Гидравлическое уплотнение вала

 

Использование: в области турбостроения и других областях техники для уплотнения вала, вращающегося с высокими скоростями. Сущность изобретения: в масляном уплотнении вала, проходящего через отверстие в стенке уплотняемой полости и установленного с зазорами, обеспечивающими возможность его вращения на плавающем опорном элементе, содержащем разрезное уплотнительное кольцо и дефлектор, в отверстии по толщине стенки уплотняемого объема выполнены два участка, причем участок, удаленный от уплотняемой полости, выполнен цилиндрическим с возможностью установки, по меньшей мере, одного уплотнительного кольца, а внутренний участок выполнен с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости. Между уплотнительным кольцом и плавающим опорным элементом размещена жестко связанная с валом втулка, ограничивающая одним торцом осевые перемещения уплотнительного кольца, второй ее торец выполнен дефлектором, выступающим за кромку отверстия вовнутрь уплотняемой полости, поверхность вращения втулки содержит участок с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости, сопрягаемой с внутренним участком отверстия в стенке с зазорами, обеспечивающими увеличение площади поперечного сечения канала между ними в направлении уплотняемой полости, и максимальный диаметр ее не превышает минимального диаметра этого отверстия. На поверхности вращения втулки прорезана, по меньшей мере, одна винтовая канавка, при этом средний угол наклона поверхности отверстия на внутреннем участке стенки и поверхности вращения втулки в местах увеличения поперечного сечения выбраны не менее угла возможного перекоса за счет зазоров в опорах и деформаций. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится прежде всего к области турбостроения и может быть использовано в других областях техники для уплотнения валов, вращающихся с высокими скоростями, в устройствах, где требуется разделение, например, масляной и воздушной полостей.

Примером могут служить турбокомпрессоры, для которых характерны число оборотов вала 50 250 тыс. об/мин и перепады давлений 0,2 1,0 МПа (2 - 10 кгс/см²), что требует эффективной смазки подшипниковых узлов и высокогерметичных уплотнений.

С целью снижения потерь на трение при максимальных оборотах вала более 100 150 тыс. об/мин в подшипниковых узлах используются плавающие опорные элементы, обеспечивающие снижение относительной скорости движения опорных поверхностей примерно в 2 раза, но увеличивающие зазоры в опорах и возможные эксцентриситеты вала в районе уплотнений тоже примерно в 2 раза, что существенно усложняет задачу обеспечения требуемого уровня герметичности и надежности используемых уплотнений.

Известно кольцевое уплотнение вала в отверстии уплотняемой полости. На валу размещена втулка, на поверхности вращения которой выполнена одна или несколько канавок с установленными в них разрезными уплотнительными кольцами. Достоинство уплотнения большие допускаемые эксцентриситеты вала [1] Недостатки сложность изготовления и контроля, относительно большие утечки, требующие установки 2 4 колец, наличие потерь на трение, снижающих общее КПД турбокомпрессора, износ уплотнения в процессе эксплуатации и рост утечек.

Известно также щелевое уплотнение, представляющее в простейшем случае зазор между отверстием и валом. Основные недостатки малые допускаемые эксцентриситеты вала и большие утечки. С целью снижения утечек уплотнение обычно используется в сочетании с резьбовыми канавками (резьбовое уплотнение) или с уступом. При этом считается нецелесообразным применение резьбового уплотнения в высокооборотных машинах ввиду ухудшения вибрационных характеристик вала [2] Известно уплотнение вала, проходящего через отверстие в стенке уплотняемой полости и установленного с возможностью вращения на плавающем опорном элементе, содержащее разрезное уплотнительное кольцо, размещенное в канавке, выполненной на валу в зоне отверстия в стенке, и дефлектор, расположенный на валу в зоне уплотняемой полости. После смазывания плавающих элементов и вала смазка поступает в уплотняемую полость, откуда дефлектором отводится в сливную магистраль. Уплотнительное кольцо препятствует смазке, текущей по дефлектору, выходить из уплотняемой полости наружу [3] Данное уплотнение выбрано в качестве прототипа.

