Ущільнення вала

Реферат: Ущільнення вала містить обертову втулку і обертове сідло, на торцевій поверхні якого виконана ущільнювальна перегородка і канавки, розташовані на периферії, а також аксіально-рухливий торець, встановлений в корпус і підібганий пружинами через кільце, що притискається, до обертового сідла. Торцева ущільнювальна поверхня принаймні одного з кілець ущільнювачів обертового сідла або аксіально-рухливого торця виконана у вигляді опуклого або увігнутого конуса, а обертова втулка встановлена на вал на посадочних радіальних центрувальних циліндричних хвостовиках, на яких виконані принаймні три пази таким чином, що для контакту з циліндричною поверхнею вала залишаються принаймні три циліндричних ділянки на кожному з хвостовиків, внутрішній діаметр яких менше, ніж зовнішній діаметр посадочної циліндричної поверхні вала. UA 92999 U (12) UA 92999 U UA 92999 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до ущільнювальної техніки і може бути використана в турбокомпресорах і насосах різного призначення для ущільнення обертових валів. Відомо ущільнення вала, що містить аксіально-рухливе кільце ущільнювача (торець) з натискною пружиною і вторинним ущільненням, яке встановлене герметично в корпусі і розділяє між собою порожнини високого і низького тиску і закріплене на валу обертове ущільнювальне кільце (сідло), на торцевій поверхні якого виконана ущільнювальна перегородка і спіральні канавки, розміщені на периферії проти напрямку обертання. Торцева поверхню кільця (торця) ущільнювача виконана принаймні з фасками на одній з обмежуючих циліндричних поверхонь, а відповідна торцева поверхня кільця (сідла) ущільнювача додатково забезпечена концентраторами та/або стабілізаторами тиску [UA № 21905, F16J15/16, 28.02.95]. Однак така конструкція ущільнення вала має високий витік, низьку надійність, оскільки в процесі роботи при високих тисках і високих швидкостях обертання ущільнення вала втрачає самоцентрувальну здатність і створює додатковий дисбаланс ротора. На практиці зустрічаються випадки, коли в процесі роботи компресора може змінюватися склад, температура і тиск газу, що перекачується. У цьому випадку ущільнення працює не на розрахункових параметрах, що також знижує надійність ущільнювального вузла. Крім цього високе осьове зусилля притиснення кілець ущільнювачів одне до одного при пусках і зупинках під заданим тиском створює високу силу тертя і знижує ресурс ущільнювальної пари (сідла і торця). В основу корисної моделі поставлена задача підвищення надійності роботи ущільнення вала на різних режимах шляхом поліпшення точності центрування роторної частини ущільнення на валу компресора, а також зменшення витоку газу та осьового зусилля притиснення кілець ущільнювачів між собою при пусках і зупинках під заданим тиском. Поставлена задача вирішується тим, що в ущільненні вала, яке містить встановлену на валу обертову втулку і обертове сідло, на торцевій поверхні якого виконана ущільнювальна перегородка і канавки, розміщені на периферії, а також аксіально-рухливий торець, встановлений в корпусі і підібганий натискними пружинами через притискне кільце, згідно з корисною моделлю, торцева ущільнювальна поверхня принаймні одного з кілець ущільнювачів обертового сідла або аксіально-рухливого торця виконана у вигляді опуклого або увігнутого конуса, а обертову втулку встановлено на валу на посадочних радіальних центрувальних циліндричних хвостовиках, на яких виконані принаймні три паза таким чином, що для контакту з циліндричною поверхнею вала залишаються принаймні три циліндричних ділянки на кожному з хвостовиків, внутрішній діаметр яких менше, ніж зовнішній діаметр посадочної циліндричної поверхні вала. Канавки на сідлі можуть бути виконані у формі рівносторонньої трапеції з прямими або радіусними сторонами, основою і вершиною і додатково забезпечені принаймні одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді трапеції або прямокутника і принаймні однією сходинкою підвищення або зниження глибини канавки