Механічні торцеві ущільнення

Торцеве механічне ущільнення використовується у обертовому обладнанні для забезпечення герметизації вала, і від ресурсу роботи цього вузла залежить надійність роботи всього агрегату. За принципом дії ущільнення валів діляться на дві групи: контактні і безконтактні. У контактних ущільненнях герметичність досягається за рахунок усунення зазору між ущільнювальними поверхнями за допомогою елементу ущільнювача. До контактних ущільнень належать різні види механічних торцевих ущільнень, манжетних ущільнень і сальників. Принцип роботи безконтактних ущільнень заснований на підтримці постійного зазору між ущільнювальними поверхнями. Торцеві ущільнення замінили сальникові в середині минулого століття через свою надійність, та порівняну простоту в монтажі та обслуговуванні, на відміну від більш складних гідродинамічних ущільнень, і тому в більшості насосів та компресорів на сьогодні використовуються торцеві ущільнення.[1]

Найпростіша конструкція торцевого ущільнення (рис. 1) має нерухоме 2 та аксіально рухоме 3 ущільнювальні кільця із зносостійкого матеріалу, які закріплені в обоймах 1 та 5. Попередній контактний тиск між кільцями забезпечується силою стиснення пружини 6, а потім збільшується за рахунок сили тиску ущільнювальної рідини. Зазор між валом та аксіально рухомим кільцем 3 герметизується вторинним ущільненням 4; крутильний момент, необхідний для подолання тертя на контактних торцевих поверхнях, передається від вала на кільце, що обертається, через паводковий пристрій: штифт 7 та юбка кільця з поздовжнім пазом.[3]

Протікання може бути обумовлене недостатнім тиском в парі тертя, що буде меншим за тиск ущільнюваного середовища, таким чином ущільнюване середовище за рахунок надлишкового тиску розкриватиме пару контакту, і утворюватиме протікання середовища в ущільненні. Протікання можуть виникати не лише через пару контакту торцевого ущільнення, а й через зазор між кільцем 2, та валом 5. З підвищенням контактного тиску герметичність

Рисунок 1.1 – Конструкція торцевого ущільнення

 

ущільнення підвищується, але в такому разі напруження в контактній парі зростають, і підвищуються втрати потужності на тертя, в результаті посилюються температури роботи і температурні деформації, підвищується зношування робочих поверхонь і ймовірність швидшого виходу з робочого стану.[2]

Основними перевагами торцевих ущільнень є висока герметичність та довгий ресурс роботи. Довговічність забезпечується авторегулюванням герметичності ущільнення за рахунок пружних елементів 3, що переміщають аксіально рухоме кільце 2 в осьовому напряму, компенсуючи знос поверхонь. До недоліків ущільнення можна віднести неможливість спрогнозування ресурсу роботи ущільнення, та можливість раптової відмови.[1] В останній час область застосування торцевих ущільнень значно розширилася, тому необхідно застосовувати відповідні конструктивні заходи щодо поліпшення їх якості роботи. Одним із способів збільшення ресурсу є робота ущільнення в режимі рідинного тертя. Тому торцеві ущільнення діляться на два типи: гідро/газо статичні і гідро/газо динамічні. [2]

Розглянемо принцип роботи перерахованих вище типів конструкцій торцевих ущільнень.

У гідростатичних режим рідинного тертя забезпечується за рахунок подачі в торцеву щілину середовища під тиском від зовнішнього джерела або з ущільнюваної порожнини. Через це ущільнення такого типу працюють з постійним гарантованим торцевих зазором не тільки в умовах сталого режиму роботи, а й в момент пуску і зупинки з величиною зазору більше 5 мкм, що характеризується постійним обмеженим витоком. Робота ущільнення в безконтактному режимі збільшує ресурс роботи ущільнення, так як воно працює майже без зносу. При подачі тиску в торцеву щілину від зовнішнього джерела необхідна установка спеціального регулятора перепаду тиску, так як зміна ущільнюваного тиску під час роботи тягне за собою і зміну тиску, що подається від зовнішнього джерела. В ущільненнях такого типу торцевий зазор не залежить від частоти обертання ротора, що є одним з недоліків гідростатичних торцевих ущільнень.[2]

Основною відмінністю гідростатичного від механічного торцевих ущільнень полягає в тому, що в гідростатичних торцевих ущільненнях через канали в нерухомому кільці подається ущільнювана рідина в кармани, з яких подається в зазор між кільцями в період роботи, а на режимі стоянки рідина не подається, кільця щільно прилягають одне до одного за рахунок піджаття пружнім елементом.

