Большому распространению центробежных насосов, относящихся к типу динамических насосов, в нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производствах способствуют следующие их основные положительные качества: возможность непосредственного соединения с быстроходными приводными двигателями, небольшие габаритные размеры и масса, простота конструкции, удобство эксплуатации и ремонта, быстрый пуск и простое регулирование режима работы, плавная и непрерывная подача перекачиваемой жидкости, сравнительно малая чувствительность к загрязнённой перекачиваемой жидкости и др. [1] Но центробежные насосы не обладают самовсасыванием. Поэтому перед пуском центробежного насоса его приемный трубопровод и корпус насоса должны быть заполнены жидкостью.
Принцип действия динамических центробежных насосов основан на силовом взаимодействии лопаток рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости. Поток перекачиваемой жидкости имеет в области лопаток рабочего колеса радиальное направление, поэтому создаются условия возникновения центробежных сил. Силовое взаимодействие перекачиваемого потока жидкости с вращающимся рабочим колесом создаёт разность давлений по обе стороны каждой лопатки рабочего колеса. Силы давления на лопатках, возникающие при вращении рабочего колеса, воздействуют на поток перекачиваемой жидкости и создают вынужденное вращательное и поступательное движение перекачиваемой жидкости, увеличивая её энергию.
Одним из основных узлов центробежного насоса, от которого во многом зависит безотказная работа насоса, является узел уплотнения вращающегося вала [2]. Для герметизации вращающего вала центробежного насоса применяются сальниковые, манжетные, лабиринтные, динамические, магнитножидкостные и торцевые уплотнения. Эти уплотнения не в равной степени отвечают требованиям, предъявляемым к уплотнениям вращающего вала центробежных насосов, применяемых в нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производствах. В наибольшей степени этим требованиям отвечают торцевые уплотнения вращающихся валов [3,4]. В последнее время к уплотнениям вращающихся валов центробежных насосов предъявляются всё более жёсткие требования по герметичности, способности нормально работать при высокой и очень низкой температуре перекачиваемой среды, при высоких давлениях, по автоматичности их действия и др.
В мировой практике известно много разработанных, запатентованных и выпускаемых ведущими в области уплотнительной техники отечественными и зарубежными фирмами новых конструкций торцевых уплотнений для вращающихся валов насосов, отличающихся высокими технико-экономическими показателями.
Для герметизации вращающихся валов центробежных насосов нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств широко применяются одинарные и двойные торцевые уплотнения. Двойные торцевые уплотнения являются комбинацией двух одинарных уплотнений, в камеру между которыми обычно подаётся затворная жидкость с давлением, превышающим давление перекачиваемой насосом жидкости непосредственно перед внутренним одинарным торцевым уплотнением.
Достоинством запатентованного торцевого уплотнения пакетного типа [5] является то, что оно устанавливается на вал 6 (рис.1) насоса полностью собранным и не требует доработки под фактические осевые размеры.
Рис.1. Торцевое уплотнение пакетного типа с гидродинамической пятой
Торцевое уплотнение содержит корпус 3 и размещенное в нём установленное герметично на валу 6 вращающееся кольцо 4. Вращающееся кольцо 4 установлено на валу 6 с возможностью вращения вместе с ним. С вращающимся кольцом 4 контактирует невращающееся аксиально подвижное кольцо 1, установленное на корпусе 3 герметично и подпружиненное посредством пружин 2 в осевом направлении. Вращающееся кольцо 4 и невращающееся кольцо 1 образуют пару трения. Невращающееся кольцо 1 подпружинено посредством пружин 2, установленных между корпусом 3 и фланцем 8 невращающегося кольца 1. Пружина 2 упирается одним концом в плоскую поверхность фланца 8, а другим концом упирается в корпус 3. Вращающееся кольцо 4 фиксировано от осевого смещения гидродинамической пятой 5, выполненной в виде кольца. Гидродинамическая пята 5 закреплена на корпусе 3 свободно и контактирует с вращающимся кольцом 4 с образованием замкнутой полости для подачи уплотняющей затворной жидкости. Вращающееся кольцо 4 обратной от пары трения стороной упирается в осевом направлении в гидродинамическую пяту 5. Гидродинамическая пята 5 имеет радиальные канавки 7 на поверхности, контактирующей с вращающимся кольцом 4. Канавки 7 пяты 5 выполнены для создания гидродинамической силы.
