Что такое щелевое уплотнение
Щелевые уплотнения
Особенности и области применения
Щелевые уплотнения (рис. 6.12) — наиболее простые и надежные уплотнения гидромашин. Их уплотняющий эффект основан на использовании гидравлического сопротивления кольцевых дросселей с малым (0,1—0,3 мм) радиальным зазором. Главным недостатком таких уплотнений являются сравнительно большие протечки уплотняемой жидкости, особенно при высоких давлениях.
Щелевые уплотнения используются главным образом в проточной части насоса для ограничения внутренних перетоков, в частности по входной воронке рабочего колеса, между ступенями многоступенчатых насосов, перед уравновешивающим диском гидропяты, т. е. там, где из-за затрудненного доступа для ремонта и обслуживания требуется повышенная надежность и допускаются протечки. До сих пор в некоторых насосах щелевые уплотнения по инерции используются и в качестве концевых для герметизации мест выхода вала из корпуса.
Основной особенностью щелевых уплотнений является то, что они представляют собой полноохватные гибридные малонагруженные подшипники и оказывают решающее влияние на вибрационное состояние ротора. Гидродинамические силы в полноохватных подшипниках определяются частотой вращения ротора и вызывают потерю его динамической устойчивости. Гидростатические силы существенно влияют на собственную частоту ротора и определяются осевым перепадом давления, поэтому они очень чувствительны к осевой форме зазора.
Расход через щелевое уплотнение в основном зависит от дросселируемого перепада давления и средней площади поперечного сечения щели. Влияние геометрической формы щели и частоты вращения ротора на расход сравнительно мало, поэтому расходные характеристики более стабильны. Основные трудности связаны с вычислением радиальных гидростатических и гидродинамических сил, определяющих вибрационное состояние ротора, а следовательно, и работоспособность всего насоса. Низкий уровень вибраций ротора, который можно обеспечить правильным выбором конструкций щелевых уплотнений, позволяет без увеличения опасности задиров уменьшать радиальные зазоры в уплотнениях и тем самым снижать протечки.
Таким образом, расходные и динамические характеристики щелевых уплотнений связаны с вибрационным состоянием ротора и уплотнения необходимо рассматривать вместе с ротором как единую замкнутую гидромеханическую систему (рис. 6.13). Такой подход особенно необходим для высокооборотных насосов, для которых уровень вибраций ротора является важнейшим параметром, определяющим их надежность, долговечность и экономичность.
Рис. 6.13. Структурная схема гидромеханической системы ротор — щелевые уплотнения
Щелевое уплотнение
Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в насосах, компрессорах и других агрегатах для уплотнения вращающихся валов. Щелевое уплотнение содержит уплотнительную втулку, в которой имеется кольцевая проточка, спрямляющие ребра, камеры и отверстия, размещенные по обеим сторонам уплотнения. Подвод рабочей жидкости в дросселирующую щель, охватывающую ступицу рабочего колеса, осуществляется из зоны высокого давления по отверстиям, каналам и отверстиям. Изобретение повышает надежность и снижает вибрацию за счет увеличения динамической устойчивости вала. 2 ил.
Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в насосах, компрессорах и других агрегатах для уплотнения вращающихся валов. Наиболее целесообразно использовать в качестве уплотнений многоступенчатых центробежных насосов.
Эта цель достигается тем, что рабочая среда подается из полости насоса, находящейся за последующей ступенью, через специально выполненные отверстия и каналы в ступице рабочего колеса, поступает во втулку, снабженную кольцевой проточкой, ребрами, раскручивающими поток, и отверстиями, и попадает в дросселирующую щель уплотнения.
Таким образом, новая совокупность признаков предлагаемого технического решения и новое свойство позволяют утверждать, что устройство отвечает признаку «существенные отличия».
На фиг.1 схематично представлена конструкция уплотнения.
Щелевое уплотнение содержит втулку 1, в которой имеется кольцевая проточка 2, спрямляющие ребра 3, камеры 4 и 5 и отверстия 6 и 7, размещенные по обеим сторонам уплотнения и служащие для подвода рабочей жидкости в дросселирующую щель 8, охватывающую ступицу рабочего колеса 9 с выполненными в ней входными и выходными отверстиями 10 и 11, каналами 12 для подвода жидкости к уплотнению.
Щелевое уплотнение работает следующим образом.