на кожній із сторін трапеції. Канавки також можуть бути додатково забезпечені принаймні одним клиноподібним відгалуженням від основи трапеції в ліву і в праву сторони під кутом і ступінчастою або рівномірної глибиною, що плавно змінюється. Канавки можуть бути виконані у формі клина з прямими або радіусними сторонами і додатково забезпечені принаймні одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді клина або трапеції. Канавки можуть бути виконані у формі нерівносторонньої трапеції з прямими або радіусними сторонами, основою і вершиною і додатково забезпечені принаймні одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді трапеції або клина і принаймні однією дугою на більшій зі сторін трапеції, що змінює траєкторію цього боку. Обертове сідло і аксіально-рухливий торець можуть бути виготовлені з твердих сплавів, наприклад з карбіду вольфраму або карбіду кремнію - матеріалу з мінімальними деформаціями в процесі роботи. Виконання торцевої ущільнювальної поверхні, принаймні одного з кілець ущільнювачів, у вигляді опуклого або увігнутого конуса малої величини дозволяє зменшувати осьове зусилля притиснення кілець ущільнювачів між собою при пусках і зупинках під заданим тиском, а також мінімізувати ущільнювальний зазор за номінальних умов експлуатації та зменшити виток газу. Виконання канавок у формі різних трапецій або клина дозволяє захоплювати газ, а виконання клиноподібних відгалужень від основи трапеції під кутом є ліву і в праву сторони дозволяє перепустити газ на ділянку ущільнювальної перегородки і знизити осьову силу притиснення кілець ущільнювачів. 1 UA 92999 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Конструкція трапецієподібної канавки дозволяє захоплювати однакову кількість газу при звичайному і реверсному обертанні вала. Це забезпечується рівністю кутів нахилу бічних сторін трапеції. Канавка, виконана у вигляді рівносторонньої трапеції, працює однаково в обох напрямках обертання вала, що також зручно при заміні деталей (ідентичність кілець для правого і лівого ущільнення). Ще однією з переваг використання даної канавки є запобігання поломки кілець при можливому аварійному обертанні вала в протилежну сторону від звичайного напрямку. Виконання канавки принаймні з одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді рівносторонньої трапеції, тобто створення ступінчастої структури канавки, дозволяє створити зони підвищеного тиску на кожній сходинці канавки, що робить несучий шар жорсткішим, а ущільнювальний зазор стійкішим. Товщина посадочних радіальних центрувальних циліндричних хвостовиків обертової втулки і величина натягу підбирається таким чином, щоб при посадці на вал виникав оптимальний контактний тиск ділянок, що контактують, за рахунок власних пружинних властивостей матеріалу обертової втулки, а при роботі ущільнення при певній частоті обертання, тиску і температурі цей контактний тиск залишався оптимальним і утримував обертову втулку в центрі осі посадочної циліндричної поверхні вала, а при складаннях - розбираннях забезпечувалася б найкраща повторюваність центрування з найменшою похибкою. Таким чином, усі істотні ознаки даної корисної моделі дозволяють підвищити надійність роботи ущільнення вала і зменшити витік. Суть цієї корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 представлено поздовжній розріз ущільнення вала; на Фіг. 2 показані посадочні радіальні центрувальні циліндричні хвостовики, фрагмент А і фрагмент Б на Фіг. 1; на Фіг. 3 - посадочні радіальні центрувальні циліндричні хвостовики обертальної втулки до монтажу ущільнення на вал, розріз В-В Фіг. 2; на Фіг. 4 - посадочні радіальні центрувальні циліндричні хвостовики обертальної втулки після монтажу ущільнення на вал, розріз В-В Фіг. 2; на Фіг. 5 представлено одне з кілець ущільнювачів, робоча поверхня якого виконана у вигляді опуклого конуса; на Фіг. 6 - одне з кілець ущільнювачів, робоча поверхня якого виконана у вигляді увігнутого конуса; на Фіг. 7 - вид канавки із ступінчастим дном у формі рівносторонньої