В отверстие «Б» подаётся под давлением уплотняющая затворная жидкость, которая, омывая пару трения, охлаждает её. Слив жидкости осуществляется по канавкам 7. При вращении между вращающимся кольцом 4 и пятой 5 за счёт жидкостного клина возникает гидродинамическая подъёмная сила, которая воспринимает осевую нагрузку от действия пружин 2 и гидростатического давления в паре трения колец 4 и 1.
Повышенной надёжностью работы отличается торцевое уплотнение [6] для вала насоса, содержащее седло 1 (рис.2) с отверстием, через которое проходит защитная втулка 2 вращающегося вала, ферромагнитное уплотнительное кольцо 3, установленное с возможностью его возвратно-поступательного перемещения вдоль втулки 2 вала, эластомерное кольцевое уплотнение 4, средство придания возвратно-поступательного перемещения ферромагнитному уплотнительному кольцу 3 вдоль втулки 2 вала, выполненное из магнитного материала в виде кольца 6, которое приклеено к торцу седла 1, корпус 7 и кольцо 5 из антифрикционного немагнитного материала.
Рис.2. Торцевое уплотнение с оптимальным контактным давлением между неподвижным и вращающимся уплотнительными кольцами пары трения
Толщина кольца 6 меньше толщины кольца 5 на величину износа торцевого уплотнения за всё время его эксплуатации. Седло 1 установлено в корпусе 7 и уплотнено от протечек перекачиваемой жидкости из щели А в окружающую среду (камеру Б) эластомерным уплотнительным кольцом 8.
При неподвижном вале насоса сила притяжения между ферромагнитным уплотнительным кольцом 3 и кольцом 6 из магнитного материала герметизирует торцевую контактную поверхность между кольцом 5 из антифрикционного немагнитного материала и уплотнительным кольцом 3. При вращении вала с защитной втулкой 2 и уплотнительного кольца 3 уплотнительное кольцо 3 и кольцо 5 из антифрикционного немагнитного материала расходятся, и жидкость из щели А поступает через микронеровности в торцевой зазор между этими кольцами. Во время работы механизма давление в смазочной плёнке между кольцами 3 и 5 растёт. Усилие притяжения между ферромагнитным уплотнительным кольцом 3 и кольцом 6 из магнитного материала должно быть достаточным, чтобы избежать значительной утечки жидкости из щели А. Однако, если это усилие будет чрезмерным, то это приведёт к исчезновению плёнки между уплотнительным кольцом 3 и кольцом 5 из антифрикционного немагнитного материала и, следовательно, к значительному износу поверхностей. Усилие прижатия между кольцами 3 и 6 должно быть оптимальным.
Торцевое уплотнение для вала насоса имеет простую конструкцию и обеспечивает большой ресурс работы пары трения между кольцами 3 и 5.
Упрощённой технологией сборки и ремонтопригодностью отличается торцевое уплотнение вращающегося вала насоса [7], содержащее неподвижный корпус 1 (рис.3) и подвижную в осевом направлении и вращающуюся вместе с валом 2 насоса обойму 6.
Рис.3. Торцевое уплотнение с опорно-центрирующим кольцом для передачи крутящего момента от вала насоса к подвижной обойме
Для передачи крутящего момента от вала 2 насоса через опорно-центрирующее кольцо 9 к подвижной обойме 6, создания начальных контактных давлений в паре трения колец 4 и 5, а также исключения утечек перекачиваемой жидкости при работающем и неработающем насосе, используется цилиндрическая винтовая пружина сжатия 8. Применение манжет 3 и 7, изготовленных из эластомерного материала, имеющих на наружной гладкой цилиндрической поверхности кольцевые выступы, совместно с кольцами 4 и 5 пары трения, установленными соответственно в корпусе 1 и обойме 6, позволяет эффективно отслеживать биения стыка колец 4 и 5 пары трения, обеспечить плоскопараллельность их трущихся поверхностей и герметичность подвижного соединения неподвижного кольца 4 с вращающимся кольцом 5. Торцевое уплотнение надёжно в работе и имеет большой ресурс.
