механическое уплотнение

Thread Content

Краткое описание принципа работы механического уплотнения для насосов. Механическое уплотнение представляет собой тип уплотнения валов, широко используемый во вращающихся машинах. Механические уплотнения в основном используются для герметизации различных сред — газов, жидкостей и т. д., например, в насосах, реакторах и т. п.; они также применяются для герметизации газов, например, для уплотнения валов компрессоров. Благодаря низкому уровню утечек и отсутствию необходимости в регулярном техническом обслуживании, механические уплотнения широко заменили уплотнения с мягкими наполнителями. Механические уплотнения обычно имеют две плоскости уплотнения, перпендикулярные оси вращения, поэтому их также можно назвать «радиальными торцевыми уплотнениями». Один из компонентов уплотнительной поверхности устанавливается на крышке насоса, торцевой крышке или корпусе насоса и остается неподвижным; другой фиксируется на валу и вращается вместе с ним. Неподвижная часть называется статическим кольцом (в механических уплотнителях с неподвижным уплотнением она также называется плавающим кольцом), а вращающаяся часть — динамическим кольцом (вращающимся кольцом). Для того чтобы уровень утечек оставался на крайне низком уровне, допуск по плоскостности поверхностей вращающегося и неподвижного кольцевых уплотнителей в обычных механических уплотнениях составляет 0,0006. Чтобы тепло, образующееся в результате трения между двумя поверхностями, а также степень их износа оставались в допустимых пределах, между этими поверхностями необходимо наличие слоя жидкостного смазки. Для одностороннего уплотнения обычно в качестве смазки используется сам материал уплотнения. Однако при использовании двусторонних или последовательных механических уплотнений для токсичных, вредных, легковоспламеняющихся, взрывоопасных или сильно коррозионных сред используется в качестве смазки и охлаждающей жидкости жидкость, совместимая с этой средой. Для компенсации износа и производственных дефектов необходимо, чтобы уплотнительная поверхность под действием как эластичного элемента, так и давления среды могла перемещаться в осевом направлении на определенное расстояние. Кроме того, для компенсации колебаний, вызванных угловыми отклонениями вращающихся деталей, необходимо, чтобы уплотнительная поверхность могла незначительно перемещаться в радиальном направлении. Обычно одна герметичная поверхность выполняет обе эти функции. Для герметизации валов вращения механические уплотнители являются наиболее распространенным типом уплотнений. Механические уплотнения обычно используются с жидкостным уплотнением, например, в центробежных насосах; они также применяются для газового уплотнения, например, в компрессорах и устройствах для перемешивания. В данном учебнике мы в основном рассматриваем механические уплотнения для насосов, предназначенные для работы с жидкостями. Механические уплотнения широко заменили уплотнения с прокладками благодаря низкому уровню утечек и отсутствию необходимости в регулярном техническом обслуживании. Механические уплотнения обычно имеют две уплотнительные поверхности, перпендикулярные оси вращения, поэтому их также можно назвать «радиальными торцевыми уплотнениями». Одна из герметизирующих поверхностей устанавливается на фиксированной опоре насоса или на самом корпусе насоса; её называют «неподвижным кольцом». Другая поверхность устанавливается на вращающемся валу и вращается вместе с ним; её называют «подвижным кольцом». Чтобы количество утечек из среды оставалось в допустимых пределах, между этими двумя контактирующими поверхностями, находящимися в относительном движении, должна сохраняться очень малая зазорность — обычно менее 0,001 мм. Кроме того, необходима вспомогательная система для охлаждения и смазки поверхностей механического уплотнителя. Рисунок 1–1. Зазор в уплотнении. Чтобы тепло, образующееся в результате трения между двумя поверхностями, а также степень износа оставались в допустимых пределах, между уплотняющимися поверхностями необходимо иметь слой жидкостного смазочного материала, образованный самим смазываемым веществом. Теоретически, у всех механических уплотнителей существует определенный уровень утечек, причем они значительно меньше, чем у других уплотнителей. В некоторых случаях утечек не видно, поскольку жидкость, утекающая с поверхности уплотнителя, уже испаряется до того, как мы сможем ее заметить. В целом, для одной и той же механической уплотнительной системы количество утечек и срок её службы являются параметрами, обратно пропорциональными друг другу: чем больше утечек, тем толще слой жидкости на поверхности уплотнителя, а значит, срок его службы выше. Поэтому при монтаже механического уплотнителя не следует стремиться исключительно к минимальному уровню утечки. Необходимо учитывать все факторы. Если же сосредоточить внимание только на минимизации утечки, это приведет к усилению сжатия пружины, что, в свою очередь, вызовет серьезное износ поверхностей механического уплотнителя. В микромасштабе две герметичные поверхности не являются совершенно гладкими; на них имеются волны и углубления, обусловленные шероховатостью поверхности (см. рисунки 1-1, 2). Между этими волнами и углублениями существует слой жидкости, однако они не соединены между собой. Поэтому в состоянии покоя происходит утечка жидкости крайне редко. Рисунки 1–2: Микрофотографии поверхности уплотнения подвижного кольца механического