В машиностроении торцевое механическое уплотнение ( часто сокращается до механического уплотнения ) — это тип уплотнения , используемого во вращающемся оборудовании, таком как насосы , миксеры , воздуходувки и компрессоры . Во время работы насоса жидкость может вытекать из насоса между вращающимся валом и неподвижным корпусом насоса. Поскольку вал вращается, предотвратить эту утечку может быть сложно. В более ранних моделях насосов для уплотнения вала использовалась механическая набивка (также известная как сальниковая набивка). После Второй мировой войны механические уплотнения заменили набивку во многих приложениях.
В торцевом механическом уплотнении используются как жесткие, так и гибкие элементы, которые поддерживают контакт на границе уплотнения и скользят друг по другу, позволяя вращающемуся элементу проходить через герметичный корпус. Элементы нагружаются как гидравлически, так и механически с помощью пружины или другого устройства для поддержания контакта. Похожие конструкции с гибкими элементами см. в разделе « Радиальное уплотнение вала» (или «манжетное уплотнение») и уплотнительное кольцо .
Торцевое механическое уплотнение состоит из вращающихся и неподвижных компонентов, которые плотно прижаты друг к другу с помощью механических и гидравлических сил. Несмотря на то, что эти компоненты плотно прижаты друг к другу, небольшая утечка происходит через зазор, обусловленный шероховатостью поверхности.
Все торцевые торцовые уплотнения имеют как вращающиеся, так и неподвижные элементы и включают пять основных компонентов: [1]
Уплотнительное кольцо и ответное кольцо иногда называют первичными уплотняющими поверхностями. Первичные уплотнительные поверхности являются основой торцевого механического уплотнения. Обычной комбинацией материалов для первичных уплотнительных поверхностей является твердый материал, например карбид кремния, керамика или карбид вольфрама, и более мягкий материал, например углерод. В зависимости от давления, температуры и химических свойств герметизируемой жидкости можно использовать многие другие материалы. Уплотнительное кольцо и ответное кольцо находятся в тесном контакте, одно кольцо вращается вместе с валом, а другое неподвижно. Любое кольцо может быть вращающимся или неподвижным. Кроме того, любое кольцо может быть изготовлено из твердого или мягкого материала. Эти два кольца обрабатываются с использованием процесса, называемого притиркой, чтобы получить необходимую степень чистоты поверхности и плоскостности. Уплотнительное кольцо является гибким в осевом направлении; ответное кольцо не гибкое.
По определению, уплотнительное кольцо является аксиально гибким элементом торцевого механического уплотнения. Конструкция уплотнительного кольца должна обеспечивать минимальную деформацию и максимальную теплопередачу с учетом вторичного уплотнительного элемента, приводного механизма, пружины и простоты сборки. Многие уплотнительные кольца содержат диаметры поверхностей уплотнения, хотя это не является требованием для первичного кольца. Уплотнительное кольцо всегда содержит балансовый диаметр. Форма уплотнительного кольца может значительно варьироваться в зависимости от различных конструктивных особенностей. Фактически, форма уплотнительного кольца часто является наиболее отличительной характеристикой уплотнения. [1]
По определению, ответное кольцо является негибким элементом механического уплотнения. Конструкция ответного кольца должна обеспечивать минимальную деформацию и максимальную теплопередачу, учитывая при этом простоту сборки и статический вторичный уплотнительный элемент. Упорное кольцо может иметь диаметры поверхностей уплотнения, хотя это не является обязательным требованием для уплотнительного кольца. Чтобы свести к минимуму движение первичного кольца, ответное кольцо должно быть установлено прочно и образовывать перпендикулярную плоскость, по которой первичное кольцо может опираться на него. Как и уплотнительные кольца, ответные кольца доступны в различных формах. [1]
