Пакер гидравлический ПГЯ-203-245

В гидродинамических  бесконтактных торцовых уплотнениях (рисунок 1.5)для расклинивания пары трения используется энергия движения уплотнительных поверхностей. При этом разделение поверхностей пары трения и восприятие сжимающих нагрузок осуществляется силами, возникающими в результате нагнетания, по расположенным на уплотнительных поверхностях канавкам,). ₍ жидкости или газа в сужающуюся часть зазора под действием сил трения. Типичными представителями гидродинамических уплотнений в настоящее время являются газо-смазочные бесконтактные торцовые уплотнения (Gas-lubricated Non-contacting Mechanical Face Seals, i.e., dry gas seals)[113] и торцовые уплотнения с механизмом обратного нагнетания (Upstream Pumping Mechanical Face Seals) [51].

По сравнению  с термогидродинамическими торцовыми  уплотнениями гидродинамические торцовые уплотнения не только осуществляют бесконтактное состояние пары трения, что значительно увеличивает их долговечность, они могут обеспечивать отсутствие жидкофазной или газо-фазной утечки уплотняемых сред; имеют более высокую жёсткость смазочной плёнки. Они более надёжны и стабильны в работе, меньший расход затворных сред и большую экономичность по сравнению с гидростатическими торцовыми уплотнениями. В связи с этим, гидродинамические торцовые уплотнения — самые перспективные и распространённые в промышленности, особенно в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности.

Успешная  разработка гидродинамических торцовых уплотнений и их эффективное использование в смежных отраслях промышленности имеют существенное значение в области уплотнительной техники. Гидродинамические торцовые уплотнения имеют прекрасную герметичность, их долговечность повышается в значительной степени, надёжность и безопасность компрессоров и насосов обеспечиваются длительной работой уплотнения. К тому же, потеря мощности на трение и расходы на ремонт в большой степени снижаются, и экономическая эффективность турбомашины соответственно увеличивается. В то же время, гидродинамические торцовые уплотнения могут применяться при большом значении PV, использоваться при неблагоприятных для традиционных контактных торцовых уплотнений условиях. Следует отметить, что гидродинамические бесконтактные торцовые уплотнения обязательно станут наиболее перспективными уплотнениями в будущем.

Рисунок 1.5- Конструкции  гидродинамических  уплотнений

 

7. Гидродинамическое бесконтактное торцовое уплотнение (ГБКТУ)

 

По основному  механизму работы газо-смазочные  бесконтактные торцовые уплотнения (в дальнейшем ГБКТУ) и торцовые уплотнения с механизмом обратного нагнетания (в дальнейшем ОНТУ) аналогичные. Для создания гидродинамического давления между торцовыми поверхностями осуществляется нагнетание уплотнительной среды вращающейся поверхностью в торцовый зазор. Таким образом, образуется, как и в гидродинамическом подшипнике, "гидродинамическая подстилка. Особенно гидродинамически эффективны плоские клиновидные и ступенчатые щели, глубина которых сравнимы с минимальной шириной торцовой щели.

Рисунок 1.6- Механизм работы ГБКТУ

Механизм работы ГБКТУ показан  на рисунке 1.6. При вращении кольца с  канавками со стороны затворного газа(давление которого выше давления уплотняемой среды ) в направлении  показанном на рисунке 1.6 гидродинамические канавки нагнетают затворный газ со стороны внешнего диаметра в зазор под действием нагрузки трения. Давление газовой пленки в зазоре постепенно увеличивается с внешнего диаметра до конечного диаметра канавок, и давление газовой пленки в зазоре постепенно уменьшается с конечного диаметра канавок до внутреннего диаметра (показано на рисунке 1.7).

 

 

Рисунок 1.7- Распределения давлений газовой пленки в зазоре ГБКТУ

1. давление газового слоя при нормальном режиме работы
2. давление газового слоя при увеличении толщины зазора
3. давление газового слоя при уменьшении толщины зазора
4. давления газового слоя для контактных уплотнений

1.2.8 Разработка ГБКТУ

По сравнению  с традиционными контактными  торцовыми уплотнениями ГБКТУ имеют ряд преимущества: утечка уплотняемых сред устраняется, долговечность торцовых уплотнений увеличивается в 5 раз, вспомогательная система уплотнения упрощается, расход энергии при работе уменьшается в значительной степени и надёжность машины повышается.