Недостатками указанного уплотнения являются повышенный расход смазки через уплотнение при незначительных перепадах давления между уплотняемой полостью и наружной средой, а также при увеличении скорости вращения вала, и сложность обеспечения и контроля заданных параметров шероховатости и профиля поперечного сечения канавки под уплотнительное кольцо.

Несмотря на все многообразие, уплотнения остаются самыми ненадежными узлами роторных машин. От 40 до 80% отказов происходит по вине уплотнительных устройств. Это определяет актуальность задачи по созданию надежного, высокогерметичного уплотнения.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, повышение надежности и герметичности уплотнения вала, проходящего через отверстие в стенке и опирающегося на плавающий элемент.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном масляном уплотнении вала, проходящего через отверстие в стенке уплотняемой полости и установленного с зазорами, обеспечивающими возможность его вращения на плавающем опорном элементе, содержащем разрезное уплотнительное кольцо и дефлектор, в отверстии по толщине стенки уплотняемого объема выполнены два участка, причем участок, удаленный от уплотняемой полости, выполнен цилиндрическим с возможностью установки, по крайней мере, одного уплотнительного кольца, а внутренний участок выполнен с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости.

Между уплотнительным кольцом и плавающим опорным элементом размещена жестко связанная с валом втулка, ограничивающая одним торцем осевые перемещения уплотнительного кольца. Второй ее торец выполнен дефлектором, выступающим за кромку отверстия вовнутрь уплотняемой полости, поверхность вращения втулки содержит участок с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости, сопрягаемой с внутренним участком отверстия в стенке с зазорами, обеспечивающими увеличение площади поперечного сечения канала между ними в направлении уплотняемой полости, и максимальный диаметр ее превышает минимальный диаметр этого отверстия. На поверхности вращения втулки прорезана, по крайней мере, одна винтовая канавка, при этом средний угол наклона поверхности отверстия на внутреннем участке стенки и поверхности вращения втулки в местах увеличения поперечного сечения выбраны не менее угла возможного перекоса вала за счет зазоров в опорах и деформаций.

Поверхность внутреннего участка отверстия в стенке и соответствующая поверхность вращения втулки в местах увеличения поперечного сечения могут быть выполнены коническими. При этом углы наклона конических поверхностей в сумме с углом возможного перекоса вала за счет зазоров в опорах и деформаций должны выполняться не превышающими прямого угла.

Кроме того, поверхность внутреннего участка отверстия в стенке и соответствующая поверхность втулки могут быть выполнены в виде цилиндров увеличенных диаметров, а в местах перехода от одного диаметра к другому выполнены уступы с углом наклона, не превышающим прямого, при этом внутренний диаметр винтовой канавки на втулке выполнен постоянным.

У втулки на торце со стороны уплотняемой полости может быть выполнен выступ, ограничивающий осевое перемещение плавающего опорного элемента, при этом на торце втулки со стороны уплотняемой полости могут быть выполнены радиальные пазы. Наличие отличительных от прототипа признаков говорит о соответствии критерию новизны; при этом, благодаря тому что в отверстии по толщине стенки выполнены два участка, причем участок, удаленный от уплотняемой полости, выполнен цилиндрическим с возможностью установки, по крайней мере, одного уплотнительного кольца, а внутренний участок выполнен с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости, между уплотнительным кольцом и плавающим опорным элементом размещена жестко связанная с валом втулка, торец которой выполнен дефлектором, выступающим за кромки отверстия во внутрь уплотняемой полости, поверхность вращения втулки содержит участок с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости, сопрягаемый с внутренним участком отверстия в стенке с зазорами, а на поверхности вращения втулки прорезана, по крайней мере, одна винтовая канавка, предлагаемое уплотнение содержит три типа уплотнительных элементов: уплотнительное кольцо в наружной части отверстия, резьбовое уплотнение во внутренней части отверстия и дефлектор, обеспечивающие уплотнению герметичность, повышенную по сравнению с прототипом, содержащим только уплотнительное кольцо и дефлектор.

