Файл: Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов.pdf

Таким образом в уплотнении непосредственному воздействию среды подвержены лишь детали из неметаллических мате­ риалов.

Уплотнения для сред с большим содержанием твердых при­ месей (грунтовые, песковые, песково-химические, фекальные, бу­ мажные и т. п. среды).

Упоминавшиеся ранее среды содержат небольшие количества нерастворимых примесей (песок, окислы, кристаллы), и их содер­ жание не влияет существенно на условия работы уплотнений.

Среды с большим содержанием твердых взвешенных частиц вызы­ вают сильный эрозионный износ деталей уплотнения и в первую очередь пары трения.

С другой стороны, волокнистые примеси (бумажная масса, синтетические волокна, фекальная масса) и налипающие на твер­ дые поверхности примеси (кристаллы, катализаторы процессов, продукты полимеризации) часто не имеют большой абразивности, но забивают внутренние полости уплотнений, лишая подвижности их детали (кольца, пружины), что приводит к прорыву среды через уплотнение.

Таким образом, необходимыми условиями работоспособности уплотнений являются: использование для пар трения особо твер­ дых износостойких материалов (силицированный графит, твердые металлокерамические сплавы), защита пар трения от попадания в их зазоры твердых частиц, защита механизмов уплотнений от забивания твердыми частицами. Для решения этих задач приме­ няют одинарные и двойные торцовые уплотнения со средствами

ссс,-

Э н з е м п л я р

U u r . п . __ 1

Одинарное торцовое уплотнение для абразивных сред с непо­ движным резиновым сильфоном, разработанное во ВНИИГидромаше, показано на рис. 12.

Уплотнение предназначено для валов насосов, перекачиваю­ щих жидкости с содержанием твердой взвеси до 60% по весу. Допускаемое давление среды перед уплотнением до 2 кгс/см2, температура — до 100° С.

Уплотнения устанавливают на валы диаметром до 120 мм, вращающиеся со скоростью до 3000 об/мин (pV < 20 кгс/см2-м/с).

Уплотнение с неподвижным упругим элементом в виде пружин и резинового сильфона. Сильфон 1 герметично защищает пру­ жины 2, поводки 3 и другие детали механизма уплотнения от воздействия среды.

Внутреннее пространство неподвижной части уплотнения за­ полнено консистентной смазкой. Для лучшего сопротивления действию давления сильфон опирается на подкладные металли­ ческие детали.

На рис. 13 показано двойное торцовое уплотнение для фекаль­ ных жидкостей. Узел уплотнения состоит из двух уплотнений, расположенных одно за другим (тандем). Переднее уплотнение размещено непосредственно на втулке рабочего колеса насоса, чтобы максимально сократить консоль вала и тем самым повысить его жесткость и уменьшить вибрацию.

Пружина 1 отделена от среды уплотнительным резиновым кольцом 2. Другое резиновое кольцо 3 служит для стабилизации трения в паре. Второе уплотнение расположено вне воздействия среды в масляной ванне.

18

СПЕЦИАЛЬНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

К этим уплотнениям относятся прежде всего уплотнения валов главных циркуляционных насосов АЭС.

Условия работы уплотнений характеризуются особо высоким давлением воды, поэтому они могут быть названы уплотнениями

высокого давления.

Так, несколько лет назад давление в контуре циркуляционного насоса, приблизительно равное давлению в уплотнении, состав­ ляло —100 кгс/см2. В настоящее время оно достигает —150 кгс/см2, а в ближайшем будущем составит —200 кгс/см2. Одновременно растут и скорости скольжения в парах трения уплотнений, что связано с ростом мощности насосов и диаметров их валов (от 100 до 200 мм и в будущем до 300 мм). Эти скорости в настоящее время составляют ~20 м/с. Таким образом, по параметрам р, V и pV уплотнения данного типа относятся к группе IV.

Одной из первых конструкций уплотнений для циркуляцион­

Уплотнение такого типа, разработанное во ВНИИГидромаше, показано на рис. 14. Оно отличается большой износостойкостью и надежностью в работе.

Как показали испытания, уплотнения такой конструкции работали с небольшой утечкой практически без износа пары тре­ ния при давлении воды 100 кгс/см2, температуре до 50° С и частоте вращения вала 3000 об/мин. Овальная форма поверхности трения обеспечивала смазку, охлаждение и условия трения, близкие к жидкостному трению. Вращающееся 1 и неподвижное 2 кольца пары трения изготовляли из силицированного графита.

На рис. 15 показано уплотнение крупного циркуляционного насоса АЭС [60]. Уплотнение состоит из трех одинаковых ступеней с парами трения гидродинамического типа.