трапеції; на Фіг. 8 - вид канавки із ступінчастим дном у формі рівносторонньої трапеції з додатковими клиноподібними відгалуженнями; на Фіг. 9 - вид канавки із ступінчастим дном у формі клина; на Фіг. 10 - вид канавки із ступінчастим дном у формі нерівносторонньої трапеції з однією дугою на більшій зі сторін трапеції. Ущільнення вала (Фіг. 1) складається із змонтованої на вал 1 обертової втулки 2, в якій встановлено обертове сідло 3, на торцевій поверхні якого виконана ущільнювальна перегородка (не показана) і канавки, розміщені на периферії (Фіг. 7 - Фіг. 10). До обертового сідла 3 притиснуто аксіально-рухливий торець 4, встановлений в корпусі 5 і підібганий пружинами 6 через притискне кільце 7. Обертова втулка 2 встановлена на вал 1 на посадочних центрувальних циліндричних хвостовиках (Фіг. 2), на яких виконані принаймні три паза таким чином, що для контакту з циліндричною поверхнею вала 1 залишаються принаймні три циліндричних ділянки на кожному з хвостовиків (Фіг. 4), внутрішній діаметр d BT яких менший за зовнішній діаметр dB посадкової циліндричної поверхні вала 1 (Фіг. 3). Торцева ущільнювальна поверхня, принаймні одного з кілець ущільнювачів - обертового сідла 3 або аксіально-рухомого торця 4, виконана у вигляді опуклого (Фіг. 5) або увігнутого (Фіг. 6) конуса малої величини. Ущільнення вала функціонує наступним чином. Газ, що перекачується і який знаходиться в порожнині високого тиску (не показана), надходить в канавки, виконані на периферії обертального сідла 3. При обертанні вала 1 канавки динамічно впливають на газове середовище і підвищують його тиск, що приводить до створення ущільнювального шару з більшою щільністю, ніж у порожнині низького тиску. Крім цього газ, що стискується, при русі до центра зустрічає опір донної частини канавок і ущільнювальної перегородки (не показана). Зазначені силові фактори дозволяють встановити і підтримати стабільну величину торцевого ущільнювального зазору на основі рівності газостатичних сил, що діють на зовнішні поверхні обертового сідла 3 і аксіально-рухомого торця 4, зусилля від натискної пружини 6 і газодинамічної сили, що урівноважує і виникає за рахунок впливу канавок на газове середовище в ущільнювальному зазорі. У переважному варіанті обертальне сідло 3 і аксіально-рухливий торець 4 виготовляються з твердих сплавів, наприклад 2 UA 92999 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 з карбіду вольфраму або карбіду кремнію, тобто з матеріалу з мінімальними деформаціями в процесі роботи. Можливо кілька варіантів виготовлення канавок. Залежно від задачі, що вирішується, канавки можуть бути виконані у вигляді рівносторонньої трапеції, нерівносторонньої трапеції або у формі клина. Дно канавки виконується у вигляді ступінчастих ділянок різної глибини, що дозволяє отримати стійку роботу ущільнення на різних режимах (за частотою обертання, температурі і тиску) і для різного складу газу, що ущільнюється. Крім цього ступінчаста структура канавки створює зони підвищеного тиску на кожному її щаблі, що робить несучий шар жорсткішим, а ущільнювальний зазор стійкішим. Виконання канавок на периферії торцевої поверхні обертового сідла 3, може бути здійснено декількома способами, наприклад іонним травленням з використанням масок, що наносяться на торцеву поверхню сідла або лазерною обробкою. Торцева ущільнювальна поверхня принаймні одного з кілець ущільнювачів (на кресленні обертового сідла 3) виконана у вигляді опуклого або увігнутого конуса малої величини для зменшення осьового зусилля притиснення кілець ущільнювачів 3 і 4 між собою при пусках і зупинках під заданим тиском. При подачі тиску в ущільнення до обертання вала 1 конусність торцевої поверхні обертового сідла 3 в поєднанні зі специфічними канавками і розрахунковими перерізами кілець ущільнювачів 3 і 4 створює протидію зусиллю притиснення цих кілець ущільнювачів. Внаслідок цього зменшується сила тертя між обертовим сідлом 3 і аксіальнорухомим торцем 4 при пуску і зупинці. При цьому герметичність ущільнення