Торцевые уплотнения

Общая информация.

Рисунок 1. Торцевое уплотнение.

Конструктивная особенность торцевого уплотнения состоит в том, что при плотном прижатии по торцевым плоскостям двух деталей (неподвижной части и вращающейся) удается достичь полной герметичности. Пара трения, которая выполняет роль самого главного уплотнительного элемента, производится из специальных материалов, имеющих высокое качество обработки торцевых поверхностей трения, за счет чего достигается максимальная герметичность. Этот тип уплотнения используется для герметизации машин с быстровращающимся валом, таких как валы насосов, различных химических аппаратов, компрессоров, мешалок, реакторов и т.д. Данный вид уплотнений используют в этом оборудовании потому что другие типы уплотнений не обеспечивают надежный уровень герметичности и они не так эффективны, особенно если речь идет о герметизации ядовитых или агрессивных сред.

Справка:

Обычно для того, чтобы герметизировать узлы и агрегаты вида корпус-вал применяли сальники (рисунок 2).

Рисунок 2. Сальниковый узел, его конструкция.

Несмотря на простоту конструкции сальникового узла, он имеет существенные недостатки:

- при использовании в агрессивных средах, срок службы набивки уменьшается;

- происходит износ либо рубашки вала, либо самого вала (смотря какая конструкция);

- высокое трение (вследствие постоянного вращения с высокой скоростью вала, возникает повышенное трение, из-за чего нагревается сальниковый узел, это ведёт к тому что трение становиться ещё больше. Уменьшить нагрев можно путём понижения температуры сальникового узла, например используя специальную систему охлаждения (что приведет к увеличению стоимости узла) или можно использовать герметизируемую среду (но этот вариант недопустим если перекачиваемая среда агрессивная либо ядовитая);

- необходимо постоянно менять сальниковую набивку и подтягивать сальниковый узел, что приводит к лишним затратам на обслуживание производственного оборудования и тем самым снижению эффективности работы всей технологической схемы.

В торцевых уплотнениях все эти недостатки отсутствуют, и хотя конструкция становится более сложной, а герметизирующий узел более дорогим, применение торцевых уплотнений в большинстве случаев оправдано.

Конструкция торцевого уплотнения.

На рисунке 3 представлена конструкция торцевого уплотнения.

Рисунок 3. Простейщее торцевое уплотнение.

Наглядно увидеть три уплотнения контура, два из которых являются вспомогательными, вы можете на рисунке 3. Первый контур является уплотнением неподвижного кольца торцевого уплотнения, которое жёстко закреплено в корпусе и выполнено из набивки или прокладки круглого или прямоугольного сечения. Второй является уплотнением подвижного кольца торцевого уплотнения, оно имеет возможность поступательного движения (под воздействием пружины) параллельно оси вала, это служит для создания необходимого для герметизации давления на неподвижное кольцо. Представленное уплотнение выполняется также из уплотнительных колец, манжет или набивки, так как в паре вал – подвижное уплотнительное кольцо, бывают только незначительные осевые перемещения. А третий контур – само торцевое уплотнение, в нем герметичность обеспечивается посредством плотного контакта торцевых поверхностей подвижного и неподвижного колец. В этом соединении герметичность реально достичь только при наилучшем качестве обработки прилегающих поверхностей. Неровности в 1 мкм могут нарушить нормальную работу торцевого уплотнения. Поверхности трения должны быть подвергнуты притирке и шлифовке (чтобы иметь высокую чистоту обработки), они бывают сферическими, плоскими и конусными. В основном применяются плоские поверхности, в связи с тем, что хорошую чистоту поверхности трения легче получить при доводке, при этом ширина кольцевой поверхности трения не должна превышать 6-8 мм. При этом одна из поверхностей выполняется из материала более износостойкого. При изготовлении пар трения используют различные марки углеродных (углеграфитовых) материалов, стали, твердых сплавов (карбид вольфрама), чугуна, а так же керамику и полимеры. Выбор пары трения зависит от условий, в которых эксплуатируется данное уплотнение.

Справка:

Перечень самых распространенных материалов используемых для исполнения пар трения вы можете найти ниже, в таблицах 1-3.

Таблица №1. Коррозионностойкие металлы и сплавы:

Таблица №2. Материалы для наплавки:

Таблица №3. Неметаллические материалы:

Таблица №3. Неметаллические материалы (дополнение):

Типы и конструкции торцевых уплотнений.

Различные типы торцевых уплотнений применяют в зависимости от условий эксплуатации.

1. Одинарное торцевое уплотнение.

В оборудовании, которое работает в нетоксичных и химически нейтральных жидкостях, температура рабочей среды в которых не превышает 200°С, а давление не более 20 мПа, применяется одинарное торцевое уплотнение. Для абразивных сред применяют внешнее одинарное торцевое уплотнение, а для сред обладающих смазывающими свойствами – внутреннее. Данный тип уплотнений представлен на рисунке 4, это уплотнение может комплектоваться дополнительными устройствами охлаждения для повышения эффективности.

