Торцовые уплотнения

Торцовым уплотнением называют герметизирующее устройство машины (насоса, компрессора, мешалки, центрифуги и др.) между ее корпусом и валом для разделения полостей высокого и низкого давлений, выполненное в виде пары трения торцовых поверхностей двух деталей, одна из которых закреплена на валу, а вторая – в корпусе машины.

Торцовое уплотнение является представителем устройств с парой трения, к которым принадлежат также и упорные подшипники скольжения, для функционирования которых необходим подвод смазки в пространство между трущимися поверхностями. Отличие торцовых уплотнений от упорных подшипников по характеру работы состоит в том, что трущаяся часть торцовых уплотнений должноа работать в условиях не всегда постоянного перепада давления и минимального расхода смазывающей среды, а упорные подшипники должны работать в условиях расчетного оптимального перепада давления и расходом смазывающей среды, обеспечивающих достаточный теплосъем от пары трения.

В качестве смазки в торцовых уплотнениях в подавляющем большинстве случаев используется уплотняемая среда.

Торцовые уплотнения относятся к контактным типам уплотнений. Характер трений может находиться в диапазоне от контактного трения, связанного с непосредственным взаимодействием поверхностей уплотняющей пары колец, до трения гидродинамического, связанного с течением уплотняемой среды в узкой щели между торцовыми поверхностями. Наименее напряженным для торцовых уплотнений является период работы, при котором контакт торцовых уплотняющих поверхностей пары колец осуществляется в условиях не вращающегося вала, а также на начальном этапе вращения вала. В процессе выхода на режимную работу и при работе на штатном режиме процессы трения между уплотняющими поверхностями колец обусловлены значительными тепловыделениями и нагрузками от давления уплотняемой среды.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В общем случае торцовое уплотнение содержит два кольца:

• Не вращающееся кольцо, расположенное в корпусе;
• вращающееся кольцо, расположенное на валу машины (рис.1).

Одно из этих колец должно иметь возможность аксиального перемещения, для чего в конструкции узла торцового уплотнения обязательно присутствует упругий поджимной элемент (пружина, сильфон, мембрана), составляющий вместе с нажимной втулкой и вращающимся уплотнительным кольцом аксиально-подвижный блок (или поджимной узел). Этот упругий элемент обеспечивает контакт торцовых поверхностей в сопряжении вращающегося и не вращающегося колец пары при отсутствии поджимающей силы от давления среды.

Кроме того, обязательными элементами узла торцового уплотнения являются вспомогательные (или вторичные) уплотнения между вращающимся блоком и ротором, между статорным блоком и корпусом, а также устройства фиксации уплотняющих колец (установочные винты, приводные штифты), служащие для привода вращающегося кольца и фиксации от углового смещения (проворота) относительно корпуса, не вращающегося кольца.

Выбор и применение торцовых уплотнений в изделиях диктуется экономическими соображениями. При этом принимаются во внимание следующие факторы:

• характеристики герметичности узла;
• ресурс надежной работы узла;
• габаритные размеры узла уплотнения;
• продажную стоимость узла уплотнения;
• расходы на эксплуатацию и обслуживание;
• наличие гарантийного и постгарантийного обслуживания узла уплотнения.

Качество функционирования торцового уплотнения обуславливает ряд факторов:

• параметры нагружения;
• конструктивное исполнение узла уплотненя;
• материалы трущейся пары;
• физико-химические характеристики уплотняемой среды;
• технологические факторы (точность изготовления, качество монтажа);
• динамические характеристики нагружения.

Детализация этих факторов и их связь с утечкой через уплотнение, надежностью, долговечностью узла уплотнения и т.д. зависят от следующих параметров и характеристик:

• нагружающего перепада давления;
• коэффициента нагрузки;
• окружной скорости вращения;
• Начальной формы контактных торцовых поверхностей пары колец;
• изменения в процессе работы параметров нагрузки узла уплотнения по давлению и температурным параметрам уплотняемой среды;
• сочетания материалов пары колец;
• теплофизических и смазывающих свойств уплотняемой среде;
• наличие абразивных включений в уплотняемой среде;
• химической стойкости материалов узла уплотнений в условиях омываемой их среды;
• частоты пусков и остановок узла уплотнения при эксплуатации;
• условий пуска;
• качества монтажа;
• температурного режима работы узла;
• внешних динамических воздействий на узел при работе.

Для удовлетворения нужд потребителей производители разрабатывают и выпускают большое число типов уплотнений, значительно различающихся как по внешнему исполнению, так и по составу и выполнению входящих в них деталей.

Каждая из фирм производителей торцовых уплотнений предлагает потребителям проверенные на практике конструкции узлов уплотнений, ориентированные обычно на применение в насосах или мешалках, в виде ряда типоразмеров для различных условий работы по давлениям и свойствам уплотняемых сред.

Выбор той или иной конструкции торцового уплотнения для герметизации ротора, применительно к конкретному изделию, зависит от конструктивных особенностей этого изделия, условий эксплуатации, от параметров его нагружения (давления, частоты вращения ротора) и свойств уплотняемой среды. К ним относятся: агрегатное состояние, температура, вязкость, содержание взвешенных твердых частиц и солей, химическая агрессивность по отношению к конструкционным материалам, токсичность, воспламеняемость и т.д.

Способные выполнять самый широкий диапазон задаваемых условий эксплуатации узлов торцовых уплотнений выполняются из небольшого набора деталей с использованием типовых конструкционных решений, которые можно идентифицировать и ввести в рамки определенной классификации этого вида уплотнений.