За рабочим колесом 9 последующей ступени насоса имеется повышенное давление относительно дросселирующей щели 8. Рабочая среда из области повышенного давления через входные отверстия 10 поступает по каналам 12 и отверстиям 11 в кольцевую проточку 2 и кольцевое пространство с ребрами 3, служащими для раскручивания потока. Это приводит к дополнительному повышению статического давления в дросселирующей щели. Далее, раскрученный поток с высоким давлением из расположенных по обеим сторонам камер 4 и 5 поступает в отверстия 6 и 7, которые выполняются радиальными или направленными в сторону, противоположную вращению. Это приводит к повышению статического давления в дросселирующей щели 8, размещенной между ступицей рабочего колеса 9 и уплотнительной втулкой 1.
Таким образом, предлагаемое щелевое уплотнение обеспечивает повышение надежности конструкции за счет увеличения динамической устойчивости вала, обусловленной подачей жидкости с повышенным давлением в рабочий зазор уплотнения.
Щелевое уплотнение многоступенчатого центробежного насоса, соединенное с областью высокого давления и содержащее втулку, в которой выполнены радиальные, или наклоненные в сторону, противоположную вращению отверстия, и охватывающую вал, отличающееся тем, что область высокого давления за центробежным колесом последующей ступени соединена каналами и радиальными отверстиями, выполненными в его ступице, а во втулке имеется кольцевая приемная камера, ребра и полости с отверстиями, связанными с дросселирующей щелью.
Уплотнение вала. Контактные и бесконтактные уплотнения
В современных машинах и оборудовании, совершающих механическую работу, связанную с вращением механизмов, необходимо обеспечение герметичности рабочей полости и проходящего через неё вращающегося вала. Для этого применяются различные по конструкции и характеристикам уплотнительные устройства. Эти уплотнения также могут служить для сохранения смазки и предотвращения возможного попадания инородных частиц извне, которые способны повредить оборудование и привести к преждевременному его отказу.
Условия применения уплотнений могут значительно отличаться друг от друга, поэтому конструкции этих герметизирующих узлов совершенствовались с целью соответствия определенным параметрам эксплуатации.
Если в некоторых случаях применения уплотнений допускается небольшая утечка, то для других вариантов это может быть не позволительно. По мере всё большего ужесточения параметров рабочей среды и требований, предъявляемых к надежности, сроку службы и герметичности оборудования с вращающимся валом, происходило усложнение конструкций уплотнений и их неизбежное удорожание. Уплотнения валов могут быть разделены на две группы: контактные и бесконтактные.
Контактные уплотнения
Манжетное (радиальное) уплотнение
Сальниковое уплотнение
Сальниковое уплотнение (сальник или сальниковая набивка) из-за специфичности конструкции, способа установки и принципа работы, не предназначено для обеспечения высокой степени герметичности. Сальниковая набивка устанавливается таким образом, чтобы минимальная утечка жидкости обеспечивала необходимую смазку и отвод тепла из зоны контакта. 
Уплотнение этого типа применялось в устаревших насосах, требует периодического обслуживания. В последние десятилетия сальник неизбежно уступает свои позиции торцевому уплотнению.
Торцевое (механическое) уплотнение
Торцевое (механическое) уплотнение является прецизионным узлом, предотвращает утечку и применяется для условий, в которых недопустимо использование манжетных и сальниковых уплотнительных устройств. Эти уплотнения, как правило, имеют продолжительный срок службы практически без износа поверхности вала и не нуждаются в периодическом обслуживании.
Бесконтактные (динамические) уплотнения
Щелевое уплотнение
Простое щелевое уплотнение представляет собой втулку, закрепленную в корпусе, через которую проходит вращающийся вал, между валом и втулкой имеется малый радиальный зазор. В зависимости от формы уплотнительной поверхности различают торцевые и радиальные (осевые) щели. Величина утечки зависит от физических параметров рабочей среды, пропорциональна перепаду давления, длине канала и уплотняемому периметру, и имеет кубическую зависимость от высоты радиального зазора.
Щелевое уплотнение с плавающей втулкой может отслеживать вращение вала и имеет меньший радиальный зазор, чем уплотнение с фиксированной втулкой. Гидравлически разгруженное щелевое уплотнение исключает или уменьшает усилие упругого элемента (пружины) и сохраняет преимущества уплотнения с плавающей втулкой. Щелевые уплотнения с гладкими поверхностями могут работать при перепадах давлений до 100 МПа и предельно высоких скоростях скольжения. Для повышения гидравлического сопротивления щелевого уплотнения на его уплотнительных поверхностях выполняют кольцевые канавки разнообразных форм. В современных насосах с картриджными торцевыми уплотнениями в качестве вспомогательного герметизирующего узла достаточно часто применяются простые щелевые уплотнения вала.
