Физические основы механических торцовых уплотнений

Принцип работы

В настоящее время механические торцовые уплотнения находят все более широкое применение благодаря таким важным качествам, как герметичность и долговечность. За рубежом сформировалась специализированная отрасль по производству механических торцовых уплотнений. Ведущие фирмы Ф. Бургман, Пасифик, Меркель (ФРГ), Флексибокс, Крейн Пекинг (Англия), Борг-Вонер, Гарлок, Локхид (США) и другие поставляют комплектные узлы уплотнений для широкого диапазона параметров и условий работы, гарантируя ресурс десятки тысяч часов.

Простейшее торцовое уплотнение (рис. 5.11) имеет неподвижное 2 и вращающееся аксиально подвижное 3 уплотнительные кольца из износостойкого материала, закрепленные в обоймах 1 и 5. Предварительное контактное давление между кольцами обеспечивается силой сжатия пружины 6, а затем увеличивается за счет силы давления уплотняемой жидкости. Зазор между валом и аксиально подвижным кольцом 3 герметизируется вторичным уплотнением 4; крутящий момент, необходимый для преодоления трения на торцовых контактных поверхностях, передается от вала на вращающееся кольцо через поводковое устройство: штифт 7 и юбка кольца с продольным пазом.


Рис. 5.11. Торцовое механическое уплотнение

Герметизация осуществляется за счет сжатия торцовых поверхностей неподвижного 2 и вращающегося 3 колец. С увеличением контактного давления герметичность повышается, однако при этом увеличиваются потери мощности на трение, в результате чего повышается износ трущихся поверхностей, их нагрев и температурные деформации. Таким образом, работоспособность уплотнения определяется прежде всего контактным давлением и физическими процессами на контактирующих и вращающихся относительно друг друга торцовых поверхностях.

На основании имеющихся экспериментальных данных работу уплотнения упрощенно можно представить следующим образом. Когда весь зазор заполнен жидкостью, существуют неизбежные утечки, которые отводят тепло от пары трения, и в нормальных условиях устанавливается тепловой баланс. При увеличении потерь мощности на трение (например, из-за роста окружной скорости) температура в слое растет и может наступить момент, когда жидкость в этом слое начнет кипеть. Как правило, это происходит в области, прилегающей к наружной камере с низким давлением, где температура максимальна, так как температура жидкости повышается по мере ее протекания в зазоре от области высокого к области низкого давления. Образуются жидкая и парообразная фазы, а граница раздела между ними может перемещаться по радиусу; область жидкой фазы уменьшается по мере увеличения потерь мощности на трение.

На поверхности раздела за счет энергии трения происходит интенсивное парообразование. Поэтому температура в зазоре стабилизируется, тем более, что образование пара уменьшает силу вязкого трения. При неблагоприятных условиях жидкая фаза может уменьшаться настолько, что слой жидкости в зазоре потеряет сплошность. Это ведет к резкому повышению температуры, и нормальная работа уплотнения нарушается.

Таким образом, если допускается видимая протечка, необходимо обеспечить хороший отвод тепла, чтобы предотвратить парообразование. Если же уплотнения должны работать без видимой протечки, необходимо стабилизировать положение границы раздела фаз. В этой связи при малых окружных скоростях и вязких жидкостях может оказаться полезным даже уменьшение теплоотвода. При больших же скоростях необходимо обеспечивать надежное охлаждение пар трения.

Сложностью процессов трения и изнашивания обусловлены основные трудности расчета механических торцовых уплотнений и прогнозирование их эксплуатационных характеристик. В этом случае практика значительно опережает теорию: острота проблемы герметизации роторов вынуждает зачастую на ощупь искать и находить правильные конструктивные и технологические решения для различных уплотняемых жидкостей, их давлений, окружных скоростей, температур, требований к надежности, долговечности и герметичности при экономически оправданной стоимости.