Вторичные уплотнительные элементы представляют собой прокладки, обеспечивающие уплотнение между уплотнительным кольцом и валом (или корпусом) и ответным кольцом и валом (или корпусом). Типичные вторичные уплотнительные элементы включают уплотнительные кольца, клинья или резиновые диафрагмы. Вторичные уплотнительные элементы (их может быть несколько) не вращаются относительно друг друга. Вторичный уплотнительный элемент ответного кольца всегда неподвижен в осевом направлении (хотя он может вращаться). Вторичные уплотнительные элементы для уплотнительного кольца описываются как толкающие или нетолкающие в осевом направлении. Термин «толкатель» применяется к вторичным уплотнениям, которые должны перемещаться вперед и назад за счет движения вала или первичного кольца, тогда как вторичные уплотнения без толкателя являются статическими и связаны с сильфонными уплотнительными кольцами. [1]
Чтобы поддерживать тесный контакт первичных уплотняющих поверхностей, требуется исполнительное усилие. Эту приводную силу обеспечивает пружина. В сочетании с пружиной осевые силы также могут создаваться за счет давления уплотняемой жидкости, действующего на уплотнительное кольцо. В механических уплотнениях используется множество различных типов пружин: одиночная пружина, несколько пружин, волнистые пружины и металлические сильфоны. [1]
Термин «аппаратное обеспечение» используется для описания различных устройств, которые удерживают вместе другие компоненты в желаемом соотношении. Например, для упаковки уплотнительного кольца, вторичного уплотнительного элемента и пружин в единый блок можно использовать фиксатор. Другим примером аппаратного обеспечения является приводной механизм, необходимый для предотвращения осевого и вращательного проскальзывания уплотнения на валу. [1]
Существует несколько различных способов классификации «тюленей». Иногда ссылка на «уплотнение» может относиться к системе уплотнения, тогда как в других случаях речь идет о таком устройстве, как прокладка, уплотнительное кольцо, компрессионное уплотнение и т. д. В этой статье речь идет о торцевой поверхности. механическая печать.
Один из таких методов классификации учитывает конструктивные особенности или конфигурацию, в которой эти функции могут использоваться. Классификация по конструкции учитывает детали и характеристики, заложенные в одну пару уплотнительного кольца/упорного кольца. Классификация по конфигурации включает ориентацию и комбинацию пары уплотнительное кольцо/упорное кольцо.
[2]
Отдельные компоненты торцевых механических уплотнений могут быть спроектированы с учетом таких характеристик, как: [2]
В общем, конструктивные особенности не являются полностью независимыми; то есть акцент на определенной функции может также влиять на другие функции. Например, выбор конкретного вторичного уплотнительного элемента может повлиять на форму уплотнительного кольца.
Наиболее распространенной конструкцией уплотняющей поверхности является ровная, плоская и гладкая поверхность, но существует множество специальных обработок, предназначенных для конкретных применений. Наиболее распространенной целью ухода за лицом является уменьшение силы механического контакта. В общем, обработка торцевых поверхностей позволяет изменить распределение давления между поверхностями уплотнения за счет гидростатической или гидродинамической топографии. Топография поверхности уплотнения относится к трехмерным аспектам поверхности поверхности уплотнения.
В дополнение к силе пружины поверхности уплотнения прижимаются друг к другу за счет давления, гидростатического воздействия на геометрию уплотнения. Отношение геометрической площади, стремящейся закрыть поверхности уплотнения, к площади, стремящейся открыть поверхности уплотнения, называется коэффициентом баланса.
В толкающих уплотнениях используется динамический вторичный уплотнительный элемент (обычно уплотнительное кольцо), который перемещается в осевом направлении вместе с уплотнительным кольцом. В сильфонных уплотнениях используется статическое вторичное уплотнение (например, уплотнительное кольцо, высокотемпературная графитовая набивка или эластомерный сильфон, а осевое перемещение компенсируется сжатием или расширением сильфона.
Используется множество различных типов пружин, в том числе: относительно большие одиночные винтовые пружины, несколько наборов небольших винтовых пружин и волновые пружины. В качестве пружины также может выступать формованный или сварной металлический сильфон. Коррозия, засорение и перемещение являются основными факторами при выборе конструкции пружины.
