Ущільнювальний вузол

1 Ущільнювальний вузол, який включає ущільнювальний елемент, обертову ущільнювальну частину, встановлену коаксіально з ущільнювальним елементом з можливістю розміщення ущільнення між протилежними поверхнями ущільнювального елемента і обертової ущільнювальної частини, штовхаючу муфту, яка розташована коаксіально між корпусом і ущільнювальним елементом і знаходиться у контакті з ущільнювальним елементом, додаткову муфту, що розміщена коаксіально між штовхаючою муфтою і корпусом, пружинний засіб, який забезпечує переміщення ущільнювального елемента аксіально до обертової ущільнювальної частини, який відрізняється тим, що перший ущільнювальний елемент (20) розташований між штовхаючою муфтою і корпусом для забезпечення ущільнення між ними, і другий ущільнювальний елемент (24) розташований між штовхаючою муфтою і ущільнювальним елементом для забезпечення ущільнення між ними О Ю ю о (О 61055 нення або при прикладенні достатньої різності тисків рівноважне розділення встановиться саме собою Це відбувається, коли сила, що змикає та розмикає, перебувають у рівновазі та дорівнюють одна одній Рівноважне розділення постійно змінюється всередині діапазону зазорів Мета полягає в тому, щоб нижня межа в цьому діапазоні була близько нуля Інша мета полягає в тому, щоб зробити цей діапазон якомога вузьким, бо на верхній границі розділення поверхонь призведе до підвищеної негерметичності ущільнення Оскільки безконтактні ущільнення функціонують, за визначенням, із зазором між ущільнювальними поверхнями, їх негерметичність буде більшою порівняно з контактними ущільненнями аналогічної форми Однак, відсутність контакту означає нульовій знос ущільнювальних поверхонь і, отже, відносно малу КІЛЬКІСТЬ тепловиділення між ними Саме це низьке тепловиділення та відсутність зносу дозволяє застосовувати безконтактні ущільнення у високоПодібно до звичайних механічних ущільнень, швидкісному турбообладнанні, де у ролі середобезконтактне торцеве ущільнення складається з вища, що його ущільнюють, виступає газ двох ущільнювальних кілець, кожне з яких має Турбокомпресори використовуються для його стивисокопрецизійно відшліфовану ущільнювальну снення, і оскільки газ має відносно малу масу, це поверхню обладнання, як правило, працює на дуже високих Ці поверхні мають конусоподібну форму, першвидкостях та з рядом послідовних стадій стиспендикулярні до осі обертання та концентричні з нення нею Обидва кільця розташовані суміжно одне до одного, а ущільнювальні поверхні контактують за Як пояснено в названих вище статтях, ефекумов нульової різниці тиску та нульової швидкості тивність ущільнення значною мірою залежить від обертання Одне з кілець, як правило, є прикріптак званого балансного діаметру ущільнення Це леним до обертового валу за допомогою муфти також стосується і контактних ущільнень валу, інше розташоване всередині конструкції корКоли тиск прикладено з зовнішнього діаметру пуса ущільнення та може переміщатися в осьовоущільнення, зменшення балансного діаметру веде му напрямі Щоб зробити можливим осьове передо виникнення більшої сили, що притискає дві міщення ущільнювального кільця, але й запобігти ущільнювальні поверхні одна до одної та, таким витіканню газу, що його ущільнюють, між кільцем чином, меншого зазору між поверхнями Отже, та корпусом розташовують ущільнювальний елеменше газу просочується з системи мент Цей ущільнювальний елемент має забезпеПід час звичайного робочого періоду відбувачувати деяке ковзання, перебуваючи під тиском, ється пуск турбокомпресора, та силова установка тому для цього як правило використовують Озабезпечує початок обертання валу На початковій подібне ущільнювальне кільце вищої якості Це Остадії роботи - стадії прогріву - швидкості обертанподібне ущільнювальне кільце часто називають ня валів можуть бути вельми низькими Як правивторинним ущільненням ло, для підтримки валу в його двох радіальних та одному упорному підшипнику використовується Як