Контактные уплотнения

Обобщенная (структурная) схема контактного уплотнения

Рис.3 Структурная схема контактного уплотнения

1 – уплотняющий элемент, предотвращающий перетекание между относительно неподвижными элементами;

2 – скользящий элемент, обеспечивающий относительное перемещение деталей без разгерметизации;

3 – эластичный элемент, сохраняющий герметичность при перемещении скользящего элемента относительно контактной поверхности вала;

4 – упругий элемент, создающий необходимое давление на контактирующих поверхностях скользящего элемента 2 и вала 5.

Сальниковые контактные уплотнения

Рис.4 Сальниковое контактное уплотнение

В паз или проточку корпуса вставляется специальная набивка (сальник), состоящая из основы, антифрикционных материалов и жидкой пропитки. герметичность достигается тем, что сальник 3 за счет поджатия втулкой 1 имеет на валу натяг по поверхности k. величина контактного давления по этой поверхности составляет 0,05 – 0,15 МПа.

Упругий, уплотняющий, эластичный и скользящий элементы – это сам сальник.

Сальник изготавливается скручиванием или сплетением нитей льна, асбеста, джута, фторопласта и некоторых металлов (свинца или меди). Нити пропитываются консистентными смазками, жиром, графитом, дисульфидом молибдена.

Медная или латунная проволока используются в качестве сердечника для придания набивке большей прочности и упругости. Иногда в качестве основы набивки применяют стружку из фторопласта.

Для удовлетворительной работы сальникового уплотнения необходима смазка. Помимо пропитки сальниковой набивки применяют иногда дополнительный подвод смазки с помощью смазывающих устройств. Частично смазка осуществляется за счет проникновения утечек рабочей среды в зону контакта сальника с валом.

Для сальника безразлично, с какой стороны действует высокое давление:

>< .

Применяются при окружных скоростях в зоне контакта и перепадах давления . (5 кг/см²).

Основное достоинство – простота конструкции, малые габариты.

Манжетное контактное уплотнение

Рис.5 Манжетное контактное уплотнение

1 – корпус манжеты; 2 – металлическая арматура (жесткость); 3 – губка манжеты; 4 – прижимное устройство (пружина)

Для манжетного уплотнения необходимо > .

Надежность функционирования манжеты зависит от величины контактного давления по поверхности скольжения, которое определяется натягом губки 3 манжеты и уплотнительной поверхности вала.

Контактное давления создается:

- уплотняемым давлением (> );

- упругими свойствами пружины 4;

- материалом манжеты (на 6 – 8%).

Принципиальным отличием манжетного уплотнения от сальника является участие уплотняемой среды в создании контактного давления.

Манжетные уплотнения применяются при:

- перепаде давления уплотняемой среды МПа, иногда до 1 МПа ( 2- 4 и до 10 кг/см²);

- окружной скорости в зоне трения до м/с;

- температуре до 420К (150^оС).

Более высокие параметры использования манжетных уплотнений получены благодаря разделению функций основных элементов контактного уплотнения между отдельными составляющими манжеты, использованию дополнительных элементов (пружины, арматуры) и возможностей (перепада давления).

Преимуществами манжетного уплотнения являются:

- простота конструкции;

- малые габариты и масса;

- отсутствие жестких требований к точности изготовления;

- легкость монтажа и демонтажа.

Недостаток - ограниченный температурный диапазон и низкая износостойкость.

Нормальная работа манжеты возможна только при наличии пленки жидкости между кромкой манжеты и валом.

Для улучшения условий работы манжеты применяют различные конструктивные мероприятия.

Для нормальной работы манжетного уплотнения контактная поверхность вала должна иметь высокую твердость и чистоту поверхности (микронеровности 0,16 – 0,32 мкм). Материал манжет – синтетические резины специальных марок, фторопласт, капрон и др.

Уплотнение контактными кольцами

Применяют для герметизации маловязких жидкостей и газов. Такие уплотнения можно разделить на два вида:

· с наружной цилиндрической и торцовой рабочими поверхностями (РТКУ);

· с внутренней цилиндрической и торцовой рабочими поверхностями (сегментные).