До сих  пор ГБКТУ уже успешно применяются  в центробежных компрессорах, и даже насосах в различных отраслях, особенно в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, в которых большинство технологических сред является токсичным, опасным и загрязнённостью; Следовательно, огромные экономические и социально полезные эффекты получены.

Типичные  конструкции ГБКТУ

Ключевой проблемой является проектирование торцовых конструкций для ГБКТУ, в связи с этим, многие ученные  сосредоточили свое внимание на конструкциях гидродинамических канавок на уплотнительных поверхностях.

Многие конструктивные приемы образования гидродинамического давления в торцовой щели обобщены в книге [63]. В настоящей работе  предоставлены некоторые конструкции  для ГБКТУ, нашедшие практическое внедрение (на рисунке 1.8).

Самыми распространенными  конструкциями являются спиральные канавки с постоянной глубиной меньше 10 мкм. Фирма JOHNCRANE впервые в мире разработала ГБКТУ с однорядными спиральными канавками ( на рисунке 1.8), которые направлены в сторону вращения, благодаря чему уплотняемая среда под действием перепада давления и вращения попадает в канавку, разгоняется и тормозится в конец канавок, создавая зоны с высоким гидродинамическим давлением.

Немецкая фирма Feodor BURGMAN выполняет спиральные канавки в виде клиновидных канавок. На рисунке 1.8(b, c) показаны две конструкции с двухрядными спиральными канавками, жесткость газовой пленки которых в некоторой степени больше, чем в конструкции с однорядными спиральными канавками. На рисунке 1.8(f-l) представлены разнообразные конструкции, обладающие функцией двустороннего вращения, которые защищают ГБКТУ от контакта и повреждения в случае обратного вращения во время остановки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.8- Типичные конструкции  ГБКТУ

1.2.9 Торцовые уплотнения с обратным  нагнетанием (ОНТУ)

 

ОНТУ тоже относятся к гидродинамическим  бесконтактным торцовым уплотнениям. В работе [9] впервые описывается конструкция ОНТУ, нагнетающая утечек жидкости назад в уплотнительную камеру посредством особого проектирования уплотнительных поверхностей. Существенно вырос интерес к таким конструкциям со стороны ведущих специализирующихся в области уплотнения фирм в последние 10 лет.

 

Механизм  работы ОНТУ

 

 

 

 

Рисунок 1.9- Механизм ОНТУ

Etsion I. [10], Lipschitz A. [11] независимо друг от друга рассматривают механизм торцового уплотнения с обратным нагнетанием. На рисунке 1.9 приведена распространённая торцовая конструкция ОНТУ со спиральными канавками. С помощью открытых со стороны низкого давления спиральных канавок жидкость скапливается в уплотнительной щели и используется для образования  гидродинамического давления и смазки.

  Попадающая в щель жидкость захватывается расположенными в окружном направлении углублениями, транспортируется ближе к зоне высокого давления и накапливается в сужающейся конфузорной части канавок.

В результате локального сильного повышения давления жидкость через оставшуюся часть уплотнительной щели течет назад в полость высокого давления.

Для избежания  утечки уплотняемой среды (особенно высоко опасной, токсичной, высоко абразивной и других) лучше применять конструкцию ОНТУ с использованием буферной жидкости низкого давления (на рисунке 1.10). Вышеупомянутая жидкость нагнетается из полости низкого давления в полость высокого давления. На износостойкой поверхности нанесены спиральные канавки, сообщающиеся с буферной жидкостью, которая затягивается вращающейся поверхностью в спиральные канавки и в результате повышения давления в другом их конце через оставшуюся часть уплотнительной щели нагнетается в полость высокого давления. В этом случае торцовые поверхности постоянно разделены тонкой плёнкой жидкости.