Лабиринтное уплотнение
Лабиринтное уплотнение представляет собой щелевое уплотнение, содержащее специальные канавки, которые резко изменяют проходное сечение канала. Этот тип уплотнения эффективен при высоких числах Рейнольдса (Re >> 500), когда потери давления превышают потери на трение в щелях, не требует смазки или периодического обслуживания. В случае возникновения износа или повреждения уплотнительного устройства величина утечки возрастает. Лабиринтные уплотнения широко применяются в осевых и центробежных компрессорах, турбодетандорах, паровых турбинах и других турбомашинах.
Винтовое уплотнение
Бесконтактное винтовое уплотнение имеет специальные пазы или винтовую резьбу, выполненные на поверхности вала и(или) в корпусе. Вязкость жидкости в зазоре между валом и корпусом обеспечивает уплотняющий эффект при одностороннем вращении вала. Конструкция уплотнения с винтовой многозаходной резьбой как на валу, так и противоположная по направлению вращения на втулке корпуса, демонстрирует большую эффективность при высоких скоростях вращения вала. Уплотнительное устройство такого типа способно эффективно работать не ниже определенной минимальной окружной скорости, при её понижении должны применяться дополнительные вторичные контактные уплотнения. Уплотнения такой конструкции находят применение в специальных насосах и другом оборудовании, работающих в особых условиях эксплуатации.
Магнитожидкостное уплотнение
Магнитножидкостное уплотнение использует коллоидную суспензию магнитных частиц (например, окиси железа), расположенную между вращающимся валом и корпусом, удерживаемую магнитным полем постоянных магнитов, для создания уплотнительного эффекта по принципу гидравлического затвора. Конструкция такого узла обладает незначительным износом (трением), малочувствительна к осевому перемещению вала. Магнитожидкостные уплотнения можно использовать на скоростях до 120000 оборотов в минуту, при температурах до +200 градусов Цельсия, и давлениях до 0,4 бар на ступень, в основном для газов и защиты от попадания твердых частиц пыли и влаги.
Уплотнения для насосов:
манжетные, щелевые, динамические и с «плавающими» кольцами
Уплотнения с «плавающими» кольцами
Эти уплотнения применяются при окружных скоростях до 40 м/сек, однако эти скорости не являются предельными. Высокие температуры и давления не ограничивают применения этих уплотнений. Утечки в этом уплотнении больше, чем в торцевом уплотнении, но меньше, чем в щелевом или набивочном уплотнении.
Так же как и в щелевых уплотнениях, в них практически отсутствует механическое трение. Для уменьшения износа торцевых поверхностей в некоторых типах насосов, например в ГЦН, применяют подвод к ним очищенной воды. Материалы для плавающих колец должны быть эрозионно-стойкими, обладать антифрикционными свойствами. В настоящее время нет надежных методов расчета плавающих уплотнений, поэтому применение такого уплотнения требует опытной проверки.
Манжетные уплотнения
Манжеты изготовляют двух типов: однокромочные и двух-кромочные с пыльником. Стандарт предусматривает диаметры валов от 10 до 130 мм, кроме того, в специальных случаях от 6-9 мм до 140-500 мм. Ресурс манжетного уплотнения должен быть 5000 ч.
Сопряженные с манжетой поверхности должны иметь шероховатость для поверхности вала 0,63 мкм или 0,32 мкм, для отверстия 2,5 мкм; твердость поверхности трения HRC для стального вала не менее 30. В насосах манжетные уплотнения применяют чаще всего в сочетании с уплотнениями других типов.
Щелевые лабиринтные уплотнения
Принцип работы уплотнений этого типа заключается в дросселировании давления в цилиндрических щелях. Щелевые лабиринтные уплотнения могут быть использованы практически при любых рабочих давлениях, окружных скоростях и температурах перекачиваемой жидкости. Этo обеспечивается за счет выполнения уплотнения в виде совокупности элементарных щелевых уплотнений, разделенных гидравлическими затворами и разгрузочными камерами, поддерживающими такие перепады давлений и температур в элементах уплотнений, при которых обеспечиваются заданное значение утечек и высокая долговечность уплотнения (25 000 ч и более).
