В этой статье рассказывается, что собой представляет торцовое уплотнение и разъясняются основные конструктивные особенности, за счет которых оно функционирует.
Основы герметизации жидкостных насосов
Основное назначение торцового уплотнения — удержание жидкости в резервуаре (насосы, смесители и др.), в котором вращающийся вал проходит через неподвижный корпус или, что встречается редко, корпус вращается вокруг вала.
При уплотнении центробежного насоса необходимо обеспечить ввод вращающегося вала в «мокрую» камеру насоса и исключить утечку больших объемов жидкости, находящейся под давлением.
Чтобы решить эту проблему, необходимо предусмотреть уплотнение между валом и корпусом насоса, которое сможет сдержать давление перекачиваемой среды и выдержать трение, возникающее при вращении вала.
Традиционные методы
Перед разбором работы торцового уплотнения важно узнать о других способах уплотнения. Одним из широко применяемых в настоящее время способов является использование сальниковых набивок.
Сальниковая набивка выполнена из плетеного похожего на веревку материала, утрамбованного вокруг вала. Набивка заполняет зазор между валом и корпусом насоса.
Сальниковая набивка все еще широко используются во множестве областей, однако пользователи все чаще переходят на торцовые уплотнения по ряду причин;
- Трение, возникающее при вращении вала, со временем полностью изнашивает сальниковое уплотнение, что приводит к усилению утечки, пока сальниковое уплотнение не отрегулируют или набивку в нем не заменят.
- Кроме того, по причине трения сальниковые уплотнения необходимо промывать большим количеством воды в целях охлаждения.
- Чтобы уменьшить утечки, сальниковое уплотнение должно быть прижато к валу. То есть для вращения вала насоса требуется большая мощность, что ведет к непроизводительным затратам энергии.
- Сальниковое уплотнение должно контактировать с валом, поэтому с течением времени на валу образуется канавка. Ремонт или замена вала сопряжены с большими расходами.
Торцовые уплотнения конструктивно лишены подобных недостатков
Конструкция
В базовом торцовом уплотнении предусмотрено три точки уплотнения.
Неподвижная часть уплотнения устанавливается в корпус насоса со статическим уплотнением, которое может представлять собой уплотнительное кольцо или прокладку, зажатую между неподвижной частью уплотнения и корпусом насоса.
(Выделено красным: слева — неподвижная часть, справа — вращающаяся часть)
Вращающаяся часть уплотнения плотно насаживается на вал обычно с помощью уплотнительного кольца. Эту точку уплотнения также называют статической, поскольку эта часть уплотнения вращается вместе с валом.
Само по себе торцовое уплотнение — это соединительный механизм статической и вращающейся частей уплотнения.
Одна часть уплотнения (будь то статическая или вращающаяся) всегда подпружинивается для компенсации незначительных прогибов вала, смещения вала вследствие допусков подшипников и отклонением от вертикали вследствие производственных допусков.
Точки уплотнения
Хотя две точки уплотнения в конструкции уплотнения являются простыми статическими уплотнениями, необходимо подробнее рассмотреть уплотнение между вращающейся и неподвижной частями. Это первичное уплотнение является основой всей конструкции уплотнения и играет важную роль в его эффективности.
Первичное уплотнение — это, по сути, подпружиненный подшипник, расположенный перпендикулярно относительно вала и состоящий из двух очень ровных прилегающих друг к другу поверхностей, одна из которых неподвижная, а другая вращается. Поверхности уплотнения прижимаются друг к другу благодаря гидравлическому усилию уплотняемой жидкости и силой сжатия пружины (конструкция уплотнения). Таким образом формируется уплотнение, предотвращающее утечку среды между вращающейся частью (вал) и неподвижной частью насоса.
Поверхности уплотнения прилегают друг к другу с высокой степенью плоскостности; обычно 2–3 HLB (0,00003 дюйма / 0,0008 мм).
Если поверхности уплотнения вращаются относительно друг друга без смазки, вследствие трения поверхностей и выделения тепла они изнашиваются и быстро становятся непригодными к работе. По этой причине между вращающейся и неподвижной поверхностями уплотнения необходимо предусмотреть смазывание; это называется жидкостной пленкой.