Средний угол наклона поверхности отверстия на внутреннем участке стенки и поверхности вращения втулки в местах увеличения поперечного сечения выбраны не менее угла возможного переноса вала за счет зазоров в опорах и деформаций, в результате на частицы смазки в зазоре между отверстием и втулкой действует скатывающая сила, направленная в сторону уплотняемой полости, что способствует повышению герметичности уплотнения.

Известно, что радиальная центрирующая сила в резьбовом уплотнении уменьшается, что приводит к ухудшению вибрационных характеристик вала. В конструкции предлагаемого уплотнения зазоры между поверхностью втулки и отверстием в зоне расположения резьбового уплотнения выполнены с обеспечением увеличения площади поперечного сечения канала в направлении уплотняемой полости.

При этом радиальная центрирующая сила в уплотнении увеличивается, что позволяет скомпенсировать недостаток центрирующей силы в резьбовом уплотнении и обеспечить высокую вибрационную стойкость вала.

Наименее надежным элементом уплотнения, рассматриваемого в качестве прототипа, является уплотнительное кольцо, при работе контактирующее с поверхностью вала, вращающегося с высокой скоростью. В процессе износа изменяется конфигурация контактирующих поверхностей, увеличивается течь в уплотнении. Повышение работоспособности и надежности уплотнения может быть обеспечено надлежащим контролем выполнения основных параметров уплотнения, в частности геометрии, шероховатости, качества нанесения покрытия на поверхности.

Благодаря тому что в конструкции предлагаемого уплотнения между уплотнительным кольцом и плавающим опорным элементом размещена жестко связанная с валом втулка, ограничивающая одним торцем осевые перемещения уплотнительного кольца, облегчается доступ к поверхности контакта, упрощается их изготовление и контроль, повышается надежность уплотнения. Кроме того, благодаря наличию на втулке винтовой канавки улучшаются условия смазки контактирующих поверхностей кольца и втулки, способствующие повышению ресурса и надежности уплотнения.

С целью снижения габаритов и массы в конструкциях турбокомпрессоров используется преимущественно осевая схема сборки. Благодаря тому что поверхность вращения втулки выполнена с максимальным диаметром, не превышающим минимальный диаметр отверстия в стенке уплотняемой полости, обеспечивая возможность введения вала внутрь уплотняемой полости со стороны отверстия в стенке.

Благодаря тому что основные функциональные элементы предлагаемого уплотнения: поверхность, ограничивающая осевые перемещения уплотнительного кольца (торец втулки), дефлектор (второй торец втулки), поверхность вращения с прорезанной винтовой канавкой выполнены в виде отдельного конструктивного элемента втулки, упрощается технология изготовления вала.

Поверхность внутреннего участка отверстия в стенке и соответствующая поверхность вращения втулки в местах увеличения поперечного сечения могут быть выполнены коническими, что обеспечивает упрощение технологии изготовления. При этом благодаря тому что углы наклона конических поверхностей в сумме с углом возможного перекоса вала за счет зазоров в опорах и деформаций выполняются не превышающим прямого угла, обеспечивается воздействие на частицы смазки в зазоре между отверстием и втулкой скатывающей силы, направленной в сторону уплотняемой полости, что способствует повышению герметичности уплотнения.

Кроме того, поверхность внутреннего участка отверстия в стенке и соответствующая поверхность вращения втулки могут быть выполнены в виде цилиндров увеличенных диаметров, а в местах перехода от одного диаметра к другому выполняются уступы с углом наклона, не превышающим прямого, при этом внутренний диаметр винтовой канавки на втулке выполняется постоянным, что упрощает технологию изготовления уплотнения. При этом благодаря наличию увеличенных диаметров и уступов в местах перехода от одного диаметра к другому с углом наклона, не превышающим прямого, обеспечивается повышенная герметичность уплотнения.

