постоянный контакт уплотнительных поверхностей в паре трения.

            В зависимости от конструкции  уплотнения осевую подвижность   можно придать  как  вращающейся,  так и неподвижной втулке. На  подвижную втулку обычно действует  усилие от контактного устройства, в частности от пружины.

         В общей форме любое торцовое уплотнение может быть подразделено на два узла: узел аксиально подвижной втулки и узел аксиально неподвижной втулки (см. рис. 1). К узлу аксиально подвижной втулки относятся: одна из рабочих втулок (вращается или не вращается с валом), контактное устройство, уплотняющий элемент по валу  (рабочая втулка вращается) или по корпусу рабочая втулка не вращается), а также устройство для передачи крутящего момента (рабочая втулка вращается) или стопорное устройство (рабочая втулка не вращается).

Узел   аксиально  неподвижной  втулки  состоит  из  рабочей втулки (не вращается  или вращается вместе с валом), уплотнительного элемента по корпусу (рабочая втулка не вращается) или  по валу (рабочая втулка вращается), а также из стопорного устройства (рабочая втулка не вращается) или из устройства для передачи крутящего момента (рабочая втулка вращается).

Положение узла аксиально  подвижной втулки по отношению валу, т. е. этот узел вращается или не вращается  вместе с валом, в основном определяет как конструкцию торцового уплотнения, так и возможную область его применения.

Несмотря на то, что  механизм внутренних физических процессов, происходящих в торцовом уплотнении, еще не установлен окончательно, их конструкция за последние годы усовершенствована. В Советском Союзе, а также в других странах накоплено большое количество  экспериментальных данных,  позволяющих внедрять в промышленность достаточно надежные и долговечные вые уплотнения.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ

 

 Число конструктивных  вариантов исполнения торцовых уплотнений, применяемых в различных отраслях промышленности очень велико. Несмотря на такое многообразие конструкций, торцовые уплотнения можно классифицировать по ряду важнейших признаков.

Предлагаемая авторами классификация торцовых уплотнений, несколько отличающаяся от ранее опубликованных.

Как уже упоминалось  выше, основным признаком, определяющим конструкцию   торцового  уплотнения, является положение узла аксиально  подвижной втулки относительно вала. В связи с этим все многообразие конструкций торцовых уплотнении можно свести к двум основным типам: уплотнения с вращающимся узлом аксиально подвижной втулки и уплотнения с невращающихся узлом аксиально подвижной втулки.

Каждый из этих типов  в зависимости от направления  действия уплотняемой среды на рабочие торцы втулок в свою очередь можно подразделить на уплотнения с внешним нагружением и уплотнения с внутренним нагружением. В уплотнениях с внешним нагружением уплотняемая среда воздействует на трущуюся пару со стороны наружного (большего) диаметра рабочих втулок, а в уплотнениях с внутренним нагружением — со стороны внутреннего (меньшего) диаметра втулок.

На рис. 2 и 3 схематично показаны конструкции основных типов торцовых уплотнений. Стрелками показано направление действия уплотняемой среды на рабочие торцы втулок.

В уплотнениях с внешним  нагружением направление возможной утечки уплотняемой среды противоположно направлению действия центробежных сил на жидкость, находящуюся в зазоре между рабочими торцами, а в уплотнениях с внутренним нагружением оба направления совпадают.

На конструкцию всего  торцового уплотнения влияет контактное устройство. По этому признаку торцовые уплотнения можно подразделить на уплотнения с одной (центральной) пружиной, уплотнения с несколькими пружинами и уплотнения с использованием магнитных сил. Основным типом контактных устройств являются устройства с применением пружин различных конструкций.

На рис. 4 схематично изображены торцовые уплотнения с одной пружиной. Наиболее распространенными являются цилиндрические винтовые пружины сжатие (рис. 4, а), как правило, из проволоки круглого сечения. Изредка применяются составные тарельчатые пружины (рис. 4,6). Штампованные волнообразные пружины (рис. 4, в) используются в торцовых уплотнениях неответственного назначения.

К контактным устройствам  этого типа можно отнести и  уплотнения с сильфонами без пружины. У них для создания начального контактного давления в трущейся паре используются упругие силы самого сильфона (рис. 4,г).

Конструкция торцового  уплотнения с несколькими пружинами представлена на рис. 5. В таких уплотнениях необходимое для нормальной работы суммарное осевое усилие создается с помощью нескольких одинаковых винтовых цилиндрических пружин сжатия из проволоки круглого сечения. Пружины размещаются в соответствующих гнездах симметрично оси вала и с одинаковым окружным шагом между ними. Конструкции торцовых уплотнений с одной или несколькими периферийно расположенными пружинами являются наиболее распространенными.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Торцовое уплотнение с вращающимся узлом аксиально  подвижной втулки: а -- с внешним нагружением; б — с внутренним нагружением

Рис. 3. Торцовое уплотнение с невращающимся узлом аксиально подвижной втулки: а — с внешним нагружением;   б — с внутренним нагружен

 

В последнее время  получили ограниченное распространение  беспружинные торцовые уплотнения (рис.6), в которых предварительный контакт  уплотнительных поверхностей обеспечивается с помощью магнитных сил.

Рис.4. Торцовые уплотнения с одной пружиной.

 

Уплотнение по валу вида по корпусу в узле аксиально подвижной' втулки, исключающее утечку между этой втулкой и валом и корпусом, выполняется как с помощью уплотняющих элементов различного типа (эластичных колец круглого сечения, манжет, клиновидных уплотнений и других), так и без них.