Жидкостная пленка
В большей части торцовых уплотнений смазка осуществляется посредством поддержания тонкой пленки жидкости между поверхностями уплотнения. Такая пленка может формироваться из перекачиваемой технологической среды или из жидкости из внешнего источника.
Необходимость наличия жидкостной пленки между поверхностями уплотнения представляет собой конструктивную задачу — баланс между достаточным потоком смазывающей жидкости между поверхностями уплотнения, допустимым объем утечки технологической среды на уплотнении и исключением попадания загрязнений, которые способны повредить уплотнение.
Данная задача решается с помощью поддержания между поверхностями уплотнения прецизионного зазора, который достаточно большой, чтобы пропускать небольшое количество чистой смазывающей жидкости, и достаточно мал, чтобы предотвратить попадание загрязнений между поверхностями уплотнения.
В типовом уплотнении величина зазора составляет около 1 мкм, то есть он в 75 раз тоньше человеческого волоса. Такой маленький зазор предотвращает попадание в уплотнение частиц, способных повредить поверхности уплотнения, и при этом пропускает настолько небольшое количество жидкости, что оно больше похоже на пар — около ½ чайной ложки в день в типовых областях применения.
Формирование такого микрозазора обеспечивается с помощью пружин и гидравлической силы, которая толкает поверхности уплотнения друг к другу, пока давление жидкости между ними (жидкостная пленка) отталкивает их друг от друга.
Если бы не давление, отталкивающее поверхности уплотнения друг от друга, они бы герметично прилегали друг к другу. Такая ситуация называется «сухой ход» и быстро приводит к выводу уплотнения из строя.
Без давления технологической среды (и усилия пружин), прижимающего поверхности друг к другу, поверхности уплотнения будут размещаться слишком далеко друг от друга, и жидкость будет вытекать из уплотнения.
Конструкторская мысль в области торцовых уплотнений занята в первую очередь увеличением срока службы поверхностей первичных уплотнений за счет высокого качества смазывающей жидкости и подбора материала для поверхностей уплотнения, подходящего под перекачиваемую среду.
Утечка
Говоря об утечке, мы имеем в виду видимую утечку уплотнения. Как показано выше, две поверхности уплотнения разделяются очень тонкой жидкостной пленкой. Из-за необходимости поддержания микрозазора невозможно полностью исключить утечки в торцовом уплотнении. При этом, однако, можно сказать, что в отличие от сальниковой набивки величина утечки из торцовых уплотнений предположительно столь мала, что визуально неопределима.
По результатам последнего исследования переход с сальниковых уплотнений на торцовые снижает расход воды и эксплуатационные затраты.
Подводя итоги: почему используются торцовые уплотнения?
- Отсутствие «видимых» утечек — утечки на уплотнении в виде пара, когда жидкостная пленка достигает атмосферной стороны уплотняющих поверхностей.
- При нормальном рабочем давлении и температуре после улавливания и конденсации объем утечки за день составляет 1/2 чайной ложки.
- Современные картриджные уплотнения не повреждают ни вал, ни манжету насоса.
- Объемы повседневного технического обслуживания сокращаются, поскольку в уплотнениях предусмотрены внутренние пружины, которые обеспечивают саморегулировку уплотнений по мере износа поверхностей.
- В уплотнениях поверхности слегка подпружинены, чем обеспечивается сниженное по сравнению с сальниковой набивкой энергопотребление.
- В нормальных условиях загрязнение подшипника уменьшается, поскольку смазка не подвергается воздействию утечек из уплотнения и вымыванию.
- Заводское оборудование также в меньшей мере подвергается коррозии при отсутствии в насосе утечек перекачиваемой жидкости.
- Данную технологию (в отличие от сальниковых уплотнений) также можно использовать для уплотнения вакуумных систем, где проблемой является попадание воздуха в насос.
- Чем меньше потерь перекачиваемой среды, тем больше экономия средств, так как даже вода является дорогостоящим ресурсом, к тому же сокращается объем необходимой очистки.
Как повысить надежность насоса
Чтобы узнать больше о продлении срока службы уплотнений, см. серию наших видео...
«Как повысить надежность насоса»