В конструкции предлагаемого уплотнения целесообразно применение на валу выступа, ограничивающего с наружной стороны перемещения уплотнительного кольца, что упрощает конструкцию и повышает надежность уплотнения.

В составе уплотнения, рассматриваемого в качестве прототипа, ограничение осевых перемещений плавающего опорного элемента, осуществляется пружинными кольцами, установленными в проточках корпуса. Выполнение у втулки на торце со стороны уплотняемой полости выступа, ограничивающего осевое перемещение плавающего опорного элемента обеспечивает упрощение конструкции. При этом на торце втулки или выступе со стороны уплотняемой полости могут выполняться радиальные пазы, улучшающие условия для смазки поверхностей трения втулки и плавающего опорного элемента и улучшающие условия отвода смазки от плавающего опорного элемента и втулки.

Другие результаты, достигаемые при использовании предлагаемого изобретения: возможность использования для изготовления втулки материалов со специальными свойствами, отличными от материала вала по теплофизическим, фрикционным или другим параметрам (например, спеченные материалы или со специальной химико-термической обработкой; возможность применения в составе уплотнения неразрезных колец, обеспечивающая возможность повышения герметичности и снижение трудоемкости изготовления.

Совокупность перечисленных отличительных особенностей обеспечивает возможность повышения герметичности и виброустойчивости, надежности и ресурса уплотнения.

Конструкция уплотнения характеризуется простотой, что упрощает технологию и трудоемкость изготовления.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого гидравлического уплотнения; на фиг. 2 схема предлагаемого гидравлического уплотнения (вариант исполнения).

Приведенные графические материалы иллюстрируют примеры конкретного исполнения предлагаемого уплотнения, подтверждающие его промышленную применимость при решении задачи уплотнения вращающегося вала турбокомпрессора в отверстии корпуса подшипникового узла.

Уплотнение, изображенное на фиг. 1, обеспечивает герметизацию вала 1, проходящего через отверстие A в стенке уплотняемой полости, расположенной внутри корпуса подшипникового узла 2 и установленного с возможностью вращения на плавающем опорном элементе 3.

В отверстии по толщине стенки выполнены два участка.

Участок Б, удаленный от уплотняемой полости, выполнен цилиндрическим с возможностью установки, по крайней мере, одного уплотнительного кольца 4. Внутренний участок В выполнен коническим с увеличением поперечного сечения в направлении уплотняемой полости.

Между уплотнительным кольцом и плавающим опорным элементом размещена втулка 5, установленная на валу по прессовой посадке, ограничивающая торцом Г осевые перемещения уплотнительного кольца. С наружной стороны уплотнительное кольцо фиксируется поверхностью Г₁ выступа, выполненного на валу. Второй торец Д втулки представляет собой дефлектор и выполнен выступающим за кромку отверстия вовнутрь уплотняемой полости. Поверхность вращения втулки содержит цилиндрический Е и конический Ж участки. Диаметр большего основания конуса (максимальный диаметр втулки) d_вт выполнен ч меньше минимального диаметра отверстия Д_отв на величину допускового зазора δ, обеспечивающего возможность введения втулки внутрь отверстия при осевой сборке. Диаметр цилиндрического участка втулки выбран таким, чтобы зазор между поверхностями Б и Е не исчезал при возможных перекосах вала за счет зазоров в опорах и деформаций, что обеспечивает отсутствие касаний втулки о поверхность отверстия. Зазор между коническими поверхностями В и Ж выбран такой же как между поверхностями Б и Е d. При этом углы наклона конических поверхностей выбраны такими, что выполняются условия: b ≅ α ≅ 90 - β, b ≅ α₁≅ 90 - β где α, α₁ углы наклона конических поверхностей отверстия и втулки соответственно; β угол возможного перекоса вала за счет зазоров в опорах и деформаций.

