Торцевые уплотнения вала: назначение, виды и особенности работы

Центробежные насосы с валом через корпус не обеспечивают полной герметичности, что требует минимизации утечек жидкости из рабочей зоны насоса. В таких конструкциях обязательно применяется уплотнение вала, которое служит барьером между внутренней частью насоса и внешней атмосферой

Существует множество видов уплотнений вала, учитывающих различные типы насосов и необходимость адаптации решений к конкретным эксплуатационным условиям. Чаще всего уплотнение включает вращающийся и неподвижный элементы. При правильной установке насоса и соблюдении всех норм эксплуатации вращающаяся часть движется по очень тонкой смазочной пленке толщиной всего 0,00025 мм. При утолщении этой плёнки возможны утечки, а при её чрезмерном истончении возрастает трение, что приведет к перегреву и износу контактных поверхностей, а также нарушению герметичности

Сальниковое уплотнение

Выполнено с использованием плетеной набивки, представляет собой один из самых простых типов уплотнений вала. Оно размещается между валом и корпусом насоса. В этом уплотнении мягкое кольцо-прокладка сжимается вдоль оси до тех пор, пока не соприкоснется с валом. В случае небольшого износа набивки, сальниковое уплотнение необходимо сжать, чтобы предотвратить утечки. Ошибки в выравнивании компонентов и вибрации могут вызвать протечку, что необходимо учитывать при эксплуатации

Манжетное уплотнение

Состоит из резинового кольца, которое плотно прилегает к валу. Этот тип уплотнения используется при малых перепадах давления и низкой скорости вращения. Манжетное уплотнение представляет собой простое, но эффективное решение, которое работает в этих эксплуатационных условиях

Торцевое уплотнение

Состоит из двух частей: вращающейся и неподвижной. Вращающаяся часть прижимается к неподвижной в осевом направлении. Такое уплотнение идеально подходит для высоконагруженных систем, где требуется высокая герметичность и долговечность

Можно рассматривать как своего рода дроссель, установленный на валу. Его основная задача — минимизировать вероятность утечек из рабочей камеры насоса. Для достижения максимальной герметичности зазор между неподвижной и вращающейся частями уплотнения должен быть как можно меньше, что существенно снижает риск утечек

С двумя соосными поверхностями

Для создания уплотнения с минимальным зазором и минимальными утечками оптимальным решением является прижатие двух соосных поверхностей друг к другу. Эти поверхности могут быть выполнены в виде ступенчатого вала, который плотно прилегает к корпусу насоса. Очень важно, чтобы как вал, так и корпус насоса имели высокую износостойкость и были точно выровнены, что способствует эффективной работе уплотнения

С вращающимся кольцом и неподвижным «седлом»

Еще одним распространенным решением является установка вращающегося уплотнительного кольца на вал и неподвижного кольца, называемого «седлом», в корпус насоса. Такая конструкция позволяет использовать различные материалы для вращающихся и неподвижных частей уплотнения, в зависимости от условий эксплуатации. Зазор между этими частями называется зазором уплотнения, и он играет ключевую роль в предотвращении утечек

Вторичные уплотнения в составе торцевого уплотнения

Для предотвращения утечек между валом и вращающимся кольцом, а также между неподвижным «седлом» и корпусом насоса, используются вторичные уплотнения. Это могут быть кольцевые уплотнения или компенсаторы, которые обеспечивают дополнительную герметичность. Для минимизации утечек важно, чтобы вращающееся уплотнительное кольцо плотно прилегало к «седлу», что обеспечивается с помощью осевой подвижности вторичных уплотнений, таких как компенсаторы или кольцевые уплотнения, которые скользят по валу

Дополнительными составными элементами являются корпус передачи крутящего момента и пружина. Корпус уплотнения служит для удержания всех элементов конструкции на своих местах и защиты от внешних воздействий, а пружина — ключевой элемент уплотнительного механизма, обеспечивая постоянное давление контактных поверхностей

Пружина в составе торцевого уплотнения

Вращающаяся пружина прижимает вращающуюся часть уплотнения к «седлу», а также прижимает вращающееся уплотнительное кольцо к валу, обеспечивая высокую степень герметичности

Корпус передачи крутящего момента

Выполняет важную роль, обеспечивая вращение вращающейся части уплотнения вместе с валом. Это гарантирует бесперебойную работу всей системы уплотнений и повышает их долговечность