Допустим, уплотняемая  жидкость под давлением р₀ подается с внешнего радиуса, а буферная жидкость подводится с внутреннего радиуса. При скольжении вращающегося кольца относительно неподвижному кольцу в направлении как показано на рисунке 1.9, гидродинамические канавки всасывают буферную жидкость под низким давлением в торцовой зазор с использованием силы трения,  в результате этого  поверхности уплотнения находятся в бесконтактном режиме с толщиной зазора ho-

При наличии  перепада давления между внешним  и внутренним радиусами утечка Q_p уплотняемой жидкости проходит через Ь₀ зазор в направлении внутреннего радиуса, а утечка Q_s буферной жидкости через зазор Ь₀ в обратном направлении. 1 Нетто утечка через зазор h₀:

Предполагая Q_p > Q_s, получаем Q > О, уплотняемая жидкость при этом течёт через зазор Ь₀ в атмосферу. Значит, давления буферной жидкости в зазоре меньше давления уплотняемой среды (кривая 1 на рисунке 1.11), и данное торцовое уплотнение не обладает способностью герметизации, что необходимо избежать при проектировании ОНТУ:

 

 

Рисунок 1.10- Схема конструкции  ОНТУ

1- втулка; 2- упорная втулка; 3- пружины; 4-камера уплотнения; 5- резиновое  вторичное уплотнение; 6- вращающееся кольцо; 7- резиновое вторичное уплотнение; 8- неподвижное кольцо; 9- крышка накладки; 10- уплотнение для буферной жидкости; 11- крышка для уплотнения 10.

 

Если в_р =Q_S> Q  утечка уплотняемой жидкости в атмосферу и утечка буферной жидкости в уплотняемую полость отсутствует. Значит, давление буферной жидкости на радиусе канавок r_g равны давлению уплотняемой среды (кривая 2 на рисунке 1.11 ), и данное торцовое уплотнение обладает герметичностью.

Если Q_p <Q_S9 Q<0, то имеют отсустсвие утечки уплотняемой жидкости в атмосферу и только малую утечку буферной жидкости в уплотняемую полость. Считается, что давления буферной жидкости на радиусе канавок r_g выше давления уплотняемой среды (кривая 3 на рисунке 1.11), и данное торцовое уплотнение обладает прекрасной герметичностью, и может применяться для герметизации токсичных, легкокипящих и других жидкостей. В промышленном применении надо проектировать ОНТУ для двух последних режимов.

 

Рисунок 1.11- Гидравлическая схема уплотнительной пары трения

1. давление жидкостного слоя при Q_р>Q_s
2. давление жидкостного слоя при Q_р= Q_s
3. давление жидкостного слоя при Q_s <Q_р

1.2.10 Технические преимущества ОНТУ

1.2.10 Технические преимущества ОНТУ

 

Теоретические и экспериментальные исследования [9-11, 14] доказывают, что по сравнению с традиционными контактными торцовыми уплотнениями ОНТУ обладают следующими преимуществами:

а) отсутствие жидкофазной или парофазной утечки уплотняемой жидкости и отсутствие загрязнения окружающей среды;

б) реализация повышенной долговечности. Благодаря бесконтактному положению пары трения и отсутствию износа уплотнительных колец теоретическая долговечность службы ОНТУ неограниченна;

в) маленький расход энергии. Расход энергии на трение для ОНТУ меньше одной трети расхода для  контактных ЖКТУ Тем более, количество воды для охлаждения в значительной степени уменьшается;

г) система буферной жидкости проста. Для двойных ЖКТУ нужна система затворной жидкости с целью обеспечения герметичности и надёжности уплотнения, которая не только сложная и дорогая, но и быстрее выходит из строя. Практические результаты показывает, что неисправность системы затворной жидкости часто вызывает отказы двойных ЖКТУ Для ОНТУ система буферной жидкости в значительной степени проста, и буферную жидкость введёт в уплотнительную камеру бес циркуляции и охлаждения, поэтому экономичность насосов повышается;

д) сфера промышленного  использования ОНТУ более широкая, чем ЖКТУ Экспериментальные данные показывают, что теплота от трения для ОНТУ очень мала, и отсутствует перегрев уплотнительных материалов. В связи с этим, ОНТУ могут работать при высоком давлении Р, высокой скорости V или большом значении PV, при которых ЖКТУ не могут функционировать.