Наличие конических участков на поверхности вращения втулки и в отверстии, выполненных с указанными углами наклона и зазорами между собой, обеспечивает наличие скатывающей силы, действующей на частицы смазки в зазоре между поверхностями втулки и отверстиями, и направленной в сторону уплотняемого объема при возможных перекосах вала, что способствует повышению герметичности уплотнения.

Кроме того, наличие конических участков при постоянной величине зазора d между ними приводит к увеличению площади поперечного сечения канала в направлении уплотняемой полости, что обеспечивает повышение вибрационных характеристик вала.

На поверхности вращения втулки прорезаны две винтовых канавки, при этом внутренний диаметр канавок в пределах втулки постоянен. Параметры профиля и шага канавки могут быть выбраны эмпирически или расчетным путем по известным методикам (например, "Уплотнения и уплотнительная техника". Справочник /Л.А. Кондаков и др. М. Машиностроение, 1986, 454 стр.).

Плавающий опорный элемент зафиксирован в осевом направлении упругими элементами 6, установленными в проточках K корпуса. В корпусе и плавающем элементе выполнены каналы для смазки Л и М соответственно.

Вал 1 изготавливается из стали, например, 30ХГСА ТУ14-1-950-86, термообработанной до твердости 32 37 HRC_э, с термохимической обработкой поверхности.

Корпус 2 изготавливается из стали.

Плавающий опорный элемент 3 выполнен из латуни, например Л062 ГОСТ 15527-70.

Разрезное кольцо 4 и упругие элементы 6 изготавливаются из стали, например 60С2А ГОСТ 14959-69 термообработанных до твердости 419 514 HV.

Втулка 5 изготавливается из стали, например, 40Х ГОСТ 4543-71, термообработанной до твердости 32 36, 5 HRC_э, с термохимической обработкой поверхности.

Уплотнение, изображенное на фиг. 2 отличается тем, что внутренняя часть В отверстия в стенке уплотняемой полости и соответствующая поверхность Ж втулки выполнены цилиндрической формы, причем:
В местах перехода от одного диаметра к другому выполнены уступы с углом наклона 90^o, что обеспечивает улучшение вибрационных характеристик и герметичности уплотнения.

Кроме того, у втулки на торце со стороны уплотняемого объема выполнен выступ H, ограничивающий своей поверхностью П осевые перемещения плавающего опорного элемента, благодаря чему упрощается конструкция уплотнения.

На выступе выполнены радиальные пазы P, улучшающие условия смазки поверхностей трения втулки и опорного элемента, и повышающие ресурс уплотнения.

В составе уплотнения дополнительно используется неразрезное уплотнительное кольцо 7, способствующее повышению герметичности уплотнения.

Кольцо 7 изготавливается из стали, например, 60С2А ГОСТ 14959-69, термообработанных до твердости 419-514 HV.

Предлагаемое уплотнение, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом.

Смазка поверхности скольжения опорного элемента 3 подводится по каналу Л в корпусе 2, а затем часть смазки по радиальным отверстиям М в опорном элементе поступает к поверхности вала 1. По зазорам между корпусом, опорным элементом и валом смазка поступает в уплотняемую полость С, откуда дефлектором (поверхность Д втулки 5) выводится в сливную магистраль Т.

Часть смазки из полости С по стенке отверстия А (поверхности В и Б) под действием перепада давления устремляется наружу. При этом в зазоре между втулкой и стенкой отверстия частицы смазки вовлекаются во вращательное движение, что приводит к появлению центробежной силы, составляющая которой, направленная в сторону уплотняемой полости, препятствует движению смазки наружу. Кроме того, наличие винтовой канавки И на поверхности втулки увеличивает силу, действующую на частицы смазки в направлении уплотняемой полости и повышает герметичность уплотнения.

Благодаря тому что площадь зазоров в отверстии увеличивается в направлении уплотняемой полости, происходит перераспределение давления смазки в зазоре, увеличивающее величину радиальной центрирующей силы и способствующее повышению вибрационных характеристик вала.