Выбор материала уплотнительных поверхностей играет ключевую роль в обеспечении надежности и долговечности торцевого уплотнения. Из-за минимального зазора между элементами смазочная пленка получается очень тонкой, а значит, материалы должны выдерживать высокие механические нагрузки и интенсивное трение. Для эффективной работы они должны обладать низким коэффициентом трения, повышенной твердостью, стойкостью к коррозии и высокой теплопроводностью

В данном материале рассмотрим механизм образования смазочной пленки в зазоре торцевого сильфонного уплотнения вала с жидкой смазкой. Эта конструкция отличается высокой надежностью благодаря продуманной работе всех компонентов

Давление насоса соответствует давлению, создаваемому в камере уплотнения. Линейное снижение давления в зазоре уплотнения называют гидростатическим давлением, которое играет ключевую роль в работе уплотнения

Гидродинамическое и гидростатическое давление. Во время работы насоса давление в смазочной пленке постепенно увеличивается. Этот процесс можно сравнить с поведением автомобиля, скользящего по мокрой дороге. Такое давление называют гидродинамическим давлением, которое возникает в зазоре уплотнения. Сочетание гидродинамического и гидростатического давления обеспечивает равномерное распределение сил в зазоре, что минимизирует износ и утечки

Размыкающее и замыкающее усилие. Размыкающее усилие, обозначенное красными стрелками, возникает под воздействием давления в зазоре уплотнения. Для эффективной работы системы смазка должна создавать полную жидкую пленку. Это возможно только при достаточном уровне давления, который компенсирует замыкающее усилие уплотнения. Такая балансировка усилий обеспечивает надежную герметичность и продлевает срок службы уплотнения

рис.4 В состоянии простояимеет место только прямой контакт между поверхностями уплотнения

рис.5 Размыкающее усилие, возникающее из распределения гидростатического давления

рис.6 Размыкающее усилие, возникающее из распределения комбинированного гидростатического и гидродинамического давления

Исходные данные типа A

• Диаметр вала, Ds = 16 мм
• Скользящая поверхность уплотнения, внутренний диаметр, Di = 17 мм
• Скользящая поверхность уплотнения, наружный диаметр, Do = 22 мм
• Сила сжатия пружины, Fs = 45 Н

Исходные данные типа H

• Диаметр вала, = 16 мм
• Диаметр муфты, Ds = 17,1 мм
• Скользящая поверхность уплотнения, внутренний диаметр, Di = 17 мм
• Скользящая поверхность уплотнения, наружный диаметр, Do = 22 мм
• Сила сжатия пружины, Fs = 45 Н

В приведенных примерах, где площади поверхностей скольжения и силы сжатия пружины одинаковы, замыкающее усилие было уменьшено с 224 Н до 195 Н за счет снижения коэффициента балансировки с k = 1,17 до k = 0,98. Меньшее замыкающее усилие способствует снижению износа поверхностей скольжения, что улучшает смазку. Однако в результате этого также наблюдается увеличение степени утечки

Смазочная пленка, формирующаяся в зазоре уплотнения во время работы насоса, способствует тому, что часть перекачиваемой среды может просачиваться в сторону атмосферы. Если торцевое уплотнение работает корректно и жидкость не просачивается, это свидетельствует о том, что смазочная пленка испарилась под воздействием тепла, что привело к снижению давления в зазоре уплотнения. В таком случае жидкость не проходит через уплотнение

Следует отметить, что вода может испаряться при температурах ниже 100 °C, если окружающая атмосфера не насыщена парами. Примером является сушка одежды на бельевой веревке на улице

Скорость утечки торцевого уплотнения вала с жидкой смазкой и параллельными уплотнительными поверхностями, происходящая через зазор уплотнения, определяется по следующей формуле утечки:

Скорость утечки Q определяется средним радиусом Rm, ширины поверхности скольжения b, перепада давлений Δp и, в значительной степени, от высоты зазора h. Особенно важно учитывать, что удвоение высоты зазора приводит к увеличению утечки в восемь раз при неизменных остальных параметрах

Согласно формуле, уменьшение утечки возможно при увеличении вязкости η\eta. Однако при росте вязкости увеличивается толщина смазочной пленки, что может привести к расширению зазора уплотнения и, как следствие, к увеличению утечек. Зависимость между вязкостью и высотой зазора не является линейной, поэтому предсказать, снизится или возрастет скорость утечки при изменении вязкости, достаточно сложно