уплотнителя насоса для перекачки воды. Для компенсации износа и производственных дефектов необходимо, чтобы поверхность уплотнения могла перемещаться в осевом направлении. В то же время, для компенсации колебаний, вызванных угловым смещением вращающихся элементов, одна из герметичных поверхностей должна иметь возможность радиального перемещения. Обычно одна и та же уплотнительная поверхность выполняет обе эти функции. Плавающим концом может быть как статическое кольцо, так и динамическое кольцо. Однако, когда линейная скорость на поверхности вращающегося вала превышает 15 м/с, плавающий конец устанавливается как статическое кольцо для избежания воздействия центробежных сил. На самом деле, состояние рабочей поверхности механического уплотнения схоже с состоянием поверхностей скользящего подшипника. Однако из-за того, что механические уплотнения требуют небольшого зазора в движении, имеют плохие характеристики смазки и низкий расход смазки, их проектирование становится сложным, а надежность работы — низкой. Далее мы сравним рабочие параметры механических уплотнителей и толкательных подшипников: Таблица 1-1. Сравнительная таблица параметров механических уплотнителей и толкательных подшипников. Рисунки 1–3 показывают наиболее распространенные конструкции механических уплотнителей, используемые в наших электростанциях. Его уплотнительная поверхность представляет собой поверхность контакта между плоскостями подвижного и неподвижного кольца при их взаимном вращении. Герметичные поверхности получаются в результате шлифовки с высоким уровнем плоскостности; этот показатель можно измерять с использованием длины световой волны. Согласно стандарту JB4127-85 «Технические требования к механическим уплотнениям» в нашей стране, плоскостность герметичных поверхностей не должна превышать 0,9 мкм; однако обычно требуется, чтобы этот показатель составлял не более 0,6 мкм. В ротационных механических уплотнителях подвижное кольцо может двигаться вдоль оси; в статических механических уплотнителях неподвижное кольцо (также называемое плавающим кольцом) может двигаться в осевом направлении. Таким образом, во время работы давление жидкости, используемой в качестве уплотнителя, и сила пружины обеспечивают контакт между уплотняющими поверхностями. При недостаточном давлении жидкости пружина может компенсировать этот недостаток. Рис. 1–3. Структура механического уплотнения. Величину силы уплотнения необходимо определять с учетом как фактора утечек, так и фактора износа. При сильных механических вибрациях или колебаниях давления необходима достаточная сила зажима, чтобы обеспечить сцепление герметичных поверхностей. В качестве вспомогательных статических уплотнителей обычно используются резиновые кольца типа «0». Трение, возникающее при скольжении между герметичными поверхностями, генерирует большое количество тепла. Уплотнения среднего размера и скорости вращения, мощность которых составляет от 100 до 1000 Вт. Эта теплота передается посредством теплопроводности уплотнительных элементов, в конечном итоге попадая в окружающую жидкость и уносясь системой охлаждения или промывки. Текущая на поверхность жидкость также уносит небольшую часть тепла. Температура между герметичными поверхностями должна быть контролируема таким образом, чтобы она была ниже температуры кипения герметизирующей среды. Возгонка этой среды приводит к интенсивному износу уплотнения, и это очень важно! Обычно жидкость берется с высоконапорного конца насоса для охлаждения механического уплотнения (об этом будет рассказано подробнее позже). Если температура среды слишком высока, необходимо использовать дополнительные устройства для охлаждения. Герметизирующая среда циркулирует в системе охлаждения за счёт разницы давления на входе и выходе насоса или под действием давления, создаваемого специальным приводом, встроенным в саму конструкцию уплотнения; тепло удаляется с помощью вторичной охлаждающей воды через охладитель. Для предотвращения износа уплотнительных поверхностей под действием частиц и примесей в среде в таких системах обычно устанавливаются фильтры или центробежные сепараторы. При выборе материала для герметичных поверхностей необходимо учитывать следующие факторы: хорошие свойства скольжения (совместимость при соприкосновении); стойкость к химическому воздействию среды (химическая совместимость); способность к адаптации к температуре и другим факторам эксплуатации (например, износостойкость, теплопроводность). Обычно один из уплотнительных кольцев состоит из углерода-графита, в то время как второе, соединенное с ним кольцо, изготавливается из металла, сплава, керамики или твердосплава. Углерод-графит сочетает в себе свойства скольжения и химическую совместимость (стойкость к коррозии). При использовании в качестве уплотнительного кольца углерод-графит обычно подвергается обработке путем погружения в смолу или металл. Смазка уплотнительной поверхности обеспечивается за счёт её собственной регуляции. В зависимости от конструкции и уровня нагрузки, смазка может обеспечиваться за счёт слоя жидкости, разделяющего две поверхности, или путём контакта этих поверхностей в местах неровностей, обусловленных шероховатостью, при одновременном наличии слоя жидкости. Только при эффективной смазке скользящих поверхностей можно добиться удовлетворительного уровня герметичности; в противном случае поверхности механического уплотнителя быстро изнашиваются, что сокращает срок его службы.