Бесконтактные уплотнения роторов | Насосы атомных электростанций

Бесконтактные уплотнения роторов

6.1. Конструкции и расчет гидростатических торцовых уплотнений с саморегулируемым зазором

Принцип работы и типовые конструкции

К уплотнениям с регулируемым зазором относятся гидростатические уплотнения, в которых аксиально подвижный элемент уравновешивается осевыми силами давления уплотняемой или запирающей жидкости. Основной особенностью таких уплотнений является то, что осредненное гидростатическое давление рs в торцовом зазоре связано с уплотняемым давлением р1 через зазор h. Если в механических торцовых уплотнениях рs = const (как правило, р3 ≈ 0) и Рс ~ P1, то в гидростатических рs ~  P1, Рс = const ≈ 0. За счет изменения рs осуществляется гидравлическое уравновешивание аксиально подвижного кольца в широком диапазоне уплотняемых давлений; при этом геометрические параметры можно подобрать так, чтобы отклонения торцового зазора от оптимального (сточки зрения герметичности и изнашивания) значения не выходили за допустимые пределы. Таким образом, можно обеспечить гарантированный зазор 2—8 мкм,
достаточный для разделения уплотняющих поверхностей устойчивым жидкостным слоем.

Давление в торцовом зазоре можно изменять [1] подводом в зазор запирающей жидкости (рис. 6.1) под регулируемым давлением ре. Необходимое превышение давления ре над давлением уплотняемой жидкости р1 поддерживается специальным регулятором.


Рис. 6.1. Гидростатическое уплотнение с внешним подводом регулирующего давления с невращающимся (а) и вращающимся (б) аксиально подвижным кольцом:
1 — опорное кольцо; 2 — аксиальное подвижное кольцо

Более просты и надежны конструкции (рис. 6.2), в которых роль регулятора давления в зазоре выполняет само уплотнение 12]. Принцип работы понятен из эпюр давлений, действующих на торцовые поверхности аксиально подвижных колец. В конструкциях а и г при увеличении уплотняемого давления р1 уменьшается торцовый зазор и эпюра становится более полной (увеличивается р2 и среднее давление ps); благодаря этому увеличивается гидростатическая сила F„ и при несколько уменьшенном зазоре достигается равновесие между прижимающей силой F и уравновешивающей силой Fs. В конструкциях бив при уменьшении торцового зазора уравновешивающая сила Fs в зазоре уменьшается; однако еще более интенсивно уменьшается прижимающая сила F из-за уменьшения давления р3, действующего на тыльные площадки S3 аксиально подвижного кольца.


Рис. 6.2. Конструкции торцовых уплотнений с саморегулируемым зазором и эпюры осевого давления на аксиально подвижные кольца (пунктиром показаны эпюры при увеличенных зазорах)

Таким образом, при некотором зазоре, зависящем от давления уплотняемой жидкости и геометрических параметров уплотнения, осевые силы, действующие на аксиально подвижное кольцо, взаимно уравновешиваются и уплотнение работает при установившемся зазоре в режиме жидкостного трения.

В рассмотренных конструкциях торцовый зазор и протечки не зависят от частоты вращения ротора, если не учитывать малое влияние инерции жидкости в торцовом зазоре. Поэтому и при остановленном насосе, если в уплотняемой камере сохраняется давление (например, в насосах, находящихся в горячем резерве), торцовый зазор и протечки отличны от нуля.

Для полной герметизации в этом случае требуются дополнительные стояночные уплотнения.

Независимость зазора и протечек от частоты вращения отрицательно влияет на работоспособность уплотнений при переменных режимах: с ростом частоты вращения ротора увеличивается тепловыделение в торцовом зазоре при почти неизменном теплоотводе, что приводит к повышению температуры и температурных деформаций уплотнительных колец.

В некоторых    конструкциях (рис. 6.2, виг) для повышения гидростатической жесткости уплотнения используют капиллярные дроссели, требующие тщательной калибровки [1]. В то же время в процессе эксплуатации дроссели подвержены эрозионному износу и засорению, в результате чего может быть нарушена нормальная работа уплотнения.

Указанных недостатков лишены гибридные уплотнения, в которых наряду с силами гидростатического давления используются гидродинамические эффекты, создаваемые специально профилированными контактными торцовыми поверхностями (рис. 6.3) с микроклиньями, скрытыми ступнями Рэлея, спиральными канавками и т.д. Такие уплотнения обладают большей жесткостью, т. е. торцовый зазор при изменении уплотняемого давления изменяется меньше. С ростом частоты вращения торцовый зазор и протечки увеличиваются, что благоприятно сказывается на тепловом состоянии уплотнений. К гибридным уплотнениям, работающим в режиме граничного или полужидкостного трения, можно отнести также рассмотренные в предыдущей главе термогидродинамические торцовые уплотнения.


Рис. 6.3. Гибридные торцовые уплотнения с клиновыми участками на торцовой поверхности (а), со ступенями Рэлея (б) и со спиральными канавками (в)

Недостатком таких конструкций является сложность профилирования с необходимой точностью контактных поверхностей уплотнительных колец, изготовляемых из высокотвердых износостойких материалов.