Чистота и соосность контактных поверхностей также существенно влияют на высоту зазора и уровень утечек. Гидродинамическое давление увеличивается при возрастании скорости вращения, что может привести к расширению зазора и, соответственно, увеличению скорости утечки

Высота зазора между поверхностями скольжения в 0,2 мкм является типичным значением для торцевых уплотнений, работающих в воде. Это требует, чтобы поверхности уплотнения были предельно гладкими и ровными, обеспечивая стабильную работу и минимальные потери жидкости

В процессе эксплуатации поверхности торцевых уплотнений могут подвергаться деформациям из-за воздействия температурных и давленческих перепадов. Одним из наиболее распространенных видов таких изменений является образование скошенной поверхности. При этом гидростатическое давление внутри зазора перестает линейно снижаться от уровня давления со стороны насоса к уровню атмосферного давления. В подобных условиях стандартные формулы расчета скорости утечек становятся неприменимыми

Общая картина распределения давления внутри зазора формируется как результат взаимодействия гидростатического и гидродинамического компонентов. Такие процессы требуют детального анализа, особенно при необходимости точного прогнозирования утечек и оптимизации работы уплотнения

Недостаточное образование или полное отсутствие смазочной пленки нередко становится причиной повреждений уплотнительных поверхностей. Испарение жидкости внутри зазора происходит тогда, когда давление в этом пространстве оказывается ниже давления насыщенных паров перекачиваемой среды. Трение уплотнительных поверхностей вызывает выделение тепла, которое приводит к нагреву жидкости и повышению давления её паров. Это изменение смещает точку начала испарения ближе к зоне перекачиваемой среды

При испарении смазочной пленки в зазоре уплотнения растворенные твердые вещества оседают на уплотнительных поверхностях. Если толщина этих отложений превышает допустимую толщину смазочной пленки, это может привести к утечкам. В случае образования твердых отложений на одной из уплотнительных поверхностей могут появиться следы износа. При наличии мягких или липких отложений их накопление может привести к размыканию поверхностей уплотнения, что также увеличивает риск утечек

Используются для предотвращения утечек рабочих жидкостей и обеспечения надежной герметизации в различных промышленных системах. Они подразделяются на несколько типов в зависимости от конструкции, способа работы и области применения

Некоторые из описанных выше типов уплотнений вала могут быть интегрированы в состав сложных систем уплотнения, а также использоваться в сдвоенных уплотнениях. Такие системы предусматривают применение двух уплотнений, расположенных последовательно или параллельно, что обеспечивает дополнительную защиту и надежность

В некоторых случаях требуется охлаждение поверхностей уплотнения одинарных торцевых уплотнений вала или удаление отложений, образующихся в камере уплотнения. Для решения этой задачи может использоваться промывочная трубка, устанавливаемая между напорной стороной насоса и камерой уплотнения

Охлаждающая жидкость, циркулируя через камеру уплотнения, возвращается обратно в поток перекачиваемой среды. Это способствует поддержанию оптимальной температуры и обеспечивает эффективное удаление возможных отложений, улучшая общее состояние уплотнения

Для подобных систем достаточно использовать трубку с диаметром Ø10/Ø8, которая обеспечивает необходимую циркуляцию жидкости и надежную работу уплотнения. Такой подход помогает продлить срок службы уплотнений и повысить надежность насосного оборудования

Конструкция насоса может включать внутреннюю циркуляцию между напорной стороной и камерой уплотнения, что позволяет достичь тех же эффектов. Этот подход обеспечивает охлаждение уплотнительных поверхностей и удаление отложений, улучшая циркуляцию жидкости внутри камеры уплотнения и повышая надежность работы оборудования

Для обеспечения надежной работы давление затворной жидкости должно быть как минимум на 2 бара или на 10% выше давления рабочей среды в зоне уплотнения. Помимо этого, затворная жидкость, будучи чистой и находясь под высоким давлением, выполняет роль смазки для всех контактных поверхностей уплотнения, способствуя их охлаждению и снижению износа

Для уплотнений, расположенных по схеме "back-to-back", в качестве затворной жидкости чаще всего применяются вода или водно-глицериновые смеси. Эти жидкости безопасны, нетоксичны и совместимы с большинством типов перекачиваемых сред. Важно, чтобы затворная жидкость не вступала в химическую реакцию с рабочей жидкостью

Для обеспечения избыточного давления затворной жидкости относительно давления перекачиваемой среды могут использоваться различные источники давления

