Торцеве ущільнення

Торцеве ущільнення, що має рухоме у поздовжньому напрямку кільце, на контактній торцевій поверхні якого виконані сегментні камери, з'єднані з порожниною високого тиску, що ущільнюється, каналами, розташованими на початку камер в напрямку обертання, та обертову втулку, яке відрізняється тим, що на контактній торцевій поверхні втулки навпроти сегментних камер кільця по всьому колу виконані замкнені пази з радіальними перемичками між ними, причому глибина пазів знаходиться у діапазоні величини від порівняної з шириною пазів до величини, що у десятки разів перевищує товщину рідинної плівки. Передбачуваний винахід належить до галузі насособудування, а більш конкретно до торцевих ущільнень(в котрих не допустиме сухе тертя обертового і нерухомого торців), які використовуються у турбонасосних агрегатах РРД, компресорах, а також у насосах для АЕС, хімічної та авіаційної промисловості ВІДОМІ гідродинамічні та гідростатичні торцеві ущільнення, що працюють у режимі рідинного(газового) змащування [див „Уплотнения и уплотнительная техника" справочник, Москва, Машиностроение, 1986, стр 265, рис 8 32а - аналог 1, рис 8 35 - аналог 2, рис 8 306 - аналог З, рис 8 30а - прототип] Ці ущільнення застосовують при великих перепадах тиску та швидкостях сковзання, а також для герметизації середовища з поганими змащуючими властивостями(гази, киплячі та крюченні рідини) 1 Відоме гідростатичне торцеве ущільнення, що наведено на рис 8 32а "Справочника", а також у статті Мальер, Нельсон, Бакмен "Испытания уплотнений с изнашиваемым кольцом для быстроходных турбонасосов высокого давления", журнал "Проблемы трения и смазки" №3,1969г Труды американского общества инженеров - механиков, серия F, що має рухоме кільце, яке не обертається, з сегментними камерами, що сполучаються з порожниною великого тиску через дроселюючі отвори, та обертову втулку з гладкою торцевою поверхнею Недоліком цього ущільнення є втрата працездатності при підвищеній частоті обертання(більше 10000об/хв) Відбувається дотик та стирання торців, що недопустиме в багатьох випадках, наприклад, при роботі в середовищі рідкого кисню або при багаторазовому вмиканні Дотик торців відбувається внаслідок того, що час перерозподілу тиску у сегментних камерах через малі прохідні перерізи дозуючих отворів більше часу одного обертання вала, і рухоме необертове кільце ущільнення не встигає слідкувати за торцевим биттям ущільнювальної поверхні втулки, що обертається 2 Відоме торцеве гідростатичне імпульсне ущільнення, наведене на рис 8 35 "Сравочника", а також у книзі В А Марцинковский "Бесконтактные уплотнения роторных машин", Москва, Машиностроение, 1980г, у якому на одній з поверхонь пари тертя(звичайно на обертовій) виконані радіальні пази, що з'єднуються з зоною підвищеного тиску На другій поверхні виконані ізольовані камери, КІЛЬКІСТЬ яких перевищує КІЛЬКІСТЬ пазів У процесі роботи при суміщенні камери і паза тиск у камері підвищується до максимального Середній тиску у зазорі та зусилля, що розкриває ущільнюючий стик, тим більше, чим менше зазор О 00 О (О 61082 Утворюється жорсткий шар рідини, що роз'єднує поверхні пари тертя, У цьому ущільненні нема мікрогеометрм, глибина пазів та камер набагато більше, ніж товщина рідинної плівки проміж торцями Однак імпульсне гідростатичне ущільнення також непрацездатне при підвищеній частоті обертання(більше 20000об/хв), бо тиск у камерах при торцевім битті обертового торця не встигає відновлюватися через радіальні пази Внаслідок цього поверхні тертя стираються 3 Відоме торцеве гідродинамічне ущільнення, наведене на рис 8,30а „Справочника", а також у журналі „Power international", 1987, 2, у якому на торці обертового кільця виконані спіральні канавки, що сполучаються з порожниною, яка ущільнюється, глибина канавок порівнянна з товщиною газо-рідинної плівки Торець аксіально-рухомої втулки гладкий Недоліком ущільнення із спіральними канавками є мала глибина канавок, вимірювана кількома мікронами, що може призвести до втрати роботоздатності ущільнення при стиранні торців на нерозрахунковому режимі Спіральні канавки більшої глибини не завжди створюють потрібний гідродинамічний напір для забезпечення