вказувалося вище, для досягнення безконмасло Масло нагрівається в масляних насосах, а тактного функціонування ущільнення, одна з двох також поглинає теплоту, що виділяється в підшипущільнювальних поверхонь, що торкаються одна никах компресора Масло разом з турбулентністю одної, має неглибокі заглиблення, які створюють та стисненням робочого газу, в свою чергу, нагріполя тиску, що розсовують дві ущільнювальні поває компресор По досягненні повної робочої верхні Коли величина сил, що виникають з цих швидкості компресор досягає з плином часу певної полів тиску, стає достатньо великою, щоб подолапідвищеної рівноважної температури При вимити дію сил, які прагнуть утримати ущільнювальні канні обертання валу припиняється, та компресор поверхні у зіткненні, ущільнювальні поверхні розпочинає холонути В цій ситуації різні компоненти ходяться, та виникає зазор, що веде до безконтаккомпресора охолоджуються з різною швидкістю і, тного функціонування Як докладно пояснюється у що важливо, вал стискається температурою, що статтях, на які посилалося вище, природа сил, які знижується, зі швидкістю, іншою ніж корпус компрозділяють, така, що їх величина зменшується із ресора Попередні здійснення вторинного ущільзбільшенням віддалення поверхонь Протидіючі нення можна знайти, наприклад, в Патентах США сили або сили, що змикають, з іншого боку, зале№4,768,790, 5,058,905 або 5,071,141 Для познажать від рівня тиску, що його ущільнюють, та, як чення цього явища в цій галузі техніки часто викотакі, не залежать від віддалення поверхонь Вони ристовується термін "зависання ущільнювальної виникають з тиску, що його ущільнюють, та сили поверхні" При повторному пуску компресора часстискання пружини, яка діє на тильну поверхню то спостерігається дуже великий витік робочого ущільнювального кільця, що може переміщуватись газу, та в цій ситуації ущільнення опирається всім в осьовому напрямі Оскільки сила, що розділяє спробам знов досягти його герметизації В цьому або розмикає, залежить від відстані, на яку розховипадку ущільнення повинно бути усунене та замідяться ущільнювальні поверхні, при роботі ущільнути такого небажаного стикового контакту, коли вал обертається зі швидкістю, що перевищує певну мінімальну швидкість, яку часто називають швидкістю відриву Безконтактні ущільнення валів мають ряд переваг порівняно з ущільненнями, де ущільнювальні поверхні торкаються одна одної, зважаючи на зменшення зносу та зниження тепловиділення У статтях "Fundamentals of Spiral Groove Noncontacting Face Seals" Gabriel, Ralph P (Journal of American Society of Lubrication Engineers Volume 35, 7, pages 367-375, та "Improved Performance of Film-Riding Gas Seals Through Enhancement of Hydrodynamic Effects" Sedy, Joseph (Transactions of the American Society of Lubrication Engineers, Volume 23, 1 pages 35-44) описується технологія виготовлення та критерії проектування безконтактного ущільнення, і зазначені статті включено сюди посиланням 61055 нене при значних витратах часу та втратах через припинення виробництва В US 5,370,403 та ЕР-А-0,519,586 описуються методи послаблення зависання ущільнювальної поверхні, що полягають у спробах запобігти переміщенню вторинного ущільнення Найбільш близьким до пропонованого винаходу за технічною суттю є, ущільнювальний вузол, який включає ущільнювальний елемент, обертову ущільнювальну частину, встановлену коаксиально з ущільнювальним елементом і яка утворює з ним ущільнення між протилежними поверхнями ущільнювального елемента і обертової ущільнювальної частини, штовхаючу муфту, яка розташована між корпусом і ущільнювальним елементом і проходить коаксиально і знаходиться у контакті з ущільнювальним елементом, додаткову муфту, що розміщена між штовхаючою муфтою і корпусом і проходить коаксиально з штовхаючою муфтою, пружинний засіб, який забезпечує переміщення ущільнювального елементу аксиально до обертової ущільнювальної частини [Патент 3972536 США від 03 08 1976, МПК2 