Рис.6. Схема радиально-торцового контактного уплотнения.

1 – вращающаяся втулка; 2 – разрезные кольца (одно или несколько); 3 – неподвижная цилиндрическая втулка.

Силами упругости, давления и центробежными силами кольца прижимаются к цилиндрической поверхности втулки 3, закрепленной в статоре. Упругость колец подбирается такой, чтобы при вращении вала они оставались неподвижными или слегка проворачивались. Относительно неподвижных колец, прижатых к втулке 3, вращается втулка 1, посаженная на вал.

Кольца прижимаются (> ) к торцам канавок втулки 1, обеспечивая герметичность. Если упругость кольца подобрана правильно, то после длительной работы на его цилиндрической поверхности изнашивание почти не наблюдается, а изнашивается боковая поверхность кольца. Для уменьшения этого явления в кольцах просверливается ряд отверстий 4 диаметром около 1 мм. Через них смазка подводится к трущимся поверхностям. Иногда для увеличения силы прижатия кольца РТКУ к цилиндрической поверхности в конструкцию вводят дополнительные упругие элементы. Это может быть упругое кольцо 1, которое разжимает уплотнительное кольцо 2 (рис.7, а), или выполняющая эту же функцию пружина 3 (рис.7, б).

Рис.7 Дополнительные упругие элементы РТКУ

При недостаточном осевом поджатии кольца РТКУ к втулке вала на кольцо устанавливается дополнительный упругий элемент, создающий усилие в осевом направлении (волнообразная пружина).

Рис.8 РТКУ с осевым поджатием кольца: 1 – волнообразная пружина; 2 – гайка; 3 – промежуточное графитовое кольцо; 4 – кольцо РТКУ; 5 – втулка вала.

Для уменьшения трения стальной пружины 1 о гайку 2 между ними устанавливается графитовое кольцо 3.

Сегментные уплотнения

Собираются из 3 – 6 сегментов, стягиваемых браслетной пружиной 1. Используется не одно кольцо, а набор колец, установленных во втулки 2 и смещенных по месту стыка в окружном направлении относительно друг друга. Браслетная пружина закреплена штифтом 3, который одновременно фиксирует кольцо от проворота и передает крутящий момент на корпус.

Рис.9 Схема сегментного уплотнения контактными кольцами

Перепадом давления (> ) сегментные кольца прижаты боковыми поверхностями к втулкам 2. Для обеспечения нормальной работы уплотнения зазор h выполняется равным 0,05 – 0,15 мм.

По мере изнашивания внутренней цилиндрической поверхности сегментных колец зазор =0,1 – 0,15 мм уменьшается, обеспечивая постоянный контакт между кольцами и валом.

Рис.10 Сегментное уплотнение с дополнительным осевым поджатием кольца: 1 – пружина, 2 – графитовое кольцо; 3 – втулка.

В некоторых конструкциях для дополнительного осевого поджатия кольца используется упругий элемент.

При проектировании уплотнений контактными кольцами значения среднего удельного давления в торцовой и радиальной парах трения подбирают такими, чтобы в процессе работы кольца были неподвижны или слегка проворачивались.

Для обеспечения высокой герметичности рабочие поверхности колец тщательно обрабатывают: высота микронеровностей не более 0,32 мкм.

Преимущества уплотнений контактными кольцами:

· малые габариты и масса;

· способность работать при больших взаимных осевых перемещениях вала и корпуса;

· работают при давлении до 1 МПа;

· работают при высоких температурах (до 850 К).

Окружные скорости в зоне трения до 100 м/с.

Недостатки:

возможность утечек, связанных с наличием двух рабочих поверхностей и зазоров в кольцах РТКУ и между сегментами.

Материалы контактных колец:

- чугун;

- бронза;

- углеграфит;

- меднографит;

- высокотемпературный графит;

- пиролетический графит.

Торцовые контактные уплотнения (ТКУ)

Рис.11 Схема торцового уплотнения: 1 – вращающийся вал; 2 – вращающееся кольцо; 3 – невращающееся кольцо; 4 – уплотняющие элементы; 5 – корпус; 6 – упругий элемент.