Помимо фиксации других компонентов, фурнитура уплотнения включает в себя приводной механизм, который необходим для предотвращения осевого и вращательного проскальзывания уплотнения на валу. Приводной механизм должен выдерживать крутящий момент, создаваемый поверхностями уплотнения, а также позволять уплотнительному кольцу перемещаться в осевом направлении. Помимо крутящего момента приводной механизм должен выдерживать осевое усилие, создаваемое гидростатическим давлением, действующим на детали. К различным типам приводных механизмов относятся: вмятины, шпоночные приводы, установочные винты, штифты, пазы, стопорные кольца и многое другое. Обычно фиксатор уплотнительного кольца может включать в себя установочные винты, вмятину или паз, выемки для пружины и стопорное кольцо для завершения сборки. Напротив, крепежное кольцо может представлять собой только штифт или прорезь для предотвращения вращения. Коррозия является основным фактором при выборе оборудования для уплотнения.
И уплотнительное кольцо, и ответная часть должны иметь вторичные уплотнительные элементы. В некоторых конструкциях различные фиксаторы, втулки и другие компоненты могут также включать в себя вторичные уплотнительные элементы. В то время как для установки простого уплотнительного кольца может потребоваться только канавка, некоторые вторичные уплотнительные элементы (например, уплотнение) могут потребовать механического сжатия. Хотя уплотнительные кольца доступны из многих эластомеров, иногда эластомер может быть несовместим с герметизируемой жидкостью или может считаться слишком дорогим. В таких случаях вторичный уплотнительный элемент может быть изготовлен из перфторэластомера и иметь форму клина, V или U.
Хотя все торцевые механические уплотнения должны содержать пять элементов, описанных выше, эти функциональные элементы могут располагаться или ориентироваться по-разному. Существует несколько стандартов размеров и функций, например стандарт API 682 — Системы уплотнения вала центробежных и роторных насосов, в котором описаны конфигурации, используемые в нефтегазовой отрасли. Несмотря на то, что область применения API 682 несколько ограничена, его можно расширить для описания торцевых механических уплотнений в целом. Конфигурация означает количество и ориентацию компонентов в узле торцевого механического уплотнения. Например, пружины могут быть вращающимися или неподвижными. Можно использовать одну или несколько пар уплотнительных поверхностей. В случае нескольких уплотнений отдельные пары уплотняющих поверхностей могут быть ориентированы одинаково или противоположно. Защитные устройства, такие как втулки, могут использоваться или не использоваться как часть конфигурации.
Основные компоненты торцевого механического уплотнения могут быть установлены непосредственно на вал, но популярный подход заключается в предварительной сборке компонентов в своего рода пакет для облегчения установки. [3] [4] Если компоненты предварительно собраны на втулке и фланш-панели, вся сборка называется картриджным уплотнением. Эту сборку можно легко надеть на вал и закрепить болтами, что снижает вероятность ошибок при установке. В некоторых картриджных уплотнениях используются обычные детали уплотнений, тогда как в других картриджных уплотнениях могут использоваться детали специального назначения. API 682 указывает, что стандарту соответствуют только картриджные уплотнения.
Вращающимся элементом может быть либо уплотнительное кольцо, либо ответное кольцо. Уплотнения с вращающимися уплотнительными кольцами называются «вращающимися» уплотнениями; уплотнения со стационарными уплотнительными кольцами называются «стационарными». Поскольку пружины всегда связаны с уплотнительными кольцами, иногда различают «вращающиеся пружины» и «неподвижные пружины». Для удобства в большинстве оборудования используются вращающиеся уплотнения; однако стационарные уплотнения имеют некоторые преимущества перед вращающимися уплотнениями. В небольших серийных уплотнениях для скромных условий эксплуатации все уплотнение может быть помещено в корпус, который сводит к минимуму требования к валу и корпусу оборудования. Стационарные уплотнения также успешно используются при больших размерах или при высоких скоростях вращения.