Несмотря на то, что работа этих уплотнений сопровождается относительно большими потерями энергии (протечки достигают 4-5 %, а иногда 10 % от подачи), они находят широкое распространение в насосах. Радиальный зазор в щелевых уплотнениях в насосах ЭС обычно принимается равным 0,3-0,35 мм. При таком значении зазоров уплотнения чувствительны к попаданию в дроссельную щель твердых частиц, поэтому на подводах в гидрозатворы уплотнений устанавливаются фильтры (обычно сдвоенные) с ячейками сетки 0,1-0,2 мм.
Для обеспечения минимальных перетечек в уплотнениях стремятся свести к минимуму перепады давлений между подводимой в гидравлический затвор холодной и «запираемой» горячей водой. Для этого устанавливают специальные регуляторы перепада давлений, поддерживающие перепады 0,05- 0,15 МПа и менее. Иногда регулирование протечек осуществляется по импульсу от температуры слива воды из уплотнений. Применяя в современных насосах щелевые уплотнения, для исключения заклинивания ротора необходимо не допускать касания поверхностей уплотнения (это обеспечивается тщательной центровкой насосов и правильным режимом пуска).
Динамические уплотнения
Уплотнения этого типа по принципу действия отличаются от ранее рассмотренных типов уплотнений. В это уплотнение встроен элемент, представляющий собой насос, создающий противодавление, не позволяющее перекачиваемой жидкости вытекать через зазор концевого уплотнения вала. Применяя это уплотнение, можно обеспечить полную герметичность насоса.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Щелевое уплотнение
Щелевое уплотнение для герметизации вращательного движения ( рис. 9.14) представляет цилиндрическую щель с канавками различной формы. Истечение жидкости на большой скорости вызывает вихреобразование в канавках, что обеспечивает гидравлическое сопротивление. При истечении газов через камеры и сужения с резко меняющимися проходными сечениями происходит многократное дросселирование. Щелевые уплотнения имеют широкое применение в компрессорах, турбодетанде-рах, турбинах. При ламинарном течении применение щелевых уплотнений малоэффективно. [2]
Щелевые уплотнения применяют в основном при работе с вязкими жидкостями. Они предстваляют собой плавающие втулки или кольца с малым зазором между уплотняемыми поверхностями. [3]
Щелевые уплотнения предназначены для ограничения перетоков жидкости или газа внутри машины из области высокого давления в область низкого давления через подвижные и неподвижные соединения. Увеличенные перетоки снижают производительность гидравлических машин, ухудшают объемный и общий коэффициенты полезного действия. [5]
Щелевые уплотнения объединяют несколько типов бесконтактных уплотнительных устройств. Щели являются основным элементом этих устройств, а также различных разгрузочных, уравновешивающих и опорных узлов. [6]
Щелевые уплотнения не обеспечивают полной герметизации, их целесообразно сочетать с другими уплотнениями. [7]
Щелевые уплотнения применяют в основном при работе с вязкими жидкостями. Уплотнения в виде плавающей втулки используют при малом биении и небольшом перекосе вала относительно корпуса. Уплотнение с несколькими плавающими кольцами применяют при значительных перекосах вала и высоком перепаде давлений. [8]
Щелевые уплотнения / ( см. рис. 14.7, 16.21 и 16.23) применяют для подшипниковых узлов, работающих в чистой среде при окружной скорости вала до 5 м / с и при пластичном смазочном материале. Зазор щелевых уплотнений заполняют также пластичным материалом, который защищает подшипник от пыли и влаги. [9]
Щелевые уплотнения ( рис. VI.6, а) конструктивно просты и являются наиболее распространенными. Состоят они из концентрично расположенных вращающихся колец / и неподвижных 3 и выполняются либо с гладкими стенками, либо с расположенными одна против другой внутри щели канавками. В них поток, многократно расширяясь, теряет скорость и кинетическую энергию, а поступая из расширений в щели, теряет энергию на увеличение скорости. В результате этого увеличивается общий коэффициент сопротивления щели. Заготовки колец состоят из секторов, которые сваривают по стыкам и механически обрабатывают. Неподвижные кольца крепят болтами 2 и штифтами 4, иногда приваривают к основным деталям: вращающиеся кольца также крепят к ступице и ободу или их части устанавливают в выточках и сваривают по стыкам непосредственно на рабочем колесе. Центрирование наружных колец по вращающимся производится путем перемещения их в пределах зазоров, предусмотренных в отверстиях для болтов, после чего кольца фиксируют штифтами. [13]
Щелевые уплотнения выполняют преимущественно в виде кольцевых щелей с проточками или без проточек ( рис. 263, д и е) щели заполняют консистентной смазкой. [14]