Уплотнительное кольцо 4, расположенное в отверстии А между поверхностями выступа на валу Г₁ и втулки Г, препятствует свободному выходу смазки из уплотняемой полости и повышает эффективность работы всего уплотнения в целом.

Уплотнение, изображенное на фиг. 2, работает аналогичным образом, при этом выступ H на торце втулки 5 ограничивает осевое перемещение опорного элемента 3, а смазка из зоны контакта вала 1 и опорного элемента отводится по радиальным пазам Р.

Приобретая в них дополнительную энергию, смазка поступает в сливную полость С и, увлекая за собой находящуюся там смазку, выходит в сливную магистраль Т.

Наличие уступов на поверхности отверстия В и вращения втулки Ж препятствует выходу смазки из уплотняемой полости наружу и в совокупности с винтовыми канавками и зоной увеличенного диаметра способствует повышению герметичности уплотнения. Использование двух уплотнительных колец способствует повышению герметичности всего уплотнения в целом.

Рассмотренные примеры конкретного выполнения уплотнения не исключают большого числа других вариантов исполнения в пределах существа изображения.

Предлагаемое гидравлическое уплотнение, предназначенное для уплотнения валов, вращающихся в большой скоростью, обеспечивает повышение герметичности и виброустойчивости, надежности и ресурса. Разработанная конструкция позволяет упростить технологию и трудоемкость изготовления уплотнения.

Формула изобретения

1. Гидравлическое уплотнение вала, проходящего через отверстие в стенке уплотняемой полости и установленного с зазорами, обеспечивающими возможность его вращения на плавающем опорном элементе, содержащее разрезное уплотнительное кольцо и дефлектор, отличающееся тем, что поверхность отверстия выполнена по меньшей мере из двух участков, причем наружный участок, наиболее удаленный от уплотняемой полости, выполнен цилиндрическим с возможностью установки хотя бы одного уплотнительного кольца, а остальные участки, в том числе, внутренний, прилегающий к уплотняемой полости, выполнены увеличенного поперечного сечения, между уплотнительным кольцом и плавающим опорным элементом размещена жестко связанная с валом втулка, ограничивающая наружным торцом, удаленным от уплотняемой полости, осевые перемещения уплотнительного кольца, второй ее торец выполнен выступающим за кромку отверстия во внутрь уплотняемой полости, и на нем расположен дефлектор, на поверхности вращения втулки выполнены по меньшей мере два участка, причем наружный участок, сопрягаемый с наружным участком отверстия в стенке, выполнен цилиндрическим, а ее внутренний участок сопряжен с внутренним участком отверстия в стенке с зазорами, обеспечивающими увеличение площади поперечного сечения канала между ними в направлении уплотняемой полости, максимальный диаметр втулки выполнен не превышающим минимального диаметра отверстия, а на поверхности вращения втулки прорезана по меньшей мере одна винтовая канавка, при этом средние углы наклона поверхностей внутреннего участка отверстия и сопрягаемого с ним участка втулки к их осям выбраны не менее угла возможного перекоса вала за счет зазоров в опорах и деформаций.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что поверхность отверстия выполнена из двух участков, причем поверхности внутреннего участка отверстия в стенке и сопрягаемого с ним участка втулки выполнены коническими, при этом углы наклона конических поверхностей в сумме с углом возможного перекоса вала за счет зазоров в опорах и деформаций выполнены не превышающими прямого угла.

3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что поверхность отверстия выполнена из трех участков, причем поверхности внутреннего участка отверстия в стенке и сопрягаемого с ним участка втулки выполнены в виде цилиндров увеличенных диаметров, а поверхности в местах перехода от наружных участков к внутренним выполнены коническими с раскрытием в сторону уплотняемой полости и углом наклона, не превышающим прямого.

4. Уплотнение по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что на торце втулки со стороны уплотняемой полости выполнен дополнительный выступ, ограничивающий осевое перемещение плавающего опорного элемента, и на этом выступе выполнены радиальные пазы.

РИСУНКИ

Рисунок 1