Термодинамічні та газодинамічні торцеві ущільнення відрізняються тільки розміром ущільнювального паска. Ущільнення цих типів застосовуються при високому тиску ущільнюваного середовища і швидкостях ковзання. В цих ущільненнях поділ поверхонь пари тертя здійснюється силами, що виникають в результаті нагнітання рідини в частину зазору що звужується через розташовані на ущільнюючих поверхнях канавки під дією сил тертя. Розкриває сила може виникати і в традиційній конструкції торцевого механічного ущільнення через шорсткості або хвилястості пари тертя. Такі ущільнення мають прекрасну герметичність, а отже підвищують надійність і безпеку компресорів та насосів в цілому. Як показують теоретичні та експериментальні дослідження в гідро/газо динамічних торцевих ущільненнях величина торцевого зазору становить 3 – 5 мкм. При обертанні валу рідина нагнітається канавками спеціальної геометрії в пару тертя, в результаті чого тиск в несучій частині підвищується, і відбувається розкриття пари стику. При відсутності обертання кілець ущільнення знаходиться в повному контакті, тим самим виключаючи протікання.[2]

Найбільш широке використання отримали конструкції гідродинамічних торцевих ущільнень зі спіральними канавками (рисунок 1.2), плоскою ступеню Релея (рисунок 1.3), та канавками реверсивного типу (1.4).

 

Рисунок 1.2 – Кільце пари тертя нереверсивного типу зі спіральними канавками

 

Гідродинамічне торцеве ущільнення зі спіральними канавками в деяких випадках застосовується як затворне ущільнення з використанням буферної рідини низького тиску. Буферна рідина нагнітається спіральними канавками, відкритими з боку низького тиску в порожнину високого тиску, перешкоджаючи тим самим протіканню.[2],[5] Застосування торцевих гідродинамічних ущільнень збільшує середній ресурс між плановим технічним обслуговуванням і ремонтом, знижує витрати на ремонт, так як відсутній контакт між кільцями ущільнення.

Рисунок 1.3 – Кільце пари тертя з плоскою ступеню Релея

 

Рисунок 1.4 – Кільце пари тертя реверсивного типу

 

Незважаючи на всі переваги, практично у всіх конструкціях торцевих ущільнень з гідродинамічною несучою здатністю збільшується зазор, а отже, і протікання. Тому останнім часом істотно зріс інтерес до конструкцій ущільнень із зворотним нагнітанням протікання рідини назад в ущільнюване середовище. [2]

У різних галузях промисловості використовуються відцентрові насоси та компресори, які перекачують токсичні, агресивні, вибухонебезпечні і пожеже небезпечні середовища, що володіють шкідливими властивостями. Протікання таких середовищ неможливі, так як вони призводять до забруднення навколишнього середовища і можуть завдати шкоди здоров'ю людини. У таких випадках використовують подвійні торцеві ущільнення з нейтральною замикаючою рідиною (рис. 1.5). Подвійне ущільнення складається з двох послідовно встановлених торцевих ущільнень, розділених порожниною, в яку подається запираюча рідина. Тиск підведення запираючої рідини має бути більше тиску ущільнюваного середовища на 0,1 – 0,2 МПа. Також подвійне торцеве ущільнення може застосовуватися, коли необхідне підведення охолоджуючої рідини при нагріванні ущільнення через сухе тертя при перекачуванні газу під великим тиском. [6]

 

Рисунок 1.5 – Подвійне торцеве ущільнення

 

При проектуванні торцевих ущільнень в якості критерію оптимальності доцільно брати показник довговічності, наприклад, середній ресурс, тобто математичне очікування напрацювання до настання граничного стану, коли подальша експлуатація стає технічно неможливою або недоцільною. Інші важливі вимоги - герметичність, безвідмовність, мінімум втрат потужності на тертя, допустимі габарити та вартість - потрібно розглядати як обмеження в задачі оптимізації.

Довговічність торцевих ущільнень визначається зносостійкістю матеріалів пар тертя, умовами експлуатації та контактним тиском, які, у свою чергу, залежать від ряду конструктивних та експлуатаційних чинників. До конструктивних чинників, окрім коефіцієнта навантаження та напряму радіальної течії, відносять геометричну форму радіального перетину ущільнювальних кілець, їх діаметр та спосіб кріплення. Основні експлуатаційні чинники: частота обертання ротора, фізичні властивості, тиск та температура ущільнювального середовища, зміст абразивних домішок у ній, величина та характер вібрацій ротора.[3]