Рисунок 4. Одинарное торцевое уплотнение.

2. Двойное торцевое уплотнение.

Двойное торцевое уплотнение применяется в оборудовании, которое работает для перекачки сжиженных газов, нефтепродуктов, сред содержащих токсичные и вредные вещества, а также абразивные включения, где температура рабочей среды не выше 400°С, а давление не больше 30 Мпа.
Конструктивно двойные торцевые уплотнения разделяются на:
- уплотнение «лицом-к-лицу»;
- уплотнение «спина-к-спине» (рисунок 5);
- уплотнение «тандем» (рисунок 6).

Рисунок 5. Двойное торцевое уплотнение «спина-к-спине».

Данный тип уплотнений может комплектоваться устройствами для «промывки» узлов, позволяющих минимизировать абразивный износ, устройствами охлаждения, устройствами создания «противодавления», а именно подачей «запирающей» жидкости между контурами уплотнения для предотвращения протечек рабочей среды.
Двойные торцевые уплотнения могут быть оснащены дополнительными устройствами:
- автономными, например с импеллером (который обеспечивает создание циркуляции или давления жидкости);
- внешними, с обвязкой для подключения внешних устройств.

Рисунок 6. Двойное торцевое уплотнение «тандем».

3. Уплотнение патронного или картриджного типа.

Одним из наиболее востребованных типов торцевых уплотнений являются уплотнения патронного или картриджного типа. В данном уплотнении обе части изготовлены в виде единого модуля или узла, выполненного под установленные стандартные размеры сальниковых камер по стандартам DIN, API, ISO и др.
Данный тип уплотнений изготавливается для конкретных условий работы и видов оборудования.

Пример одинарного картриджного уплотнения можно увидеть на рисунке 7.

Рисунок 7. Одинарное картриджное уплотнение.

На рисунке 8, изображено двойное картриджное уплотнение.

Рисунок 8. Двойное картриджное уплотнение.

В дополнение к одному или нескольким контурам, уплотнения могут иметь в своем составе дополнительные устройства охлаждения, создания противодавления, обогрева, смазки, различные датчики, промывные устройства и пр. Серийные торцевые уплотнения картриджного типа можно использовать при температурах до 650°С и давлении до 80 Мпа, в зависимости от применяемых материалов и конструкции.

4. Торцевое газовое уплотнение (сухое газодинамическое уплотнение).

Данный тип уплотнений применяется с середины 80-х годов 20-го века. Принцип действия, которых основан на создании тонкой около 2-5 мкм газовой прослойки между кольцами уплотнения, это происходит из-за присутствия специальных  "V" или "U"-образных карманов, имеющих толщину сопоставимую с толщиной торцевого зазора и расположенных на поверхности скольжения одного из колец, идущих от середины кольца к внешнему краю кольца со стороны затворного газа. В результате вращения кольца происходит нагнетание затворного газа в промежуток кармана, это приводит к образованию зазора и как следствие к бесконтактному газовому скольжению, что обеспечивает минимальные потери на трение и минимальный износ уплотнения. Для этого применяется технический воздух или азот, давление которых более чем давление рабочей среды на 5…10%. Данный тип уплотнений идеально подходит для работы в условиях низких температур, с низкотемпературно кипящими жидкостями, что обеспечивает чистоту производственного процесса, а следовательно полностью исключает утечки.

Пример газодинамического уплотнения вы можете увидеть на рисунке 9.

Рисунок 9. Сухое газодинамическое уплотнение.

Недостатком данного вида уплотнения является, высокая стоимость и сложность конструкции.

5. Магнитожидкостное уплотнение.

В уплотнении магнитожидкостного типа роль уплотняющего элемента играет магнитная жидкость, она удерживается в зазоре между валом и корпусом с помощью постоянного магнита. Данный вид уплотнений работает без обслуживания и при небольшом натекании. Уплотнение не изнашивается благодаря тому, что уплотняющей средой является жидкость, а это говорит об отсутствии трения между вращающимися и стационарными деталями. Как следствие срок службы и межремонтные циклы магнитожидкостных уплотнений довольно длительны, а момент трения соответственно низкий. Данный вид уплотнений без проблем работает в сверхвысоком вакууме, при десятках тысяч об/мин, давлении до нескольких атмосфер и довольно высоких температурах.

Пример такого уплотнения вы можете увидеть на рисунке 10.

Рисунок 10. Магнитожидкостное уплотнение.

Наиболее частым применением МЖУ является уплотнение вводов вращения вакуумного технологического оборудования. Данный тип уплотнений в основном применяется в косметологии, биотехнологии и фармацевтике. Для процессов с высокими требованиями стерильности, важны надежность и наилучший уровень герметичности, что делает магнитожидкостные уплотнения наиболее привлекательными и популярными в этом направлении. Однако при высоких перепадах давления МЖУ применять нельзя, это пожалуй один из недостатков данного типа уплотнений.