Увеличенным сроком службы отличается торцевое уплотнение [8] вала центробежного насоса, перекачивающего агрессивную жидкость с абразивными частицами, содержащее неподвижное кольцо 6 (рис.4), установленное посредством резиновой манжеты 5 во фланец крышки 4 корпуса насоса, и подвижный в осевом направлении сборочный узел, надетый на вал 9 насоса.
Рис.4. Торцевое уплотнение с подвижным в осевом направлении и вращающимся вместе с валом насоса сборочным узлом
Подвижный в осевом направлении и вращающийся вместе с валом 9 насоса сборочный узел включает защитную оболочку 8 из эластомерного материала, две металлические обоймы 1 и 2, надетые с разных сторон на наружную поверхность оболочки 8, круглые конические наружные поверхности этих обойм 1 и 2 расположены с углом их наклона навстречу друг другу, пружину сжатия 7, расположенную между торцевыми поверхностями двух обойм 1 и 2 и надетую с натягом на их наружные поверхности, вращающееся вместе с валом 9 кольцо 3 пары трения, установленное с натягом по его наружной цилиндрической поверхности в защитной оболочке 8 и прижатое усилием пружины 7 к рабочей поверхности неподвижного кольца 6 пары трения с одной стороны, а с другой к торцевой поверхности защитной оболочки 8, причём внутренняя цилиндрическая поверхность части оболочки 8 имеет диаметр меньше диаметра вала 9 насоса и обжата с натягом с наружной стороны обоймой 1.
В связи с тем, что пружина сжатия 7 надета с натягом на наружные поверхности обойм 1 и 2, она передаёт крутящий момент от обоймы 1 к обойме 2 и создаёт необходимое начальное контактное давление на рабочих поверхностях колец 3 и 6, обеспечивая герметичность подвижного соединения колец 3 и 6. Защитная оболочка 8 защищает поверхность вала 9 насоса от воздействия агрессивной перекачиваемой жидкости с абразивными частицами, а также способствует отслеживанию биений стыка рабочих поверхностей колец 3 и 6 пары трения и поглощению вибраций, возникающих при работе насоса, при этом обеспечивается возможность осевого перемещения и угловой податливости вращающегося кольца 3 пары трения. Давление перекачиваемой насосом жидкости создаёт дополнительно контактное давление между кольцами 3 и 6 пары трения уплотнения, обеспечивая высокую степень герметичности, практически исключая утечки. Тепло от колец 3 и 6 пары трения уплотнения отводится перекачиваемой насосом жидкостью. Торцевое уплотнение имеет простую конструкцию и удобно в эксплуатации.
Высокую степень герметичности вращающего вала насоса и повышенную надёжность работы обеспечивает торцевое уплотнение [9], содержащее неподвижное кольцо 4 (рис.5) пары трения, изготовленное из износостойкого антифрикционного материала, надетое на вал 2 насоса и установленное герметично с отсутствием проворота посредством резиновой манжеты 5 в корпус 6 насоса.
Рис.5. Торцевое уплотнение с конической пружиной сжатия, выполняющей функцию поводка для передачи крутящего момента от вала насоса к сборочному узлу
Подвижный в осевом направлении и вращающийся вместе с валом 2 насоса сборочный узел прижат усилием сжатой конической пружины 3, один конец которой упирается в рабочее колесо 1, а другой – к вращающейся упорной шайбе 10. Сборочный узел содержит обойму 8, в которую герметично установлено с отсутствием проворота вращающееся кольцо 7 пары трения, прижатое рабочей поверхностью к неподвижному кольцу 4. На внутренней цилиндрической поверхности обоймы 8 выполнена проточка, в которую установлено резиновое уплотнительное кольцо 9, обеспечивающее герметичность между обоймой 8 и валом 2. Во внутреннюю проточку обоймы 8 установлена упорная шайба 10, сжимающее кольцо 9 в осевом направлении посредством опорного витка большого основания сжатой конической пружины 3, который также установлен во внутреннюю проточку обоймы 8. Конец опорного витка большего основания конической пружины 3 отогнут в радиальном направлении наружу и вставлен в радиально выполненную прорезь обоймы 8, выполняющий функцию поводка для передачи крутящего момента от вала 2 к сборочному узлу. Меньшее основание конической пружины 3 имеет более одного опорного цилиндрического витка, их внутренние диаметры равны между собой и меньше диаметра вала 2, возникающие рабочие напряжения в опорных цилиндрических витках не превышают допускаемых напряжений упругости материала проволоки конической пружины 3.