Конструктивные схемы ТКУ разнообразны. Это обусловлено постоянным совершенствованием конструкций и многообразными условиями эксплуатации. Вращающийся вал 1 связан с кольцом 2, которое прижимается к невращающемуся кольцу 3, соединенному с корпусом 5. Кольца 2 и3 образуют пару трения (скользящий элемент на рис.3). Зазор между ними определяет величину утечки рабочего тела, находящегося под давлением , во внешнюю среду с давлением , или наоборот. Элементы 4, предотвращающие утечки рабочего тела между корпусом 5 уплотнения и кольцом 2 (уплотняющий элемент 1 на рис.3), называются вторичными уплотнениями (прокладки, кольца, манжеты, сильфоны и т.д.). Вторичное уплотнение 4 между корпусом 5 и невращающимся кольцом 3 играет роль эластичного элемента 3 (рис.3). Связь 6, называемая упругим элементом (элемент 4 на рис.5), обеспечивает прилегание колец 2 и 3 друг к другу (пружина, мембрана, сильфон). Кольцо 3 фиксируется от проворота при помощи шпонок, штифтов, шлицев.

Особенностью ТКУ (как и манжетного уплотнения) является выполнение функции упругого элемента давлением уплотняемой среды. Все элементы ТКУ разделены, поэтому возможности такого уплотнения шире по сравнению с другими типами КУ,

ТКУ работают при перепаде давлений до 4 МПа, скорости скольжения в зоне трения до 100 м/с, температуре до 1500К.

Преимущества:

· обеспечение практически нулевой утечки;

· эксплуатируются в период нормальной работы без обслуживания;

· сравнительно малые потери мощности на трение (в 5 – 10 раз меньше, чем в сальниках);

· работоспособны при осевом перемещении вала;

· обеспечивают герметичность при невращающемся вале.

Недостатки ТКУ:

· сложность изготовления;

· сравнительно высокая стоимость;

· трудность замены ввиду необходимости частичной разборки агрегата;

· особые требования к подбору материалов пар трения и к точности их изготовления.

Рис.12 Типы упругих элементов ТКУ

Упругими элементами могут быть:

- пружина – одна (поз 1 на рис.12, а) или несколько (поз.1 на рис.12, б). Наличие нескольких пружин создает более равномерное усилие прижатия, но усложняет сборку уплотнения;

- мембраны 1 (рис.12, в). Применение мембран сокращает осевые габариты уплотнения, но ограничивает осевое перемещение невращающегося кольца. Кроме того, у них большая жесткость;

- сильфоны – цельнотянутые (поз.1 на рис.12, г) и сварные.

Вторичные уплотнения могут иметь различную конструкцию – резиновые кольца круглого сечения, манжеты, разрезные поршневые кольца, сильфоны и мембраны.

Герметичность ТКУ зависит в основном от точности изготовления рабочих поверхностей. Существующие требования к точности изготовления прилегающих поверхностей очень жесткие. Они ограничивают отклонения от плоскости в пределах 0,3 – 0,6 мкм независимо от характера этих отклонений (конусность, завалы рабочих кромок и другие дефекты).

Один из сложных технологических вопросов в ТКУ – крепление углеграфитового кольца к металлической втулке. Применяют:

- клеевое соединение;

- пайка;

- запрессовка графитового кольца во втулку.

Рис.13 Пример конструкции ТКУ: 1- вал ротора; 2 – вращающаяся стальная втулка (необходимо охлаждать маслом); 3 – направляющий штифт; 4 – стальная втулка; 5 – кольца уплотнительные; 6 – уплотнительное графитовое кольцо; 7 – осевая пружина.

