Конструкции уплотнений с плавающими кольцами

Плавающие уплотнения характеризуются сравнительно большими протечками, поэтому применять их приходится лишь там, где другие, более герметичные уплотнения (сальники, механические и гидростатические торцовые уплотнения) не могут обеспечить требуемую надежность. В частности, плавающие кольца используют в качестве внутренних уплотнений, доступ к которым для ревизии и ремонта затруднен, для герметизации криогенных жидкостей и жидкостей с высокой температурой, обладающих плохими смазывающими свойствами. В некоторых случаях уплотнения с полуподвижными кольцами являются наиболее доступным средством увеличения собственной частоты и уменьшения амплитуд вынужденных колебаний ротора.

При конструировании необходимо удовлетворять следующим основным требованиям:
1.            Выполнять условия самоцентровки при допустимом относительном эксцентриситете.

2.            Выполнять условие статической устойчивости относительно поворотов кольца вокруг его диаметра.

3.            Выполнять условия динамической устойчивости.

4.            Выполнять условие отсутствия динамических контактов кольца с валом.

5.            Выбирать геометрическую форму радиального сечения кольца, обеспечивающую достаточную жесткость относительно силовых и температурных деформаций.

6.            Подбирать конструкционные материалы, стойкие против задиров и эрозии.

Если проектируется уплотнение с полуподвижным кольцом, то вместо требования, указанного в первом пункте, следует добиваться минимально возможного превышения силы трения на торцовом стыке над максимальной центрирующей силой в кольцевом зазоре.

Рассмотрим существующие конструктивные решения, направленные на выполнение перечисленных требований. Для выполнения условия самоцентровки необходимо увеличивать центрирующую силу в кольцевом зазоре и уменьшать силу трения на торцовом стыке, т. е. уменьшать осевую
нагрузку кольца. Способы увеличения центрирующей силы (рис. 6.34) основываются на использовании гидростатических и гидродинамических эффектов в кольцевом дросселе. В первых четырех схемах уплотнений использован центрирующий эффект конфузорных каналов [9], обусловленный перестройкой эпюр давления по длине в различных радиальных сечениях при увеличении эксцентриситета (рис. 6.35, а, б). В последующих схемах (рис. 6.34, д, е) центрирующая сила увеличивается за счет повышения давления в камерах со стороны меньшего радиального зазора эксцентричной щели (рис. 6.35, в).

Гидродинамические (подшипниковые) эффекты в клиновых зазорах, образованных соответствующей расточкой кольца и самоустанавливающимися вкладышами, используются в последних вариантах (рис. 6.34, ж, з, и, к). На практике широко применяются различные комбинации гидростатического и гидродинамического способов центрирования плавающих колеи.


Рис. 6.34. Способы увеличения центрирующей силы

Рис. 6.35. Эпюры давления в уплотнениях с различной формой зазоров: а — конфузор; б — ступенька; в — внутренние камеры (К)

Способы уменьшения осевой нагруженности (рис. 6.36) основаны на уменьшении коэффициента нагрузки (а — в), а также на использовании гидростатических эффектов в торцовом зазоре [2, 27] (г, 5). Последний вариант (рис. 6.36, д) представляет собой уплотнение с саморегулируемыми торцовыми зазорами, работающее .по принципу гидростатических упорных подшипников с взаимно обратным торцовым дросселированием: если кольцо смещено влево, давление в камерах К повышается и зазор в основном торцовом стыке увеличивается, а в тыльном уменьшается. Процесс стабилизируется, когда давление р над кольцом и давление в камерах К принимают значения, при которых осевые силы давления, действующие на кольцо, оказываются уравновешенными.


Рис. 6.36. Способы уменьшения осевой нагрузки

Для одновременного увеличения центрирующей силы и осевой разгрузки кольца можно использовать [28, 29] импульсную подпитку гидростатических камер на цилиндрической и торцовой поверхностях кольца (рис. 6.37). Камеры на торцовой контактной поверхности не только разгружают стык, но и создают восстанавливающий момент, препятствующий перекосу кольца.


Рис. 6.37. Плавающее кольцо с импульсной подпиткой гидростатических камер

Повышению статической устойчивости относительно поворотов кольца способствуют осевое поджатие и радиальная упругая подвеска кольца (рис. 6.38, а, б). Радиальная подвеска может осуществляться разрезанными по образующей упругими гильзами, расположенными в продольных пазах на внешней поверхности кольца (рис. 6.38, в). В качестве упругого элемента можно использовать резиновое кольцо (рис. 6.38, г). Гидростатический восстанавливающий момент создается на тыльном (рис. 6.38, д) торцовом дросселе 1. Этот момент пропорционален перепаду давления ∆pт= р1—р. Для создания этого перепада необходимо пропускать часть уплотняемой жидкости через периферийную полость 2 и дополнительный дроссель 3, увеличивая тем самым суммарные протечки. Восстанавливающий момент γ5 пропорционален квадрату среднего радиуса и ширины торцового дросселя, так что эти параметры целесообразно увеличивать. Один из вариантов (рис. 6.38, е) механического способа стабилизации [30] содержит промежуточный поршень, возможность перекосов которого сведена к минимуму. Усилие упругих элементов 3 через поршень 1 и жесткие шарики или штифты 2 передается на кольцо, препятствуя раскрытию торцового стыка и в то же время не ограничивая радиальные перемещения кольца.


