Торцовые уплотнения и его элементы

 В последнем случае  уплотняющий элемент заменяется  сильфоном (металлическим, из  резины или фторопласта). Конструкция  такого уплотнения с невращающимся  узлом аксиально подвижной втулки  представлена на рис. 7.

   

Рис. 5. Торцовое уплотнение с несколькими пружинами.

 

Конструкция уплотнений с применением уплотняющих элементов  изображена на рис. 8.  Наиболее распространенные элементы- кольца   круглого   сечения   (рис. 8, а)   из   эластичного материала, чаще всего из резины, манжеты различных форм сечения рис. 8,б) и клиновидные уплотнения (рис. 8,в)

Удельное давление в трения обычно отличается от давления уплотняемой   жидкости. В значительной   мере   это зависит   от конструкции уплотнения.

                                

Рис.6. Беспружинное торцовое  уплотнение с использованием  магнитных сил.

Рис. 7. Одинарное торцовое уплотнение ВИГМ с невращающимся  сильфоном изфторопласта.

Если площадь аксиально  подвижной втулки, на которую действует  давление жидкости обозначить через , а площадь контакта рабочих втулок через, то коэффициент разгрузки .

В зависимости от принятого  коэффициента разгрузки торцовые уплотнения можно подразделить на два вида: неразгруженные (у которых f³F , а k³1) и разгруженные (у которых f<F, а k<1). Схематично конструкции таких уплотнений изображены на рис. 9.

При монтаже уплотнения на гладком валу одного диаметра, из-за необходимости обеспечить зазоры между  валом и невращающейся втулкой, всегда имеется условие, когда f>F, т. е. в данном случае k>1.

Рис. 8. Торцовое уплотнение с применением уплотняющих элементов.

Разгруженное уплотнение монтируют на ступенчатом валу или  на специальной гильзе (втулке), с  помощью которой обеспечивается требуемая разность диаметров.

Для установки неразгруженного  уплотнения (f=F, k=1) также требуется ступенчатый вал. Поскольку в разгруженном уплотнении с таким же ступенчатым валом имеется значительно меньшее удельное давление на контактных поверхностях рабочих втулок, то это уплотнение применяется больше по сравнению с уплотнением, у которого f=F.

Уплотнения, имеющие f³F и k³1, используют при легких рабочих условиях, т. е. при низких давлениях уплотняемой жидкости.

При повышенных давлениях применяют разгруженные уплотнения, имеющие f<F и k<1, для уменьшения удельного давления на контактных поверхностях рабочих втулок.

Работа торцового уплотнения сопровождается незначительной утечкой  уплотняемой жидкости. Однако в ряде случаев, например, при перекачке токсичных, воспламеняющихся и легкоиспаряющихся жидкостей, утечка перекачиваемой насосом жидкости в атмосферу недопустима. В таких случаях применяют так называемые двойные торцовые уплотнения, полностью исключающие  возможность утечки перекачиваемой насосом жидкости в атмосферу.

Рис. 9. Схема разгрузки  торцовых уплотнений:

а — неразгруженное (при k = 1); б — неразгруженное (при k > 1); в — разгруженное (при k < 1).

Двойное торцовое уплотнение, схематично изображенное на рис. 10, имеет две пары уплотняющих торцовых поверхностей, образующих замкнутую камеру. В нее подводится уплотняющая Жидкость под давлением, несколько превышающим давление перекачиваемой насосом жидкости в каналах насоса, примыкающего  уплотнению. Таким образом, в камере двойного торцового Уплотнения с помощью уплотняющей жидкости создается гидравлический затвор, препятствующий утечке перекачиваемой насосом жидкости в атмосферу. Двойное торцовое уплотнение представляет собой два обращенных в противоположные стороны одинарных уплотнений, скомпонованных в единый узел. При этом, как правило, используется общее пружинное устройство для создания предварительного контактного давления на обеих трущихся парах.

Необходимо иметь в  виду, что в двойных торцовых уплотнениях имеется незначительная утечка   уплотняющей   жидкости

 

 

Рис. 10. Двойное торцовое уплотнение.

в атмосферу и внутрь насоса. Последнее обстоятельство является существенным недостатком этих уплотнений, ограничивающих возможную область  их применения, особенно в технологических установках, где требуется полная стерильность процесса и не допускается попадание в систему никакой инородной жидкости, даже в незначительных количествах.