Основные требования, которые необходимо учитывать при конструировании ТКУ:

· для пары трения выбирают материалы, способные работать с небольшим коэффициентом трения в заданных условиях;

· теплопроводность материалов для пары трения должна быть как можно выше, а коэффициент теплового расширения – минимальным;

· необходимо обеспечить минимальную скорость трения в паре и максимальный теплоотвод от ТКУ;

· ширина кольца элемента пары из более твердого материала должна быть несколько больше ширины кольца другого элемента, чтобы не было врезания твердого материала в мягкий и его выкрашивания в углах;

· ТКУ следует конструировать так, чтобы центробежные силы, действующие на слой жидкости в паре трения, препятствовали протеканию жидкости через щель. При такой конструкции уплотнения частицы грязи и продукты износа, обычно находящиеся в любой жидкости и имеющие абразивные свойства, сепарируются в результате закрутки жидкости в зазоре между уплотнением и корпусом. Частицы отбрасываются от стыка пары трения, которая работает с меньшим износом;

· детали ТКУ должны быть достаточно легкими и жесткими, иметь простейшую форму, причем необходимо обеспечить равномерную по окружности жесткость, так как в противном случае несимметричность деформации может привести к увеличению утечки через уплотнение;

· при конструировании ТКУ необходимо стремиться уменьшить возможную величину перекосов.

Для контактных уплотнений повышение их надежности обеспечивается:

- охлаждением деталей уплотнения и их теплоизоляцией;

- подбором геометрии деталей уплотнения, обеспечивающей минимальные силовые и температурные их деформации;

- разгрузка вращающихся деталей уплотнения от усилий, действующих на ротор;

- подбор материалов пар трения, работоспособных при заданных условиях;

- демпфирование опасной вибрации деталей уплотнения;

- защитой уплотнений от действия абразивных частиц;

- смазка контактирующих поверхностей.

Бесконтактные уплотнения

Щелевые уплотнения являются самыми простыми бесконтактными уплотнениями.

Два типа:

- щелевые уплотнения с фиксированной гладкой стенкой;

- лабиринтные.

Конструктивная схема щелевого уплотнения с фиксированной гладкой стенкой представлена на рис.14. Для краткости такое уплотнение часто называют щелевым.

Рис.14 Конструктивная схема щелевого уплотнения с фиксированной гладкой стенкой

Между роторной деталью 1 и элементом2 статора, имеющими радиусы соответственно и , устанавливается радиальный зазор (щель) . Ограничение утечек в щелевых уплотнениях основано на использовании эффекта гидравлического сопротивления щели (для жидкости) и дросселирования газа.

Особенностью щелевого уплотнения с гладкой стенкой является то, что величина утечки через него не зависит от знака перепада давления на щели, т.е. >< , а определяется геометрическими характеристиками самого уплотнения, физическими свойствами уплотняемой среды, величиной перепада давления и скорость вращения вала. Кроме этого, на расход такого уплотнения оказывает влияние шероховатость его поверхностей.

Щелевые уплотнения практически не имеют ограничений по окружной скорости и работоспособны при перепаде давления до 30 МПа.

Минимальная величина радиального зазора определяется технологией изготовления, радиальным перемещением ротора при колебаниях и применяемыми демпферами в опорах, уровнем и темпом прогрева статорных и роторных деталей, их жесткостью, статической и динамической нагруженностью.

Лабиринтные уплотнения

Конструктивная схема

Для уменьшения утечек газа применяют лабиринтные уплотнения, в которых определяющее значение имеют местные сопротивления, а не потери на трение. Эти уплотнения состоят из ряда последовательно расположенных гребней и кольцевых полостей (камер).

Сущность процесса, происходящего в лабиринтном уплотнении, состоит в многократном дросселировании газа, протекающего через каналы с резкоменяющимися проходными сечениями, а следовательно, при значительных гидравлических сопротивлениях.

Газ, разгоняясь в узком сечении с зазором , при внезапном расширении в полости за гребнем (в камере) теряет кинетическую энергию, и она преобразуется во внутреннюю энергию потока. Значит, полное давление не восстанавливается и процесс течения газа через лабиринтное уплотнение является процессом течения газа через дроссельное сопротивление, но не под общим перепадом давления, а под меньшим. Таким образом, сопротивление течению газа в лабиринтном уплотнении создается при движении в зазорах, образованных валом и гребнями, движении в камерах вследствие расширения и турбулентного перемешивания потока, а также, главным образом, при внезапном расширении газового потока.

Наиболее распространенные конфигурации камер и гребней приведены на рис.15.