зберігається. Також усі компоненти кілець ущільнювачів 3 і 4 розраховані так, що при виході на номінальний режим роботи по тиску, температурі і швидкості обертання вала 1 деформації кілець ущільнювачів 3, 4 такі, що ущільнювальний зазор з конусного стає плоскопаралельним. Це мінімізує витік і виключає кільцеві торкання поверхонь ущільнювачів у процесі тривалої експлуатації, тобто підвищує надійність ущільнення. Обертальне сідло 3 встановлено на обертальній втулці 2, яка, в свою чергу, встановлена на валу 1. На посадочних радіальних внутрішніх циліндричних поверхнях хвостовиків 8 обертальної втулки 2, які контактують із циліндричною поверхнею вала 1, виконані не менше трьох пазів (Фіг. 3) таким чином, що для контакту з циліндричною поверхнею вала 1 залишаються не менше трьох циліндричних ділянок на кожному з хвостовиків. При цьому внутрішній діаметр посадочних радіальних циліндричних поверхонь хвостовиків менше, ніж зовнішній діаметр посадочної циліндричної поверхні вала 1. При посадці обертової втулки 2 на вал 1 виникає оптимальний контактний тиск опорних ділянок хвостовиків на вал 1 за рахунок власних пружинних властивостей матеріалу обертової втулки 2 (Фіг. 4). Це забезпечує найкраще центрування обертової втулки 2 щодо реальної осі вала 1, а при складаннях розбираннях забезпечується найкраща повторюваність центрування з найменшою похибкою. Таким чином, дана корисна модель забезпечує надійність роботи ущільнення вала на різних режимах по частоті обертання, температурі і тиску і для різногоскладу газу, що ущільнюється. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Ущільнення вала, що містить обертову втулку і обертове сідло, на торцевій поверхні якого виконана ущільнювальна перегородка і канавки, розташовані на периферії, а також аксіальнорухливий торець, встановлений в корпус і підібганий пружинами через кільце, що притискається, до обертового сідла, яке відрізняється тим, що торцева ущільнювальна поверхня принаймні одного з кілець ущільнювачів - обертового сідла або аксіально-рухливого торця виконана у вигляді опуклого або увігнутого конуса, а обертова втулка встановлена на вал на посадочних радіальних центрувальних циліндричних хвостовиках, на яких виконані принаймні три пази таким чином, що для контакту з циліндричною поверхнею вала залишаються принаймні три циліндричних ділянки на кожному з хвостовиків, внутрішній діаметр яких менше, ніж зовнішній діаметр посадочної циліндричної поверхні вала. 2. Ущільнення вала за п. 1, яке відрізняється тим, що канавки на сідлі виконані у формі рівносторонньої трапеції з прямими або радіусними сторонами, основою і вершиною і додатково забезпечені принаймні одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді трапеції, і принаймні однією сходинкою підвищення або зниження глибини канавки на кожній із сторін трапеції. 3. Ущільнення вала за 2, яке відрізняється тим, що канавки додатково забезпечені принаймні одним клиноподібним відгалуженням від основи трапеції в ліву і в праву сторони під кутом і змінюється ступінчасто або рівномірно за глибиною. 3 UA 92999 U 5 10 4. Ущільнення вала за п. 1, яке відрізняється тим, що канавки виконані у формі клина з прямими або радіусними сторонами і додатково забезпечені принаймні одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді клина або трапеції. 5. Ущільнення вала за п. 1, яке відрізняється тим, що канавки виконані у формі нерівносторонньої трапеції з прямими або радіусними сторонами, основою і вершиною і додатково забезпечені принаймні одним поглибленням і/або виступом, виконаними у вигляді трапеції або клина і принаймні однією дугою на більшій із сторін трапеції, що змінює траєкторію цієї сторони. 6. Ущільнення вала за п. 1, яке відрізняється тим, що обертове сідло і аксіально-рухливий торець виготовлені з твердих сплавів, наприклад з карбіду вольфраму або карбіду кремнію матеріалу з мінімальними деформаціями в процесі роботи. 4 UA 92999 U 5 UA 92999 U 6 UA 92999 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7