Используется сосуд с жидкостью под давлением, на 10% или 2 бар превышающим давление в перекачиваемой жидкости

Преимущества

Компенсация утечек

Охлаждение уплотнения благодаря естественной конвекции или принудительной циркуляции

Контроль давления в затворной жидкости

Возможность сигнализации при низком или высоком уровне затворной жидкости

Заправка затворной жидкости без потери давления в системе

Поддержание давления затворной жидкости за счет подачи воздуха под постоянным давлением

Мониторинг температуры и уровня жидкости

Альтернативным способом поддержания стабильного давления в камере уплотнения является использование дозирующего насоса. Такой насос автоматически регулирует и поддерживает заданный уровень избыточного давления. Этот метод особенно эффективен для тупиковых систем, где требуется только обеспечение охлаждения камеры уплотнения

Напорный гидроусилитель автоматически создает давление, которое превышает давление перекачиваемой жидкости на 2 бара, независимо от его текущего уровня. Система самостоятельно поддерживает избыточное давление до полного опустошения резервуара. Для работы гидроусилителя требуется цикличный режим с периодическими перерывами для его дозаправки

Система представляет собой камеру уплотнения, в которой установлены два торцевых уплотнения, расположенные последовательно (схема «tandem»). Промывочная жидкость, находящаяся между уплотнениями, имеет более низкое давление по сравнению с давлением перекачиваемой среды. Такое решение предоставляет следующие преимущества для уплотнения со стороны продукта:

• Отсутствие испарения в зазоре уплотнения – это предотвращает образование отложений и кристаллизацию, вызванную воздействием промывочной жидкости
• Смазка и охлаждение – промывочная жидкость обеспечивает смазку и охлаждение даже при работе насоса всухую или в условиях пониженного давления

Такой подход позволяет продлить срок службы уплотнений и улучшить их эксплуатационные характеристики

Существует несколько вариантов подачи промывочной жидкости из напорного резервуара в камеру уплотнения

Уплотнения вала, предназначенные для использования в насосах, работающих в стерильных и санитарно-гигиенических условиях, предъявляют особые требования, значительно отличающиеся от стандартных решений. Важным условием является их соответствие установленным нормам и стандартам

Материалы, из которых изготовлены такие уплотнения, должны соответствовать строгим требованиям, обеспечивая возможность тщательной очистки, устойчивость к воздействию перекачиваемой среды, а также стерилизацию без необходимости разборки. Низкая шероховатость и электрополировка обязательны для деталей, находящихся в контакте с рабочей средой. На рисунке такие элементы обозначены желтым цветом

Особое внимание следует уделить компонентам из эластомеров. Эти детали должны сохранять устойчивость к химическим воздействиям перекачиваемых сред и выдерживать высокие температуры, возникающие при очистке. Основная цель этих требований — обеспечить полную очистку всех поверхностей уплотнения, находящихся в контакте с жидкостью, и гарантировать их соответствие санитарным нормам

При перекачивании чистых жидкостей с высокими температурами, таких как горячая вода или нагретое масло, может быть целесообразно увеличить длину насоса. Это позволяет разместить под камерой уплотнения воздушную камеру. Такое расположение отодвигает стандартное уплотнение вала от горячей перекачиваемой среды, что способствует формированию стабильной смазочной пленки в зазоре уплотнения

Обмен жидкости между насосной частью и камерой уплотнения сведен к минимуму благодаря наличию дросселя вокруг вала. Это решение обеспечивает дополнительную защиту уплотнения и способствует его долговечной и надежной работе даже при экстремальных температурах

При подборе торцевого уплотнения вала необходимо учитывать следующие параметры:

Диаметр вала

Тип перекачиваемой жидкости

Температурный режим в зоне уплотнения

Давление в области уплотнения

Скорость вращения вала

При выборе материала для поверхностей уплотнения вала, помимо основных параметров, следует учитывать содержание абразивных частиц и примесей в перекачиваемой жидкости. Важную роль играет объем доступного пространства для установки уплотнения, особенно в случаях с ограниченным монтажным местом

Кроме того, необходимо учитывать риск скопления разрушающих частиц со стороны окружающей среды, что может привести к преждевременному износу уплотнения. Также важны характеристики самой жидкости, такие как степень токсичности, взрывоопасность и возможное влияние на здоровье. Эти факторы напрямую влияют на выбор конструкции и материалов уплотнения, обеспечивая его надежность и долговечность в эксплуатации

Выводы обзора