рідинної плівки 4 Відоме торцеве гідродинамічне ущільнення, наведене на рис 8 30а "Справочника", а також в "Авторском свидетельстве СССР №366295 F16j 15/34, 15/44, В В Иванов, В А Сенаторов", якеє прототипом, що має обертове та нерухоме кільця і в якому на торці одного з кілець виконані глухі радіальні пази глибиною, порівнянною з товщиною рідинної плівки, а відглухої частини радіальних пазів в напрямку обертання виконані глухі пази(камери) глибиною, меншою за глибину радіальних пазів Недоліком цього ущільнення також є мала глибина пазів, в яких утворюється гідродинамічний тиск, вимірювана кількома мікронами Ця особливість надає ущільненню ненадійності при найменшому стиранні поверхонь Виконання пазів більшою глибиною не завжди забезпечує отримання рідинної плівки В основу винаходу поставлене завдання удосконалення торцевого ущільнення шляхом зміни конфігурації торців контактної пари, забезпечення роботоздатності і при великій частоті обертання, і при великому перепаді тиску навіть після часткового стирання поверхонь торців на нерозрахункових режимах Для виконання цього завдання контактна пара торцевого ущільнення виконана з елементами вихрового насосу з плаваючим робочим колесом Відзначними ознаками пристрою, що пропонується, від прототипу с виконання заглиблень особливої форми та більшої величини на обох поверхнях тертьової пари, а не на одній, як у прототипі На торці необертового кільця виконані сегментні камери, що сполучаються з ущільнуваною порожниною, а навпроти них, на торці обертової втулки, замкнені пази з тонкими радіальними перемичками між ними, розподілені но всьому колу Спільна з прототипом ознака - розташування каналів, що сполучаються з ущільнюваною порожниною, на початку камер у напрямку обертання У пристрої, що пропонується, завдяки відомому явищу збільшення тиску уздовж каналів вихрового насосу по лінійному закону, з початком обертання тиск по довжині сегментних камер збільшується і виникає вісева сила, що розкриває стик Величина тиску залежить від колової швидкості, довжини та висоти лопаті, довжини сегментних камер та вісевого зазору Із збільшенням вісевого зазору гідродинамічний напір знижується, завдяки чому при місцевому зміненні вісевого зазору за рахунок торцевого биття обертової втулки з'являється момент гідравлічних сил, що відновлює рівномірність зазору, тому що з боку меншого зазору тиск у сегментних камерах більше і навпаки Момент відновлюючої сили із збільшенням частоти обертання збільшується, бо напір зростає Таким чином роботоздатність торцевого ущільнення, що пропонується, забезпечується також при зростанні частоти обертання На фіг 1 наведена схематична конструкція пристрою, що пропонується, взаємне розташування рухомого кільця 1 з камерами 2 та втулки 3 із замкненими пазами 4 На фіг 2 зображений торець кільця 1 з камерами 2 та каналами 5, за допомогою яких сегментні камери сполучаються з порожниною великого тиску, та перемичками 6 між камерами На фіг 3 зображений торець втулки 3 із замкненими пазами 4 та радіальними перемичками 7 між ними З умови рівноваги рухомого кільця у вісевім напрямку визначаються геометричні параметри пазів та сегментних камер, що впливають на коефіцієнт напору Кн Середня величина напору у камерах визначається формулою H K =(K H /2z)(uo 2 /2g), де Z - КІЛЬКІСТЬ камер, uo - колова швидкість на середньому діаметрі камер Потрібна величина напору у камерах визначається формулою Нкпотр =(Fk/FKH) (Ро/у) (к - 0,5), де FK - площа контакту, FKH - площа камер, к = fnp/F - коефіцієнт розвантажування, fnp - площа прижиму, Ро - тиск в ущільнюваній порожнині, у - питома вага рідини Рівновога рухомого кільця настає за умовою Нк £ Нк потр тобто (KH/2z) (U02/2g) > (FK/FKM) (P0/y) (к -0,5) Зменшення глибини пазів нижче оптимальної величини(Ьк/2) зменшує коефіцієнт напору Кн від 4 до 0,5 при відсутності пазів У відзнаку від прототипу глибина камер може бути у сотні разів більше, ніж товщина рідинної плівки при великій коловій швидкості в камерах утворюється достатній напір для утворення рідинної плівки між торцями Таким чином глибина пазів на торці обертової втулки знаходиться у діапазоні величин від порівнянної з шириною пазів (Ьі