F16J15/34] Недолік описаного ущільнювального вузла полягає у його недостатній надійності, зокрема при динамічних перехідних процесах, а також під час підвищення/зменшення тиску та у стані спокою через так зване "зависання ущільнювальної поверхні" У основу пропонованого винаходу поставлено задачу створення такого ущільнювального вузла, який би дозволив покращити характеристики ущільнення валу при його роботі в режимі динамічних перехідних процесів, а також під час підвищення/зменшення тиску та у стані спокою за рахунок створення умов для зменшення ймовірності "зависання ущільнювальної поверхні" ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО винаходу запропоновано ущільнювальний вузол, який, як і відомий, включає ущільнювальний елемент, обертову ущільнювальну частину, встановлену коаксиально з ущільнювальним елементом і яка утворює з ним ущільнення між протилежними поверхнями ущільнювального елемента і обертової ущільнювальної частини, штовхаючу муфту, яка розташована між корпусом і ущільнювальним елементом і проходить коаксиально і знаходиться у контакті з ущільнювальним елементом, додаткову муфту, що розміщена між штовхаючою муфтою і корпусом і проходить коаксиально з штовхаючою муфтою, пружинний засіб, який забезпечує переміщення ущільнювального елементу аксиально до обертової ущільнювальної частини, а, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, перший ущільнювальний елемент розташований між штовхаючою муфтою і корпусом для забезпечення ущільнення між ними, і другий ущільнювальний елемент розташований між штовхаючою муфтою і ущільнювальним елементом для забезпечення ущільнення між ними Особливістю пропонованого пристроя є і те, що пружинний засіб, який забезпечує переміщення ущільнювального елементу і ВІДПОВІДНО штовхаючої муфти до обертової ущільнювальної частини, розташовано між корпусом і штовхаючою муфтою Особливістю пропонованого пристроя є і те, що перший ущільнювальний елемент розташова ний у каналі штовхаючої муфти і входить у зачеплення з ВІДПОВІДНОЮ поверхнею корпусу Особливістю пропонованого пристроя є і те, що додатково включає опорне кільце, виконане в каналі для забезпечення додаткового ущільнення Особливістю пропонованого пристроя є і те, що другий ущільнювальний елемент розташований в каналі штовхаючої муфти і входить у зачеплення з ВІДПОВІДНОЮ поверхнею ущільнювального елементу Особливістю пропонованого пристроя є і те, що штовхаюча муфта містить циліндричну частину, що аксиально проходить, і кільцевий фланець, що радіально проходить від циліндричної частини Особливістю пропонованого пристроя є і те, що перший ущільнювальний елемент проходить між циліндричною частиною штовхаючої муфти і корпусом, і третій ущільнювальний елемент проходить між фланцем і ущільнювальним елементом Особливістю пропонованого пристроя є і те, що штовхаюча муфта і, принаймні, частина ущільнювального елементу розташовані в корпусі Особливістю пропонованого пристроя є і те, що ущільнювальний елемент, обертова ущільнювальна частина, корпус, штовхаюча муфта і додаткова муфта розташовані навколо обертового валу для забезпечення ущільнення потоку рідини вздовж валу Особливістю пропонованого пристроя є і те, що обертова ущільнювальна частина виконана з можливістю обертання відносно валу, ущільнювального елементу, корпусу і штовхаючої втулки Наявність другого ущільнювального елементу в частині, радіально віддаленій від джерела високого тиску, забезпечує те, що перший ущільнювальний елемент досить швидко створює ефективний бар'єр Далі, коли ущільнення розпочинає роботу, проблема зависання ущільнювальної поверхні значною мірою зменшується або навіть повністю усувається Винахідник вважає, що вдосконалення має місце, коли другий ущільнювальний елемент ковзає в осьовому напрямі під час пуску установки, елемент ущільнення фрикційно взаємодіє з муфтою штовхача та поверхнями корпуса, змінюється балансний Діаметр ущільнення валу, залежно від того, де відбувається