Торцевое уплотнение вращающегося вала центробежного насоса имеет большой ресурс работы.
Повышенной надёжностью и большим ресурсом работы отличается одинарное торцевое уплотнение [10] вращающегося вала 5 (рис.6) центробежного насоса, перекачивающего химически агрессивные жидкости с взвешенными твёрдыми частицами.
Рис.6. Торцевое уплотнение с защитной обоймой, в которую установлено вращающееся кольцо пары трения
Торцевое уплотнение содержит пару трения, состоящую из неподвижного кольца 12, свободно установленного во фланец крышки 14 корпуса насоса, и подвижного вращающегося кольца 11, установленного герметично, с отсутствием проворота, в защитную обойму 9. Кольцо 12 изготовлено из более твёрдого материала, чем кольцо 11, изготовленное из более мягкого и теплопроводного самосмазывающегося материала. Фиксатор (штифт) 1 установлен на цилиндрическую поверхность кольца 12 и препятствует провороту этого кольца во фланце крышки 14 корпуса насоса. Герметичность соединения между фланцем крышки 14 и кольцом 12 обеспечивается резиновым уплотнительным кольцом 13. Защитная обойма 9, в которую герметично, с отсутствием проворота, установлено подвижное вращающееся кольцо 11, имеет свободу осевых и угловых перемещений. Корпус 7 уплотнения установлен с зазором внутри обоймы 9, имеет осевую подвижность и зафиксирован от проворота на валу 5 штифтом 4. Резиновое уплотнение 3 размещено между обоймой 9 и корпусом 7 и обеспечивает за счёт своей упругой деформации свободу осевых и угловых перемещений обоймы 9, что позволяет эффективно отслеживать биения стыка колец 12 и 11 пары трения. Резиновое уплотнение 8, размещенное между корпусом 7 и валом 5, также обеспечивает за счёт своей упругой деформации свободу осевых и угловых перемещений корпуса 7 относительно вала 5. Уплотнения 3 и 8 обеспечивают герметичность пространства между обоймой 9, корпусом 7 и валом 5 от перекачиваемой насосом химически активной жидкости. В это герметичное пространство установлен набор мелких податливых цилиндрических пружин 2 с центрированием по наружной поверхности в отверстиях корпуса 7, а также поводковое устройство, состоящее из штифта 10, установленного во внутреннюю торцевую поверхность защитной обоймы 9 и отверстие в торце корпуса 7 под этот штифт. Дистанционно-упорная втулка 6 надета на вал 5 насоса между торцем корпуса 7 и торцем (уступом) вала 5. Она замыкает осевое усилие набора пружин 2 между торцем вала 5 и парой трения и обеспечивает установочный размер набора пружин 2, которые создают начальное контактное давление в паре трения неподвижного 12 и подвижного 11 колец для исключения утечек в ней перекачиваемой жидкости также и при неработающем насосе.
Простой технологией изготовления, повышенной надёжностью и большим ресурсом работы отличается торцевое уплотнение [11] вала центробежного насоса, содержащее дистанционно-упорную втулку 8 (рис.7), насаженную с натягом на вал 1 насоса, неподвижную обойму 2 и подвижную обойму 4, надетые на втулку 8.