Рис.15 Конструктивные схемы лабиринтных уплотнений

Схема лабиринта с прямым гребнем (рис.15, а) самая простая. Лабиринт с наклонными гребнями (рис.15, б) более эффективен, чем прямой, но менее технологичен. В нем могут возникнуть ударные нагрузки из-за несбалансированных сил давления. Конструкция, изображенная на рис.15, в, является еще более эффективной. Но она требует большей точности изготовления и наличия разборного корпуса лабиринта. Наконец, наиболее эффективным, однако более сложным, трудоемким в изготовлении и дорогим является ступенчатое лабиринтное уплотнение (рис.15, г).

Гребешки следует нарезать на вращающихся деталях, так как в случае касания ими неподвижной детали образующиеся риски не окажут заметного влияния на её сопротивление усталости. Наличие же рисок на вращающейся детали приведет к резкому снижению сопротивления усталости.

Эффективность лабиринтного уплотнения определяется расходом перетекающего газа. Приближенное уравнение имеет вид:

, (9.1)

где - число гребней;

, - плотность и давление газа перед уплотнением;

- давление газа за уплотнением;

- коэффициент, зависящий от типа лабиринтного уплотнения (см. табл.1).

Таблица 1

Тип уплотнения согласно рис.15	Коэффициент
а	0,15
б	0,2
в	0,48
г	0,58

Обычно принимают шаг гребней , а их высоту (она слабо влияет на коэффициент расхода). Кромки гребней должны выполнятся острыми. Радиус заострения кромок должен быть порядка 0,05 мм. Толщину гребня выбирают минимально возможной. Обычно =0,2 – 0,3 мм.

Из уравнения (9.1) видно, что с увеличением числа гребней утечки уменьшаются. Однако с возрастанием количества гребней их влияние на утечки также уменьшается, поэтому =3 – 9. Зазор выбирают из конструктивных соображений. Он должен гарантировать отсутствие автоколебаний в лабиринтах и полостях, ограниченных ими, а также работу без задевания деталей при нагреве и прогибах вала. В авиационных ГТД =0,1 – 1,5 мм.

Требования к материалам деталей лабиринтных и щелевых уплотнений:

- химическая, коррозионная и эрозионная стойкость;

- близкие значения коэффициентов линейного расширения;

- обеспечение стабильности геометрических размеров деталей;

- возможность получения высокой точности и чистоты обработки рабочих поверхностей;

- пожаробезопасность, стойкость к образованию задиров;

- малый коэффициент трения в случае контакта роторной и статорной деталей.

В основном этим требованиям удовлетворяют хромистые коррозионо-стойкие стали 30Х13, 40Ч13, 20Ч17Н2, 07Ч16Н9 с соответствующим упрочнением рабочей поверхности.

Для предотвращения эрозии поверхностей, а также уменьшения тепловыделения при возможном контакте роторной и статорной деталей уплотнения на их поверхности наносят срабатываемые покрытия или делают вставки из мягкого материала.

Применение «мягких» или срабатываемых вставок в деталях дает возможность эксплуатировать уплотнение практически при нулевом радиальном зазоре . Эти вставки представляют собой покрытия, наносимые на статор либо кистью, либо методом плазменного напыления. В зависимости от температуры газа материалы покрытия могут быть различными.

Таблица 2

Некоторые материалы, используемые в качестве срабатываемых вставок

При температуре, превышающей 1000К, применяют сотовое уплотнение (см. рис.16). Оно изготавливается из стальной фольги толщиной 0,05 – 0,2 мм пайкой, например припоем ВПр-11 или травлением методом ЭХО. Сотовое уплотнение допускает врезание гребня лабиринта на глубину до 1 мм. В отличие от покрытий, наносимых кистью и напылением, соты не восстанавливаются при ремонте уплотнения.

Рис.16 Сотовое лабиринтное уплотнение

Рис.17 Врезание гребешков лабиринта в сотовое уплотнение

Щеточные уплотнения

Представляют собой пучки проволоки из очень твердого сплава (например, на основе кобальта). Гибкость полученного пучка проволочек является главным достоинством ЩУ и позволяет ему обеспечивать минимальный зазор и минимальные утечки на всех режимах работы.