Рис. 11. Двухступенчатое  торцовое уплотнение.

В отличие от двойных  торцовые уплотнения с одной парой контактных поверхностей называются одинарными. Они работают в среде перекачиваемой насосом жидкости и не требуют подачи какой-либо уплотнительной жидкости. Схематично конструкции таких уплотнений показаны на рис. 2 и 3.

Одинарные уплотнения в свою очередь можно подразделить на одноступенчатые и двухступенчатые. Одноступенчатые уплотнения имеют одну пару контактных поверхностей и наиболее широко распространены. При очень высоких давлениях уплотняемой среды для уменьшения удельного давления в паре трения до допустимых величин иногда применяют двухступенчатые одинарные уплотнения. Уплотнение, схематично изображенное на рис. 11, представляет собой два одноступенчатых уплотнения, обращенных в одну сторону. Камера, расположенная между двумя парами контактных поверхностей, соединяется с полостью насоса или другой емкостью, в которых давление составляет примерно половину давления уплотняемой жидкости перед уплотнением. Таким образом, имеющийся перепад давления уплотняемой жидкости по чти равномерно распределяется между двумя трущимися парами, а на каждую из них действует половина общего перепада.

При конструировании  торцового уплотнения необходимо учитывать  свойства и температуру уплотняемой  жидкости. С увеличением температуры  уплотняемой жидкости конструкция уплотнения усложняется. В этом случае приходится применять особо качественные материалы, в результате чего первоначальная стоимость уплотнения возрастает. Наиболее широко высокотемпературные (до 400° С) торцовые уплотнения применяют в нефтеперерабатывающей промышленности.

По зарубежным данным верхний температурный предел при-шия  торцовых уплотнений с уплотняющим  элементом не превышает 250° С. Дальнейшее повышение температурного предела  применения возможно при введении в  конструкцию уплотнения холодильника, снижающего температуру уплотняемой жидкости в зоне пары трения до величины, допускаемой материалами, из которых изготовлено уплотнение.

Такие холодильники могут  быть встроенными в уплотнение, также  выносными, расположенными за пределами  этого узла.

На рис. 12 показана конструкция  торцовых уплотнений со встроенными  холодильниками.  В качестве  хладагента  обычно применяют воду, подаваемую от постороннего источника низкого  давления   (как правило, от водопровода). В уплотнениях такого типа холодильник, окружающий вал, уменьшает температуру последнего  до допустимой для нормальной работы уплотнения.

Торцовые уплотнения с выносным холодильником приведены  на рис. 13. Такой холодильник расположен за пределами торцового уплотнения и охлаждается водой, подаваемой от водопровода. Циркуляция уплотняемой жидкости, заполняющей камеру уплотнения   и   холодильник,   может   проводиться   двумя способами.

На рис. 13,а показано уплотнение со встроенной перекачивающей втулкой (своеобразный импеллер). Уплотняемая жидкость циркулирует через камеру уплотнения и холодильник, где она охлаждается и откуда вновь поступает, но уже охлажденной, в зону пары трения. На практике применяют импеллеры различных конструкций.

В уплотнении, изображенном на рис. 13,б, для циркуляции перекачиваемой   насосом   жидкости   через   камеру уплотнения используется развиваемый насосом напор. Жидкость забирается из нагнетательной спирали насоса и, проходя через холодильник, где она охлаждается до требуемой температуры, поступает в камеру торцового уплотнения и далее во всасывающую полость насоса. Таким образом, создается циркуляция уплотняемой жидкости по замкнутому контуру за счет имеющегося перепада давления между различными каналами насоса, в котором применено торцовое уплотнение.

Рис. 12. Торцовые  уплотнения  со встроенным холодильником:

а — перед уплотнением; б — между валом и гильзой.

 

 

По назначению, в зависимости  от свойств жидкостей, перекачиваемых насосами, торцовые уплотнения могут быть подразделены на три группы: 1) для воды, 2) для нефти и нефтепродуктов и 3) для кислот, щелочей и других химически активных жидкостей. С одной стороны, такое подразделение уплотнений в значительной мере условно, так как уплотнение, сконструированное для заданной жидкости, в определенных условиях с успехом может эксплуатироваться на других жидкостях. С другой стороны, при выборе конструкции уплотнения характер уплотняемой жидкости является главным определяющим фактором (например, при перекачке кислот, щелочей и во многих случаях некоторых нефтепродуктов).