фрикційна взаємодія Отже, завдяки тому, що ущільнювальний елемент розміщено на боці низького тиску, балансний діаметр змінюється таким чином, що змикаюча сила в первинному ущільненні зростає Як правило, тертя між корпусом та муфтою штовхача відрегульовано за рівноважним балансним діаметром ущільнення валу Даний винахід є особливо застосовним до безконтактних ущільнень Більш прийнятне, муфта штовхача являє собою L-подібну деталь, окрему від ущільнювального елементу Пружина (зміщуючий пристрій) діє між корпусом та одним боком Lподібної муфти, паралельним тильній поверхні ущільнювального елементу Вторинне ущільнення сформовано між поверхнею корпуса та іншим боком L-подібноі муфти Більш прийнятним є те, щоб інший бік муфти знаходився радіально всередині корпуса Що корисно, додаткове ущільнення забезпе 61055 8 чується О-подібним ущільнювальним кільцем між 10 та ущільнювального елементу 14, які знахомуфтою штовхана та ущільнювальним елементом, дяться одна проти одної Ущільнювальна поверхде таке О-подібне кільце додаткового ущільнення ня ущільнювального елементу 14, яка має неглирозміщено в каналі "напівластівчин хвіст" Як прабокі заглиблення, взаємодіє з іншою поверхнею, в вило, додаткове О-подібне ущільнювальне кільце результаті чого досягається необхідне розділення знаходиться між муфтою штовхача та ущільнюваущільнювальних поверхонь Звичайно ж, заглибльним елементом у вирізі квадратної форми або лення можуть бути зроблені (в альтернативному каналі "ластівчин хвіст" в муфті Канал "ластівчин варіанті) на ущільнювальному обертовому КІЛЬЦІ хвіст" часто використовується так, що О-подібне 10 ущільнювальне кільце надійно встановлюється в Більш прийнятні варіанти заглиблень більш ущільнення Однак, під час зупинника (припинення докладно наведені в нашій заявці, що також розроботи) ущільнення, часто ущільнення виштовхуглядається патентним відомством РСІ7ІВ94/00379, ється з каналу через зростання тиску в каналі "лаподаній 16 листопада 1994, та більш прийнятні стівчин хвіст", ЯКИЙ ІНШИМ ЧИНОМ не може бути варіанти виконання заглиблення включено сюди продуто Більш прийнятна форма "напівластівчин посиланням Ущільнювальний елемент 14 часто хвіст" ДОЗВОЛЯЄ О-подібному ущільнювальному роблять з графіту або іншого підхожого матеріалу кільцю здійснювати обмежене переміщення, в реУщільнювальний елемент 14 зміщений вздовж зультаті чого тиск знаходить вихід з каналу Зваосі до ущільнювального кільця 10 за допомогою жаючи на дуже високу величину вартості, пов'язапружинного пристрою 15 (який зображено часткону з демонтажем ущільнення, це конструктивне во пунктирними ЛІНІЯМИ) Ущільнювальний елерішення є особливо вигідним мент 14 може обмежено переміщатися вздовж осі Пружинний пристрій 15 як правило складається з Тепер будуть описані більш прийнятні втілендекількох (наприклад, шести) пружин, розташованя цього винаходу з посиланням на такі креслення них навколо валу 2 Пружини 15 діють з силою, Фіг 1 поперечний переріз верхньої половини відносно невеликою порівняно з розділяючими безконтактного ущільнення ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО силами, які діють в працюючому ущільненні, однак винаходу, вона є достатньою для того, щоб за умов відсутФіг 2 схематичне подання первинного ущільності тиску привести ущільнювальні поверхні у нення за цим винаходом із накладеним профілем контакт Пружина 15 діє через L-подібну муфту тиску, штовхача 17 так, що тильна поверхня ущільнюваФіг 3 зображує перший з альтернативних варільного елементу 14 прямує вздовж осі у напрямі антів конструкції вторинного ущільнення, до ущільнювального кільця 10 Фіг 4 зображує другий з альтернативних варіантів конструкції вторинного ущільнення Пружина 15 діє на направлений радіально всередину виступ корпуса 19 ущільнення 1 Винаходом передбачене ущільнення валу 1 навколо валу 2 Часто два ущільнення валу (не Газ під високим тиском подається від корпуса показано) розташовують послідовно разом з дру19 до