Рекомендации по конструированию
Охлаждение уплотнений
Важнейшим показателем, ограничивающим ресурс уплотнения, являются потери мощности на трение, которые приводят к повышению температуры в торцовом зазоре, разрушению смазочной пленки, температурным деформациям и в результате к интенсивному износу контактных поверхностей. Поэтому при проектировании уплотнений необходимо принимать все доступные меры к уменьшению потерь мощности на трение, прежде всего за счет гидравлической разгрузки (коэффициент нагрузки k = 0,55÷0,85) и выбора антифрикционных материалов для пары трения. Если эти меры оказываются недостаточными для обеспечения удовлетворительного теплового состояния, необходимо увеличивать теплоотвод. Для уплотнений на высокие параметры (p1v > 100 МПа м/с) нужно создавать условия жидкостной или полужидкостной смазки за счет гидро- и термогидродинамических эффектов или переходить к гидростатическим уплотнениям.
Увеличение теплоотвода достигается с помощью специальных систем охлаждения (рис. 5.25). В системе I отвод тепла из камеры увеличивается за счет циркуляции уплотняемой жидкости под действием давления, развиваемого самим насосом. Такая система эффективна, если насос перекачивает холодную воду. Для насосов, работающих на горячей воде, система охлаждения дополняется выносным теплообменником, который требует дополнительного источника холодной воды.
Рис. 5.25. Системы охлаждения торцовых уплотнений
Системы с внутренним холодильником для охлаждения пары трения (II) могут работать за счет циркуляции перекачиваемой жидкости аналогично системе I, если насос работает на холодной воде. В противном случае требуется дополнительная внешняя система прокачки холодной воды. На горячих насосах встроенные холодильники используются в качестве термобарьеров (III) для охлаждения уплотняемой жидкости в камере уплотнения. Чтобы повысить эффективность встроенных холодильников, им придают геометрические формы с развитыми поверхностями теплоотдачи.
Широкое распространение получили системы охлаждения с выносным теплообменником и встроенным лабиринтно-винтовым насосом (рис. 5.26), развивающим давление, достаточное для обеспечения требуемого расхода уплотняемой жидкости через холодильник. Как правило [11], принудительная циркуляция от встроенного насоса дополняется термосифонной системой, представляющей собой поднятый на высоту не менее двух метров теплообменник, естественная циркуляция в котором происходит благодаря различной плотности горячей воды на входе и охлажденной на выходе.
Рис. 5.26. Система охлаждения с выносным теплообменником и встроенным лабиринтно-винтовым насосом
Рис. 5.27. Системы охлаждения с гидрозатвором с одинарным (а) и с двойным (б) торцовым уплотнением
Наиболее эффективным способом охлаждения (рис. 5.27, а, б) является подвод в камеру уплотнения холодной запирающей воды под давлением, несколько превышающим давление уплотняемой жидкости (гидрозатвор). Чаще всего системы запирания сочетаются с двойными торцовыми уплотнениями (рис. 5.27, б); при этом внутреннее ограничивает переток запирающей жидкости в полость насоса под действием небольшого перепада давления, а внешнее уплотняет выход запирающей жидкости наружу из насоса и воспринимает полное давление гидрозатвора. Такие системы охлаждения полностью исключают внешние утечки перекачиваемой насосом жидкости, поэтому применяются во всех насосах первого контура. Системы с гидрозатвором, кроме теплообменников и фильтров, требуют дополнительного насоса высокого давления и автоматических регуляторов перепада давления запирающей и уплотняемой жидкостей. Необходимое давление в контуре циркуляции запирающей воды можно поддерживать газовой подушкой, образуемой при подключении к теплообменнику через редукционный клапан баллона с жидким азотом. При этом неизбежные потери запирающей воды необходимо периодически восполнять подпиточным насосом.