Приведенная классификация  торцовых уплотнений составлена для  наиболее широко применяемых в нефтяных центробежных насосах конструкций  уплотнений и, естественно, не может  охватить полностью всего возможного их многообразия.

В неё не включены уплотнения с мембраной, так как они практически не применяются в нефтеперерабатывающей промышленности.

 

 

Квалификация  торцовых уплотнений

 

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ И ВЛИЯНИЕ РАБОЧИХ УСЛОВИЙ НА ИХ КОНСТРУКЦИЮ

 

Торцовые  уплотнения в зависимости от назначения можно применять в определенных границах температур, давлений и окружных скоростей. Это отражается в технических условиях, каталогах и чертежах.

Если рассматривать  торцовые уплотнения обобщенно, как  самостоятельный и единый класс уплотнений вращающихся валов, то область их применения находится в следующих диапазонах (по литературным данным):

давлений  — от вакуума 10-⁶ мм рт. ст. до избыточного давления уплотняемой жидкости 200 кГ/см² и выше;

температур  — от -240° С до +650° С;

окружных скоростей  — до 250 м/сек;

диаметров валов  — до 300 мм для нормализованных широко применяемых уплотнений и до 1000 мм в единичных случаях.

Разумеется, что одновременное сочетание  предельных значений всех параметров в одной конструкции практически не встречается.

Указанная область  применения относится как и торцовым уплотнениям с уплотняющим элементом, так и к уплотнениям с сильфоном.

Если рассматривать  эти уплотнения отдельно, то пределы их применения можно характеризовать следующими величинами.

 

                                                          Для                           Для                            

                                                    уплотнений                уплотнения

                                                  с уплотняющим     с металлическим 
                                                                элементом                     сильфоном

Давление, кГ/см²                  До 200                         До 70

Температура, °С                 От —100                         От —240

                                               до +400                         до +650

Окружная  скорость, м/сек          До 250                         До 100

 

В центробежных нефтяных насосах торцовые уплотнения применяют при следующих условиях. 

 

Давление  в насосах, кГ/см²:

в центробежных             До 30—40

в магистральных      70—80

Температура, °С .            От —50 до +400

Окружная  скорость, м/сек    До 20

Следует отметить, что приведенные значения температуры и давления относятся к перекачиваемой насосом жидкости в камере перед уплотнением, а величины окружной скорости даны для трущихся торцов рабочих втулок среднего диаметра.

Рабочие условия  и конструкция торцового уплотнения взаимосвязаны  и   обусловливают друг  друга. Рассмотрим влияние главных рабочих параметров на конструкцию уплотнений применительно к ранее приведенной их классификации.

Давление  уплотняемой среды разграничивает область применения неразгруженных и разгруженных уплотнений. По многочисленным данным, неразгруженные торцовые уплотнения применяют при давлении до 5:—10 кГ/см². При более высоком давлении (до 85—100 кГ/см² для стандартных, широко распространенных конструкций) необходимо применять разгруженные уплотнения с различным коэффициентом разгрузки.

При определенных давлениях уплотняемой среды  и при изготовлении одной из втулок из хрупкого материала (керамики, углеграфита) необходимо применять уплотнения только с внешним нагружением. В этом случае такая втулка подвержена не напряжению растяжения, которое более опасно для хрупких материалов, а напряжению сжатия.

Окружная  скорость, зависящая от числа оборотов и диаметра вала, на котором установлено уплотнение, влияет на выбор конструкции контактного устройства пружинного типа уплотнений с вращающимся узлом аксиально подвижной втулки, а также на область их применения с невращающимся узлом аксиально подвижной втулки.

Это объясняется  тем, что детали уплотнения, в том  числе и пружина, подвержены действию центробежных сил, возникающих при вращении. Поэтому уплотнения с одной вращающейся пружиной могут применяться при сравнительно небольших окружных скоростях. Так, английская фирма «Flexibox» рекомендует применять такие уплотнения при 3000 об/мин для диаметров валов до 85 мм.