радіально зовнішнього краю ущільнювальногим (нижче) ущільненням, що формує резервуванго кільця Ю т а ущільнювального елементу 14 Цей ня першого ущільнення валу компресора, турбіни газ як правило є чистим (нешкідливим) і тому приабо іншого обладнання, що перебуває під тиском датним для викидання в атмосферу, у той час як робочий газ в обладнанні таким не є, і його витік Ущільнення 1 включає обертове ущільнюватрубою спрямовується для спалювання (у факелі) льне кільце 10, встановлене навколо валу 2 радіально назовні від внутрішньої муфти 11, що розВисокий тиск розповсюджується через ущільташовується навколо валу 2 нювальну поверхню ущільнювального елементу 14 та навколо його тильної поверхні Вторинне Внутрішня муфта 11 з'єднана для обертання ущільнення призначене для відвертання проникта осьової фіксації з валом 2, а ущільнювальне нення високого тиску навколо ущільнювального кільце 10 з'єднане для обертання з внутрішньою елементу 14 муфтою 11 за допомогою штирів 13, які проходять ЗОВНІШНІМ радіальним краєм ущільнювального Перше вторинне ущільнення сформовано Окільця 10 подібним ущільнювальним кільцем 20 між муфтою штовхача 17 та направленим радіально всередину Внутрішня муфта 11 має радіальний виступ, виступом корпуса 19 На Фіг 3 та 4 зображено альякий перешкоджає осьовому переміщенню ущільтернативні варіанти конструкції першого вториннонювального кільця 10 в одному напрямі Штирі 13 го ущільнення На Фіг 3 показано перший варіант, підігнано до корпусної (оточуючої) частини, що де перше вторинне ущільнення сформовано Опростягається вздовж осі, внутрішньої муфти 11, подібним ущільнювальним кільцем 201 та опорним виступаючи з радіального зовнішнього краю радікільцем 202 Опорне кільце 202 може виробляального навісу Можна використовувати й ІНШІ тись, наприклад, з Тефлону, воно знаходиться на звичайні конструкції, такі як стержні, що проходять боці низького тиску каналу 21 На Фіг 4 показано у тильну поверхню ущільнювального кільця 10 другий альтернативний варіант, коли перше втоДодаткова муфта 12 призначена для запобігання ринне ущільнення сформовано пружним полімеросьовому переміщенню ущільнювального кільця ним ущільненням 20 10 в іншому осьовому напрямі Обертально-нерухомий ущільнювальний елемент 14 встановлено безпосередньо на ущільнювальне кільце 10 Первинне ущільнення формується між ущільнювальними поверхнями, що простягаються радіальне, ущільнювального кільця О-подібне ущільнювальне кільце 20 знаходиться в каналі 21, зробленому у краї L-подібноі муфти штовхача 17, що простягається вздовж осі О-подібне ущільнювальне кільце здійснює ущільнення проти поверхні радіального виступу корпуса 19, що простягається вздовж осі Суміжні поверхні муфти штовхача 17 та радіального виступу корпуса 19 істотно простягаються вздовж лінії у рівноважного балансного діаметру ущільнення, працюючого в режимі рівноваги Оскільки бік муфти штовхача розміщено радіально всередину від радіального виступу корпуса 19, фрикційне зчеплення О-подібного ущільнювального кільця веде лише до зменшення балансного діаметру, оскільки зазначене фрикційне зчеплення має місце або на рівні, або всередині рівноважного балансного діаметру Зменшення діючого балансного діаметру збільшує змикаючу силу в первинному ущільненні Приклад Ущільнення валу, що забезпечує ущільнення 115мм валу під тиском ЮОбар Рівноважний балансний діаметр встановлено дорівнюючим 150,8 мм, при цьому змикаюча сила, що виникає в первинному ущільненні, сягає від 400 до 500 Н О-подібне ущільнювальне кільце першого вторинного ущільнення (20) має радіальний розмір близько 3,5мм (нове) Якщо фрикційне зчеплення з О-подібним ущільнювальним кільцем (20) веде до збільшення діючого балансного діаметру під час ковзання з О-подібним ущільнювальним кільцем (20), тобто ситуація, що відповідає попередній технологи, балансний діаметр міг б бути збільшеним максимум до 157,8мм При цьому балансному діаметрі результуюча розмикаюча сила в первинному ущільненні