Введение

Начиная с 20-х годов XX столетия наибольшее распространение торцовые уплотнения получили в автомобилях. После того, как аксиальные торцовые уплотнения оправдали себя в крупносерийном автомобильном производстве, область их применения резко расширилась. После 1945 г. их стали широко использовать в насосостроении, крупной химической и нефтеперерабатывающей промышленности [1]. Применяют торцовые уплотнения в области изготовления транспортных средств. Так, они обеспечивают герметичность работы насосов для охлаждающей жидкости и нагнетательных - в автомобилях, тепловозах, судовых двигателях. В подшипниковых узлах гусеничных тягачей и автомобилей повышенной проходимости они предотвращают утечку консистентной и жидкой смазок. В бытовой технике торцовые уплотнения применяют в стиральных машинах, автоматах, центрифугах, посудомоечных машинах и мясорубках, а также в нагнетательных топливных и циркуляционных водяных насосах. В области энергетического машиностроения торцовые уплотнения применяют в питательных насосах котельных агрегатов, в водяных турбинах и в системах охлаждения генераторов, вентиляторов и, особенно, в ядерных энергетических установках. Особенно широко используют торцовые уплотнения в нефтеперерабатывающих и химических аппаратах. В самолетах и ракетах с помощью торцовых уплотнений герметизируют валы газовых турбин, турбокомпрессоров, гидроагрегатов и нагнетательных насосов горючего и сжиженных газов.

1. Классификация торцовых герметических устройств

Торцовые герметические устройства можно разделить на две основные группы: аксиальные и радиальные (рис. 1).

Рис. 1. Торцовые уплотнения:
аксиальное и радиальное.

Аксиальное торцовое уплотнение обеспечивает лучшую герметичность и имеет повышенную надежность и долговечность. Оно обеспечивает упруго-герметичное соединение между неподвижной и вращающейся торцовыми кольцевыми поверхностями и выполняет функции уплотнения и теплообменника.

В зависимости от давления и скорости скольжения аксиальные торцовые уплотнения классифицируются следующим образом (табл. 1).

Таблица 1. Классификация аксиальных торцовых уплотнений

Если в 1945 г. для торцовых уплотнений критическими считались: давление - 1,5 МПа, скорость скольжения - 25 м/с, то в последующие 25 лет давление и скорость скольжения повысились более чем в 10 раз, и в настоящее время в технологических установках с торцовыми уплотнениями рабочее давление достигает 50 МПа.

2. Классификация уплотнений в зависимости от схемы компоновки, нагрузки и конструкции

2.1 Схемы компоновки

Подвижная в осевом направлении часть торцового уплотнения, находящаяся внутри уплотняемой полости, может вращаться (рис. 2а) или быть неподвижной (рис. 2б).

Рис. 2. Возможные схемы компоновки торцовых уплотнений.

При внутреннем расположении неподвижного в осевом направлении контркольца, которое в свою очередь может вращаться или быть неподвижным, уплотняемая полость запирается в направлении падения давления (P1>P2).

При наружном расположении контркольца уплотняемая полость запирается невращающейся (рис. 2в) или вращающейся (рис. 2г) подвижной в осевом направлении частью торцового уплотнения. Все представленные на рисунке 2 варианты схем компоновки уплотнений находят широкое применение.

Существуют также специальные конструкции, у которых подвижная в осевом направлении часть или кольцо являются плавающими. Преимуществами этих схем является то, что при любой шероховатости поверхности вала или любой форме обеспечивается герметизация в месте установки уплотнения.

2.2. Нагрузки

Торцовые уплотнения классифицируют как по виду нагрузки так и по отношению контактного давления Рg к внутреннему Р1, а также по коэффициенту нагрузки:

.

На практике пренебрегают усилием пружины и проводят классификацию по коэффициенту нагрузки к. Подбором нагрузки можно спроектировать торцовое уплотнение с 1>к>1. Если к<1 (рис. 3а) то это так называемое разгруженное торцовое уплотнение, а если к>1 (рис. 3в) - нагруженное торцовое уплотнение.

Рис. 3. Торцовые уплотнения с различными коэффициентами нагрузки.

На практике у большинства нагруженных торцовых уплотнений отношение к=1,1…1,2, так как внутренний диаметр контркольца должен быть всегда больше диаметра вала Dw. Разгруженное выполняют с коэффициентом к=0,6…0,9. При уменьшении к повышается сопротивляемость термической перегрузке, однако при этом увеличивается и опасность раскрытия стыка уплотнительных поверхностей. Так как в разгруженном торцовом уплотнении по экономическим соображениям нежелательно наличие заплечика на валу, то в конструкцию необходимо ввести дополнительный радиальный уплотнительный элемент для разгрузочной втулки (то есть применяют дополнительное уплотнение, перекрывающее путь утечки) (рис.4).

Рис. 4 Торцовые уплотнения с различными коэффициентами нагрузки:
а - разгруженное уплотнение к=0,75
б - нагруженное уплотнение к=1,1.

2.3. Конструкция

Чтобы использовать торцовые уплотнения при высокой нагрузке, а также герметизировать газ или среду с недостаточной смазывающей способностью, через отверстия или канавки на уплотнительной поверхности подают смазывающую, охлаждающую или запирающую жидкость, нагнетаемую специальным насосом под давлением P3 большим, чем внутреннее давление P1. Этот же способ применяют для изменения коэффициента нагрузки к. Такие торцовые уплотнения называют гидростатическими. Регулируя давление P3, можно влиять на другие параметры уплотнения, такие как утечка, износ, долговечность и потери на трение.

Если же на контактной поверхности уплотнительных колец предусмотрены канавки, способствующие созданию гидродинамических полей давления и смазки, то такие торцовые уплотнения называют гидродинамическими. При этом канавки на уплотнительной поверхности, которые перекрывают только часть контакта уплотнительных колец, могут быть клиновидной формы. Выбирая размер и материалы можно добиться того, что под действием контролируемых тепловых деформаций произойдет сужение зазора, обеспечивающего гидродинамический подпор.

Комбинация обеих способов представляет гидродинамически-гидростатическое торцовое уплотнение, применяемое для работы в тяжелых условиях.

Кроме уже названных типов уплотнений следует отметить торцовое уплотнение двойного действия, которое состоит из двух торцовых уплотнений. Его применяют при работе оборудования с газами, сильно загрязненными твердыми частицами жидкостями, химически опасными или высоко нагретыми средами. В этой конструкции предусмотрена дополнительная циркуляция смазывающей, охлаждающей и запирающей жидкости. Иногда в целях более жесткой установки вала радиальный подшипник располагается между двумя уплотнениями. Однако при этом могут быть использованы масла, имеющие очень низкую теплопередающую способность.

Необходимо отметить также, что разработана специальная уплотнительная головка, предназначенная для уплотнения подогреваемых вращающихся каландров и валков. Водяной пар или нагретый газ проходит через полый вал, а затем охлажденный возвращается по другому каналу. Так как утечка в этом случае не является критической, то вместо радиального уплотнительного элемента оставляется дросселирующий зазор. Часто из-за возникновения вибрации уплотнительные поверхности делают сферическими.

Перечень ссылок

1. Майер Э. Торцовые уплотнения: Пер. с нем. - М.: Машиностроение, 1978. - 288 с.