Контактные уплотнения

 

Контактные уплотнения герметизируют соединения за счет плотного прилегания уплотнения к сопрягаемым поверхностям (рис. 6.2). Контактные уплотнения имеют наиболее высокую степень герметичности, ограниченную долговечность и значительные потери энергии привода ТНА на преодоление сил трения между контактирующими поверхностями. Такие уплотнения быстро изнашиваются и требуют периодической замены. Однако при герметизации соединений с очень малыми допустимыми утечками рабочей среды контактные уплотнения незаменимы. В ТНА такие уплотнения широко применяются для герметизации по валу ротора.

Типы контактных уплотнений: сальниковые, манжетные, эластичные кольца, упругие кольца, сегментные кольца, торцевые уплотнения.

Рис. 6.2. Структурная схема контактного уплотнения: 1 – неподвижный; 2 – эластичный; 3 – упругий; 4 – скользящий элемент уплотнения

Сальниковые уплотнения. Это наиболее простые уплотнения. Они применяются для изоляции полостей с малыми перепадами давлений, например полости подшипника и полости, сообщающейся с дренажной системой. Кольцевые сальники закладываются в канавки. Сальники выполняются из обычного или прографиченного асбеста. Такие уплотнения нестойки к кислой среде или маловязкой жидкости. Более стойкими и герметичными являются манжетные уплотнения.

Манжетные уплотнения (рис. 6.3). Основным типом манжет, применяемых для уплотнения вала ТНА, являются конические, хотя встречаются и V -образные, и Г -образные манжеты. Эти названия соответствуют профилю манжеты в поперечном сечении. Внутренний диаметр манжеты всегда меньше диаметра вала, поэтому контакт манжеты с валом обеспечивается предварительным натягом, а также поджатием манжеты к валу браслетной пружиной. Для повышения жесткости манжеты армируют стальным кольцом. Для предотвращения выворачивания манжеты применяют упорную втулку.

 

Рис. 6.3. Элементы манжетного уплотнения (а – манжета армированная; б – манжета, армированная с опорной шайбой):1 – корпус; 2 – кольцо арматуры; 3 – мостик; 4 – губка; 5 – пружина; 6 – опорная шайба

 

С целью повышения герметичности и надежности уплотнения устанавливают последовательно две манжеты. Полость между ними заполняют пластичной смазкой.

Для манжетных уплотнений ТНА применяют преимущественно синтетические резины и фторопласт. При несоосности и биении уплотняемого вала ТНА герметичность уплотнений нарушается. На работоспособность манжеты оказывает влияние также шероховатость вала.

Долговечность манжетного уплотнения повышается при снижении температуры в месте контакта, поэтому принимаются меры по охлаждению уплотнения. Для подвода охладителя к рабочей кромке манжеты на вал может быть нанесена насечка в виде трех- или четырехзаходной резьбы. В целях улучшения теплоотвода и смазки в зоне трения в конструкции уплотнения может предусматриваться масляной карман.

Эластичные кольца. В некоторых случаях в качестве уплотнений применяют гибкие разделители в виде колец. Материал колец выбирается в зависимости от назначения уплотнения, скорости скольжения и свойств среды, в которой работают кольца. В малоресурсных двигателях в качестве эластичного уплотнения может применяться неподвижное кольцо из твердой резины. Однако надежность такого уплотнения невысока.

 

Уплотнения с упругими кольцами. Контактные многорядные уплотнения с упругими кольцами (рис. 6.4) могут применяться для разделения полостей со значительными перепадами давлений (до 5 МПа), а также для разделения полостей с газом от агрессивных или криогенных жидкостей.

 

Рис. 6.4. Уплотнения с упругими кольцами (а – упругое кольцо; б – установка упругого кольца в паз; в – упругое кольцо с разгрузочным отверстием): 1 – опорная втулка; 2 – упругие кольца; 3 – втулка

Уплотнение полостей ТНА упругими разрезными кольцами осуществляется по такому принципу. Каждое кольцо (их может быть несколько) прижимается силами упругости по внешней цилиндрической поверхности кольца к корпусу ТНА. Упругость кольца подбирается таким образом, чтобы при вращении вала кольцо оставалось неподвижным относительно корпуса (или лишь слегка проворачивалось). Благодаря перепаду давлений по обе стороны кольца, оно прижимается также одним торцом к боковой поверхности проточки кольцедержателя (вала), что создает сопротивление перетеканию жидкости уплотняемых полостей.

При значительных перепадах герметизируемых полостей (справа и слева от кольца) возникают большие давления по боковой поверхности кольца. При сухом трении это ведет к большому тепловыделению, что снижает работоспособность кольцевого уплотнения. Для улучшения работы колец на поверхность трения подают уплотнительную жидкость. Для этого в кольце делается ряд отверстий малого диаметра (порядка 1 мм).