сягає приблизно 12000 Н У цьому прикладі припускається той випадок, коли Оподібне ущільнювальне кільце не переміщується в каналі 21 Як правило, О-подібне ущільнювальне кільце 20 перемістилося б при більш низькому тиску, однак знову результуюча розмикаюча сила була б більшою від сили, що змикає, з якої діють пружини (вона як правило дорівнює величині близько 50 Н) Це проілюстровано на Фіг 2, де схематичний профіль тиску зображено поверх первинного ущільнення валу 1 Відстань між ущільнювальним кільцем 10 та ущільнювальним елементом 14 збільшена задля ілюстративних цілей Стрілка ЗО вказує джерело високого тиску на зовнішньому діаметрі ущільнення ЛІНІЯ а вказує профіль тиску, що його створює ущільнення 1, яке працює в усталеному режимі Найвищий тиск створюється на радіально внутрішньому краю заглиблень (зображених для цього випадку на ущільнювальному КІЛЬЦІ 10), його ілюструє ЛІНІЯ d Як можна бачити, цей тиск перевищує високий тиск, вказаний у точці f, в усталеному режимі - ЛІНІЯ а Для усталеного режиму балансний діаметр вказано ЛІНІЄЮ Є - рівноважний балансний діаметр ЛІНІЯ b ілюструє цей винахід, вказуючи профіль тиску під час пуску установки Оскільки балансний діаметр зменшено, змикаюча сила, зображена ЛІНІЄЮ Ь, більша за тиск в усталеному режимі (ЛІНІЯ а), тому що відстань між ущільнювальним 61055 10 кільцем 10 та ущільнювальним елементом 14 менша Таким чином, ущільнення переходить до усталеного режиму роботи, незалежно від фрикційного зчеплення О-подібного ущільнювального кільця 20 ЛІНІЯ С ілюструє попередню технологію, коли О-подібне ущільнювальне кільце залипає та збільшує балансний діаметр, що створюється при пуску Оскільки змикаюча сила ніколи не перевищує розмикаючу силу (HP), ущільнення розкривається, та як видно, для формування первинного ущільнення не створюється достатньої сили У варіантах втілення винаходу (не показано), коли високий тиск спостерігається радіально всередині рівноважного балансного діаметру, еквівалентне О-подібне ущільнювальне кільце першого вторинного ущільнення може розташовуватися в каналі в частині, що знаходиться радіально зовні рівноважного балансного діаметру В цьому випадку фрикційне зчеплення О-подібного ущільнювального кільця буде намагатись збільшити діючий балансний діаметр, що знову породить тенденцію до збільшення змикаючої сили, що виникає в первинному ущільненні Додаткове вторинне ущільнення також формується між тильною поверхнею ущільнювального елементу 14 та боком муфти штовхача 15, що простягається радіально О-подібне ущільнювальне кільце 24 розташовується в каналі 25, зробленому в муфті штовхача 15 (або ж цей канал може бути зроблено на тильній поверхні ущільнювального елементу 14) Канал 25 є каналом "напівластівчин хвіст" Така форма каналу 25 запобігає зростанню тиску в каналі 25, яке, в противному випадку, призвело б до виштовхування Оподібного ущільнювального кільця 24 з каналу 25 при швидкому падінні тиску в установці або у перебігу інших перехідних процесів Така форма каналу 25 може вигідно використовуватися в усіх корпусах ущільнень валів, які використовують аналогічно розташоване вторинне ущільнення Звичайно ж додаткове вторинне ущільнення може мати стандартну конструкцію каналу (не показано), але це не є більш прийнятним Альтернативний ущільнювальний пристрій, зображений на Фіг 3 та 4, також може використовуватися в інших частинах, де застосовуються Оподібні ущільнювальні кільця, як у проілюстрованих варіантах втілення винаходу Пружне тефлонове U-подібне ущільнення, зображене на Фіг 4, часто використовується завдяки його гарним характеристикам в режимі зменшення тиску Як зазначалось вище, вздовж валу 2 можуть використовуватися ПОСЛІДОВНІ ущільнення 1, причому друге ущільнення 1 є опорним для першого При необхідності може використовуватися одне чи декілька додаткових ущільнень вздовж валу 11 61055 12 >ІГ. 1 Комп'ютерна верстка А Ярославцева Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119