При классификации торцевых механических уплотнений по конфигурации в первую очередь необходимо учитывать, существует ли только один набор уплотняющих поверхностей или несколько наборов. Если используются несколько комплектов, настроены ли они на работу без давления или под давлением.
Тандемное уплотнение состоит из двух наборов первичных уплотняющих поверхностей, при этом пространство между двумя уплотнениями заполнено совместимой жидкостью низкого давления, называемой буферной жидкостью. Эту буферную жидкость/пространство можно контролировать для определения производительности узла. К сожалению, определение «тандемного уплотнения» часто формулировалось запутанно. В частности, тандемное уплотнение обычно описывалось как два уплотнения, направленные в одном направлении; то есть в ориентации лицом к спине. Такая ориентация не является необходимой для функции конфигурации, и API решил использовать термин «Компоновка 2» вместо «тандем» в стандарте API 682.
Двойное уплотнение состоит из двух наборов первичных уплотняющих поверхностей, при этом пространство между двумя уплотнениями заполнено совместимой жидкостью под давлением, называемой барьерной жидкостью. Эту барьерную жидкость/пространство можно контролировать для определения производительности узла. К сожалению, определение «двойной печати» часто формулировалось запутанно. В частности, двойную печать обычно описывали как две печати, направленные в противоположном направлении; то есть в ориентации спина к спине. Эта ориентация не является необходимой для функции конфигурации, и API решил использовать термин «Компоновка 3» вместо термина «двойной» в стандарте API 682.
Торцевое механическое уплотнение выделяет тепло в результате трения и вязкого сдвига, и его необходимо охлаждать, чтобы обеспечить хорошую производительность и надежную работу. Обычно охлаждение обеспечивается за счет циркуляции жидкости вокруг уплотнения. Эта жидкость, известная как промывочная жидкость, может быть той же, что и герметизируемая жидкость, или совершенно другой жидкостью. Промывочную жидкость можно нагревать, фильтровать или обрабатывать иным образом для улучшения рабочей среды вокруг уплотнения. В совокупности системы промывки и очистки известны как схемы трубопроводов. Схемы трубопроводов для механических уплотнений определены спецификацией 682 Американского нефтяного института и имеют номер. Некоторые схемы трубопроводов используются для одиночных уплотнений, а некоторые — только для нескольких уплотнений. Некоторые планы трубопроводов предназначены для обеспечения средств контроля герметичности. Некоторые системы уплотнения включают более одного плана трубопроводов. В таблице ниже приведены сводные сведения и описание планов трубопроводов. [1]
Механическое уплотнение, по-видимому, было изобретено Джорджем Дж. Куком [5]. Его конструкция первоначально называлась «Печать Кука», и он основал компанию Cooke Seal Company. Уплотнение Кука (фактически не имевшее привода) впервые было использовано в холодильных компрессорах. Компания Cooke Seal Company была побочным продуктом Кука, и он продал компанию компании Muskegon Piston Ring Company, где она стала подразделением Rotary Seal Division. Muskegon Piston Ring продала свое подразделение Rotary Seal компании EG&G Sealol, которая позже была приобретена John Crane Incorporated.
Первое коммерчески успешное механическое уплотнение, использовавшееся в центробежных насосах, вероятно, было изготовлено подразделением Cameron компании Ingersoll-Rand. Уплотнение Кэмерона было установлено в ряде центробежных трубопроводных насосов в 1928 году. [6]
В механических уплотнениях 1930-х годов часто использовалась комбинация поверхностей из закаленной стали и свинцовистой бронзы. Угольно-графит широко не использовался в качестве материала лицевой поверхности уплотнения до окончания Второй мировой войны. В качестве вторичных уплотнительных элементов использовалась мягкая набивка. Уплотнительное кольцо было разработано в 1930-х годах, но не использовалось в механических уплотнениях до окончания Второй мировой войны.