Уплотнение предназначено для насосов, перекачивающих воду с давлением до 150 кгс/см2 и температурой до 60° С. Его устанавливают на валы насосов диаметром до 200 мм, вращаю­ щиеся со скоростью 1500 об/мин. В уплотнение через отверстие 1 подается затворная вода с давлением, несколько большим давле­ ния радиоактивной воды в контуре насоса. При нормальной работе уплотнения каждая ступень воспринимает около одной трети полного перепада давления. Давление между ступенями уплот­ нения распределяется при помощи капиллярных трубок 2 с расходом жидкости —200 л/ч, что в 100—200 раз больше

Пары трения уплотнения состоят из углеграфитового вращаю­ щегося кольца 3 и неподвижного кольца 4, изготовленного из

Рис. 14. Уплотнение с овальной поверхностью трения (конструкция ВНИИГидромаша)

насоса АЭС [60]

карбида вольфрама, спеченного никелем. На неподвижных коль­ цах выполнены канавки, благодаря которым при трении в воде возникает режим трения, близкий к жидкостному.

На рис. 16 показан другой вариант уплотнения вала цирку­ ляционного насоса АЭС, применяемого для тех же условий, что и уплотнение на рис. 15 [60]. Оно состоит из двух ступеней с гидро­ статическими парами трения и последней ступени — с гидроди­ намической парой.

Кроме того, имеется аварийное уплотнение 4. Два гидроста­ тических уплотнения воспринимают большую часть перепада

1000 л/ч.

Кольца гидростатических пар трения изготовляют из хромо­ никелевой стали с покрытием их уплотняющих поверхностей окисью алюминия или окисью хрома толщиной в несколько деся­ тых долей миллиметра [60].

Кроме уплотнений высокого давления, к специальным относят также уплотнения для высокой и низкой температуры. Характер­ ным для них является применение в качестве уплотнительного и упругого элементов металлических сильфонов, которые по сравнению с уплотнительными элементами из резины и фторо- пласта-4, сохраняют свои свойства при низких (—200° С) и высо­ ких (+450° С) температурах.

Как правило, такие уплотнения работают при сравнительно небольших давлениях и средних скоростях скольжения (груп­

пы I и II).

На рис. 17 показано уплотнение вала центробежного насоса, перекачивающего среду с высокой температурой (уплотнение разработано во ВНИИГидромаше).

21

Давление среды перед уплотнением не превышает 5 кгс/см2. Частота вращения вала насоса 1500 об/мин. Неподвижный упру­ гий элемент уплотнения состоит из металлического штампован­ ного сильфона 1 и пружины 2. Неподвижное кольцо 3 пары тре­ ния установлено в обойме свободно, чтобы исключить большие температурные деформации уплотнительных поверхностей.

На рис. 18 показано уплотнение фирмы Крейн Пекинг (Англия) для насосов, перекачивающих как высокотемпературные (до +650° С), так и низкотемпературные среды (до—210° С). К послед­ ним относятся различные сниженные газы (кислород, азот и др.).

Уплотнение имеет вращающийся упругий элемент — металли­ ческий сварной сильфон 1 с S-образными гофрами. Достаточно высокая упругость сильфона (благодаря форме и материалу) позволяет устанавливать его без пружины.

По сравнению с описанными выше, менее четко выраженную по конструктивным особенностям группу составляют уплотне­

нения газовых турбин, турбокомпрессоров, высокоскоростных генераторов. Уплотнения работают как на газообразных, так и на жидких средах. При этом давление перед уплотнением может быть достаточно высоким (группа III по р).

Таким образом, по параметру pV эти уплотнения относятся к группам III и IV. Для снижения интенсивности выделения тепла в таких уплотнениях их пары трения выполняются гидродинами­ ческого и гидростатического типов.

Уплотнения имеют компактную конструкцию с неподвижными упругими элементами, снабженными жесткими (часто пластин­ чатыми) пружинами и легкими неподвижными кольцами пар трения. Это исключает возможность резонанса и раскрытия стыка пары трения при высоких скоростях вращения валов.

На рис. 19 показано уплотнение высокоскоростного генера­ тора (фирма Бургман, ФРГ). Оно работает на масле, охлаждаю­ щем генератор, с давлением 17,5 кгс/см2, температурой до 125° С при частоте вращения вала до 11 500 об/мин.

Уплотнение имеет неподвижный упругий элемент и уплотни­ тельные резиновые кольца круглого сечения. Канавки на поверх­ ности трения пары (как и в уплотнении на рис. 15) обеспечивают лучшую смазку и охлаждение.

Гидростатическое уплотнение для высоких скоростей скольже­ ния, показанное на рис. 20 (фирма Рато, Франция), предназна­ чено для валов турбокомпрессоров при давлении газа до —300 кгс/см2. Его устанавливают на валы диаметром от 50 до 200 мм, вращающиеся с частотой до 16 000 об/мин. Пара трения уплотнения, состоящая из вращающегося кольца 1 и неподвиж­ ного 2 (см. рис. 20, а), выполнена с гидростатическим уравнове­ шиванием трущихся поверхностей. Это уравновешивание дости­ гается подачей насосом в зазор пары масла под давлением, не-

22