Постоянный контакт и стабильно минимальные утечки дают ЩУ значительное преимущество в 20% утечки по сравнению с лабиринтным уплотнением. Диаметр проволоки 0,025 – 0,1 мм.

Рис.18 Щеточное двухрядное уплотнение

Окружная скорость до 400 м/с, температура до 1000К, перепад давления 1,2 Мпа на ряд щеток, ресурс до 10 000 ч.

РТКУ с подъемными площадками

Торцовые гидростатические уплотнения сочетают в себе преимущества щелевых или лабиринтных уплотнений (отсутствие непосредственного контакта элементов) и контактного уплотнения (малые утечки). В них устранен контакт уплотнительных поверхностей во время работы и уменьшены энергетические потери на трение и тепловыделение. При отсутствии вращения ротора эти поверхности находятся в плотном контакте, исключающем утечки.

Торцовые гидростатические уплотнения предотвращают возможность загрязнения и нарушения нормальной работы соседнего узла продуктами изнашивания, химического или электрического взаимодействия контактирующих пар.

Уплотнительный эффект в ГСУ создается за счет разделения двух сред тонким (5 – 30 мкм) слоем смазки, находящейся между двумя рабочими поверхностями т создающей дополнительное усилие, препятствующее непосредственному контакту уплотнительных элементов и в то же время предотвращающей перетекание уплотняемой жидкости или газа. Это обеспечивается специальным профилированием уплотняемых поверхностей. Для ГСУ практически нет ограничения по окружной скорости (в диапазоне существующих и перспективных частот вращения роторов ГТД).

На рис.19 представлено сравнение различных типов уплотнений системы смазки авиационного ГТД, ротор которого вращается с частотой 520 об/мин.

Рис.19 Сравнение различных типов уплотнений системы авиационного ГТД

Расход воздуха через уплотнение не должен превышать 0,012 кг/с. При таком расходе лабиринтные уплотнения или уплотнения с плавающими и сегментными кольцами могут работать при перепаде давления не более 0,4 МПа (зона 1 на рис.19). ТКУ – при перепаде до 0,85 МПа (зона 2), а ГСУ (исследовались торцовые ГСУ) – при практически неограниченном перепаде давления (зона 3).

ГСУ позволяют осуществить герметизацию в течение длительного времени в жестких условиях, в которых нельзя рассчитывать на контактные или лабиринтные уплотнения.

К недостатком ГСУ относится сложность их изготовления и высокая стоимость.

Рис.20 Принципиальная схема ТГСУ

Торцевое гидростатическое уплотнение имеет рабочие кольца 1 и 2 (пара трения), которые находятся на расстоянии друг от друга за счет подачи разделительной жидкости (или газа) в гидростатическую камеру . Слой жидкости (или газа) в зазоре является смазкой пары трения. Эта смазочная пленка создается благодаря наличию двух дросселирующих элементов:

- канал на входе в камеру ;

- торцовая щель шириной .

При работе уплотнения под действием внешних нагрузок, например при увеличении осевых сил, смыкающих пару трения, уменьшается зазор . Это приводит к увеличению гидравлического сопротивления выходного дросселя и увеличению давления в камере , т.е. гидростатической силы, препятствующей уменьшению зазора и контакту колец 1 и 2. В приведенной схеме .

ТГСУ имеют много конструктивных типов, обусловленных многообразными условиями эксплуатации и постоянным совершенствованием их конструкций. В ряде схем для разделения контактирующих поверхностей используется давление уплотняемой среды. В качестве примера рассмотрим ТГСУ с подъемными площадками (камерами Рэлея). Эти камеры обеспечивают дополнительную гидродинамическую опору для торца уплотнения. Такое уплотнение имеет секторные камеры 1 глубиной =20 – 25 мкм, к которым по более глубоким каналам 2 (до 1 мм) подводится высокое давление.

Наличие отдельных камер обеспечивает большую жесткость рабочей пленки при перекосах пары трения. Для обеспечения стабильности характеристик уплотнения необходимо точное изготовление каждой камеры, что сложно.

Рис.21 ТГСУ с п подъемными площадками - камеры Рэлея