Рис. 6.38. Способы обеспечения статической устойчивости плавающих колец

Динамическая устойчивость плавающих колец обеспечивается главным образом путем увеличения радиальной (а5) и угловой (β50) гидростатической жесткости и коэффициентов демпфирования α20, β2. В уплотнениях рис. 6.36, б, в добавочное демпфирование возникает в дополнительных цилиндрических зазорах; в уплотнениях рис. 6.38, г, д демпфирующий эффект увеличивают резиновое кольцо и тыльный торцовый дроссель соответственно. Наиболее эффективным способом стабилизации радиальных колебаний являются самоустанавливающиеся вкладыши (рис. 6.34, э), которые обладают большой центрирующей способностью и демпфированием. Однако кольца с вкладышами требуют дополнительных мер, обеспечивающих угловую устойчивость. Примером может служить уплотнение, показанное на рис. 6.39 [31], в котором тыльная торцовая поверхность опирается на резиновое кольцо 2, создающее восстанавливающий момент. Особенность уплотнения в том, что вкладыши 3 располагаются на сепараторе 1, жестко связанном с корпусом. При этом сила трения между валом и вкладышами воспринимается сепаратором, а на плавающее кольцо 4 передается лишь радиальная центрирующая сила, поэтому не требуется дополнительного стопорения кольца в окружном направлении.


Рис. 6.39. Уплотнение с самоустанавливающимися колодками

Широкие возможности для оптимизации расходных и динамических характеристик связаны с применением деформируемых плавающих колец. Соответствующим подбором геометрии радиального сечения кольца (рис. 6.40) можно добиться, чтобы в результате деформаций под действием уплотняемого перепада давления дросселирующие зазоры приобретали такую форму, при которой увеличивается гидростатическая жесткость и в то же время уменьшается расход [32]. Такие кольца позволяют стабилизировать протечки за счет уменьшения приведенного зазора из-за деформаций, а также обеспечивают динамическую устойчивость в широком диапазоне перепадов давления уплотняемой жидкости. Для правильного выбора геометрической формы кольца необходимо решение задачи гидроупругости, так как равновесная форма дросселирующих зазоров деформированного кольца определяется формой эпюр давления, которые, в свою очередь, зависят от формы зазоров.


Рис. 6.40. Деформируемое плавающее кольцо

В качестве примера на рис. 6.41 показаны расходные характеристики деформируемых и жестких колец с одинаковыми длинами и исходными радиальными зазорами.


Рис. 6.41. Расходные характеристики деформируемых колец:
1 — жесткое кольцо; 2 — деформируемое кольцо

В насосах первого контура АЭС, в которых внешние неконтролируемые протечки теплоносителя не допускаются, применяются уплотнения с гидрозатвором (рис. 6.12). Наружные кольца 7 ограничивают внешние не-
контролируемые протечки запирающей воды, подводимой в камеру А\ внутренние кольца 5, 6 ограничивают протечки перекачиваемой воды в камеру гидропяты и далее в деаэратор. Особенностью таких уплотнений является то, что кольца работают в разных условиях как по температуре, так и по дросселируемому перепаду давления.

Если допускается попадание запирающей жидкости в перекачиваемую среду, то применяют уплотнения без смесительной камеры (рис. 6.42). Внешние протечки запирающей жидкости, подводимой под давлением, несколько превышающим давление в насосе, ограничиваются кольцом 1, протечки в полость насоса — внутренним кольцом 2, торцовый стык которого уплотняется резиновым кольцом 3, которое служит также для подавления угловых колебаний. Особенностью такого уплотнения является то [33], что самоустанавливающиеся вкладыши 4 одновременно обеспечивают центровку относительно вала как внешнего 1, так и внутреннего 2 кольца.


Рис. 6.42. Плавающее уплотнение с гидрозатвором без смесительной камеры

В уплотнениях с гидрозатвором давление запирающей жидкости на 0,1—0,2 МПа должно превышать давление в полости насоса. В результате на внутренних кольцах дросселируется малый перепад давления и при высокой частоте вращения вала они могут терять динамическую устойчивость, поэтому нужно принимать специальные меры для стабилизации этих колец. При отказе регулятора перепада давления знак перепада на внутренних кольцах может измениться. Для таких аварийных ситуаций необходимо, чтобы уплотнение хотя бы временно могло воспринимать обратный перепад давления. На внешних кольцах дросселируется полное давление запирающей жидкости, поэтому они оказываются сильно нагруженными и теряют радиальную подвижность. На рис. 6.9 показан узел комбинированного концевого уплотнения ротора ГЦН, в котором плавающие кольца 4 использованы в качестве внутреннего уплотнения, ограничивающего расход запирающей воды.

Выбор основных геометрических параметров уплотнений с плавающими кольцами зависит от условий их работы и от предъявляемых к ним требований. Ориентировочно радиальный зазор и длину цилиндрического дросселя принимают в пределах h0/r=  (1÷2)· 10-3, l/r = 0,2÷0,5, ширину торцового пояска lc = 2÷5 мм. Шероховатость торцовых уплотняющих поверхностей 0,08—0,63 мкм, а отклонение от плоскостности 0,3—0,6 мкм. Материалы кольца, защитной втулки вала и диафрагмы должны быть стойкими против эрозии и коррозии, обладать хорошими антифрикционными свойствами. Во избежание электромеханического износа материалы торцового стыка должны иметь близкие по значению относительные электродные потенциалы. При уплотнении горячих сред необходимо выбирать материалы с учетом их температурных коэффициентов линейного расширения.