Канавки под уплотнительные кольца могут выполняться как непосредственно на валу, так и на специальной втулке, насаживаемой на вал. Устранение дефектов уплотнений при использовании втулки проще, т. к. втулка более простая деталь, чем дорогостоящий вал, и замена ее экономичнее. Кольца изготавливают из бронзы или высокосортного чугуна или из пружинной стали. Втулки вала и корпуса ТНА, в которых работают упругие разрезные кольца, изготавливают из легированной стали.

 

Сегментные кольца (рис. 6.5). Контактные уплотнения с кольцевыми сегментами чаще всего применяются для изоляции газовой полости турбины или насоса, подающего криогенную жидкость.

 

Рис. 6.5. Уплотнения с кольцевыми сегментами: 1 – опорное кольцо; 2 – браслетная пружина; 3 – сегменты кольцевые; 4 – штифт

 

Сегментные уплотнения состоят из нескольких рядов колец, каждое из которых образовано тремя – четырьмя сегментами. Между сегментами имеется небольшой зазор, через который возможны утечки. Кольца устанавливают так, чтобы их стыки находились в разных плоскостях. Сегменты укладываются в кольцевые пазы так, чтобы боковой зазор между ними и стенками пазов составлял не более 0,05 мм. Сегменты прижимаются к валу спиральными пружинами. От проворачивания сегменты удерживаются штифтами. Сегменты притираются к валу. В рабочем состоянии давлением из уплотняемой полости сегменты прижимаются своими боковыми поверхностями к стенкам пазов. Уплотнение происходит одновременно по цилиндрической и торцевой поверхностям.

Такие уплотнения обеспечивают более высокую герметичность, чем упругие кольца, благодаря большей площади контакта, но они сложны по конструкции и легко повреждаются. Сегментные кольца изготавливают из графита, чугуна или высокооловянистой бронзы и хорошо прирабатывают по уплотняемым поверхностям.

 

Торцевые уплотнения (рис. 6.6). Торцевые уплотнения работоспособны при значительно больших перепадах давлений полостей (до 40 МПа), чем другие контактные уплотнения.

 

Рис. 6.6. Торцевые уплотнения (а – с мембраной; б – с сильфоном): 1 – пружина; 2 – мембрана; 3 –втулка; 4 – контактное кольцо; 5 – опорное кольцо; 6 – сильфон

 

Торцевые уплотнения широко применяются в ТНА, т.к. они обеспечивают высокую герметичность при достаточно длительной работе и повторных запусках двигателя. К недостаткам торцевых уплотнений следует отнести их значительные габаритные размеры, высокую стоимость по сравнению со многими другими типами уплотнений, сложность в изготовлении и монтаже.

Контактные торцевые уплотнения обычно применяются в комбинации со щелевым, мембранным или сильфонным уплотнением. Собственно торцевое уплотнение представляет собой два кольца, соприкасающихся своими торцевыми поверхностями. Одно из колец вращается вместе с валом, а второе кольцо зафиксировано, но имеет возможность некоторого осевого перемещения. Это перемещение необходимо для возможности плотного прижатия колец друг к другу под действием перепада давлений герметизируемых полостей и под действием упругого элемента (пружины, сильфона, мембраны). Это создает давление на поверхности колец, достаточное для предотвращения утечек.

Материал торцевых колец выбирается в зависимости от назначения уплотнения, скорости скольжения по торцам колец и свойств среды, в которой работают кольца. Кольца в одной паре обычно выполняют из различных материалов. Опорное кольцо (вращающееся) изготавливают из стали повышенной твёрдости (20Х, 40Х, 40Х13), другое кольцо – из графита, чугуна, бронзы, фторопласта, металлокерамики. Высокие требования предъявляются к точности изготовления колец и к чистоте их трущихся поверхностей.

Комбинация торцевого уплотнения со щелевым имеет существенные недостатки:

1) недостаточную герметичность;

2) чувствительность к перекосам (при неравномерном износе колец), что может привести к заклиниванию вала или увеличению утечек.

 

Этих недостатков нет у торцевых уплотнений с мембраной или сильфоном. Недостатком мембранных уплотнений является малое осевое перемещение втулки с кольцом (не более 1,5 мм). Для уплотнения стыка колец используется пружина.

Сильфонное уплотнение допускает большее осевое перемещение (до 4–6 мм). Это увеличивает срок службы уплотнения и его надежность. Торцевое уплотнение в сочетании с сильфоном – самое надежное из всех контактных уплотнений. Его недостаток – сравнительно большие осевые размеры и сложность конструкции. Сильфоны, устанавливаемые со стороны турбин, изготавливают из нержавеющих сталей.

Торцевые уплотнения при хорошем подборе материалов скользящей пары могут работать длительное время без смазки. Они незаменимы в системах, в которых требование герметичности обусловлено опасностью возникновения пожара, взрыва, т.к. торцевые уплотнения отличаются высокой степенью герметичности.

Недостаток всех контактных уплотнений – износы, скалывание трущихся поверхностей, а также ограничение к применению по перепаду давлений герметизируемых полостей и скорости вращения вала.

Во всех случаях при размещении рядом двух и более уплотняющих элементов полость между ними обязательно дренируется.