В конце 1930-х годов, примерно в 1938 или 1939 году, механические уплотнения начали заменять набивку автомобильных водяных насосов. Знаменитый джип времен Второй мировой войны использовал резиновое сильфонное уплотнение в водяном насосе. После Второй мировой войны во всех автомобильных водяных насосах использовались механические уплотнения.
В середине 1940-х годов производители насосов, такие как Ingersoll-Rand, Worthington, Pacific, Byron Jackson, United, Union и другие, начали производить свои собственные механические уплотнения. В конечном итоге большинство этих компаний вышли из бизнеса по производству печатей, но печать Байрона Джексона стала печатью Borg-Warner (ныне Flowserve), а печать Worthington была продана компании Chempro (теперь John Crane - Sealol).
К 1950 году картриджные уплотнения стали использоваться регулярно; эта удобная упаковка из уплотнения, втулки и сальника, вероятно, была разработана CE Wiessner из Durametallic примерно в 1942 году. [3]
К 1954 году механические уплотнения использовались с такой регулярностью в нефтеперерабатывающей и перерабатывающей промышленности, что Американский институт нефти включил спецификации уплотнений в первое издание своего стандарта 610 «Центробежные насосы для общего обслуживания нефтеперерабатывающих заводов».
К 1956 году были разработаны многие концептуальные проекты и руководства по применению, которые используются сегодня. Коммерчески доступные конструкции включали как вращающиеся, так и стационарные гибкие элементы, сбалансированную и несбалансированную гидравлическую нагрузку, резиновые и металлические сильфоны, а также большое разнообразие конструкций и типов пружин. Вторичные уплотнительные элементы включали уплотнительные кольца, клинья, U-образные манжеты и различные уплотнения. Угольно-графит широко использовался в качестве материала поверхности уплотнения; Сопрягаемая поверхность уплотнения часто изготавливалась из чугуна, нирезиста, нержавеющей стали серии 400, стеллита или оксида алюминия , хотя все чаще использовался карбид вольфрама. Нержавеющая сталь широко использовалась для изготовления пружин, фиксаторов, втулок и сальников. При необходимости для достижения требуемых характеристик использовались одинарные и множественные уплотнения. В 1957 году компания Sealol представила металлическое сильфонное уплотнение с приварной кромкой. Раньше в металлических сильфонных уплотнениях использовался формованный сильфон, который был намного толще и жестче. [7]
В 1959 году Джон К. Коупс из Батон-Руж, штат Луизиана, подал заявку на патент на разъемное уплотнение и получил патент № 3025070 в 1962 году. В конструкции Коупса были разделены только грани. Коупс решил предоставить специальные разъемные уплотнения, которые он изготовил сам, поэтому было произведено очень мало его разъемных уплотнений. [8]
Закон о чистом воздухе 1990 года установил ограничения на неорганизованные выбросы насосов. Производители уплотнений ответили улучшенной конструкцией и лучшими материалами. В октябре 1994 года Американский институт нефти выпустил стандарт API 682 «Системы уплотнений вала для центробежных и роторных насосов». Этот стандарт оказал большое влияние на индустрию уплотнений. API 682 не только содержит рекомендации по выбору уплотнений, но и требует квалификации. тестирование производителями уплотнений. [9] API 682 сейчас находится в 4-й редакции, и началась работа над 5-й редакцией.
В отрасли механических уплотнений произошла значительная консолидация. Среди крупных производителей:
Сегодня, в дополнение к рисункам поверхностей, таким как спиральные канавки и волны, были разработаны материалы со специальными поверхностями, способствующими гидродинамической подъемной силе. Лазеры можно использовать для травления микроскопических текстур, улучшающих эксплуатационные характеристики, на поверхности уплотнительной поверхности. Пьезоэлектрические материалы и электронное управление исследуются для создания действительно управляемых уплотнений. Применение специализированных рисунков поверхностей уплотнений, поверхностей и средств управления — это новая технология, которая быстро развивается и имеет большие перспективы на будущее.