Рис.7. Торцевое уплотнение с цилиндрической винтовой пружиной сжатия, позволяющей отслеживать биения стыка подвижного и неподвижного колец пары трения
В обоймы 2 и 4 установлены герметично, с отсутствием проворота, соответственно неподвижное 10 и подвижное 9 кольца пары трения торцевого уплотнения. Герметичность между неподвижной обоймой 2 и корпусом 11 насоса, а также между подвижной обоймой 4 и втулкой 8 обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами соответственно 3 и 5. Для передачи крутящего момента от вращающегося вала 1 насоса к подвижной обойме 4 и создания начального контактного давления в паре трения колец 9 и 10 используется цилиндрическая винтовая пружина сжатия 6, позволяющая отслеживать биения стыка колец 9 и 10 пары трения торцевого уплотнения. Цилиндрическая пружина сжатия 6 имеет максимальный индекс i, равный 12÷15:
где
D0 – средний диаметр цилиндрической пружины,
d – диаметр проволоки пружины.
Пружина 6 надета на втулку 8: один конец пружины 6 по внутреннему диаметру Dвн надет с относительным натягом δ, равным 3,5÷5,5%, на цилиндрический наружный поясок с диаметром Dн подвижной обоймы 4, а другой конец по её внутреннему диаметру Dвн надет на цилиндрический наружный поясок с диаметром Dн центрирующего разрезного кольца 7.
где
Dн – наружный диаметр цилиндрического пояска подвижной обоймы 4, на который надевается с натягом внутренний диаметр Dвн пружины 6;
Dвн – внутренний диаметр пружины сжатия 6;
При работе центробежного насоса перекачиваемая жидкость под давлением нагнетания по выполненному каналу в корпусе 11 насоса (на рис.7 канал в корпусе 11 не показан) подаётся к паре трения колец 9 и 10 для их охлаждения. Тепло от пары трения колец 9 и 10 торцевого уплотнения отводится с этой охлаждающей перекачиваемой жидкостью на всасывание центробежного насоса через отверстия в рабочем колесе насоса (рабочее колесо с отверстиями на рис.7 не показано). Давление перекачиваемой охлаждающей жидкости в камере А торцевого уплотнения создаёт дополнительное контактное давление между кольцами 9 и 10 пары трения, повышая степень герметичности торцевого уплотнения во время работы центробежного насоса.
Анализ научно-технической литературы промышленно развитых стран мира и патентных материалов ведущих в уплотнительной технике отечественных и зарубежных фирм показывает, что не существует универсальной конструкции торцевого уплотнения для вращающих валов центробежных насосов нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств. Выбор конструкции зависит от условий работы торцевого уплотнения (давления, температуры, виды перекачиваемой среды, скорости вращения герметизируемого вала насоса и т.д.), а также от технических и экономических требований (степени герметизации, надёжности и ресурса работы, использования дешёвых стандартных уплотнений и т.д.).
Современные тенденции развития конструкций торцевых уплотнений для вращающихся валов центробежных насосов направлены на:
-
повышение надёжности и ресурса работы;
-
увеличение степени герметичности уплотняемой перекачиваемой жидкости;
- упрощение конструкции и технологии изготовления;
- эффективный теплоотвод от зоны контакта пар трения;
- использование в конструкции гидродинамического и магнитного эффектов;
- удобство эксплуатации и др.
Лирература:
1. Буренин В.В. Новые центробежные насосы для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2004. – № 12. – С. 26-26.
2. Буренин В.В., Дронов В.П. Конструкции контактных уплотнений вращающихся валов: тематический обзор. – М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. – 1986. – Серия ХМ-4 «Насосостроение». –36 с.
3. Гаевик Д.Т., Буренин В.В. Современные и перспективные конструкции торцовых уплотнений нефтяных центробежных насосов магистральных нефтепроводов: Обзорная информация // М.: ВНИИОЭНГ. Серия «Машины и нефтяное оборудование». – 64 с.
4. Буренин В.В. Торцовые уплотнения для центробежные насосов химических и нефтехимических производств // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2002. – № 10. – С. 27-30.
5. Пат. 2494300 Россия, МПК F16J 15/34. Торцевое уплотнение / Г.С. Баткис, Е.А. Новиков, В.К. Хайсанов, Н.М. Лившиц, Р.Н. Зиннатуллин. Опубл. 27.09.2013. Бюл. №27.
6. Пат. 2561815 Россия, МПК F16J 15/34. Торцевое уплотнение вращающегося вала / В.В. Дидов, В.Д. Сергеев. Опубл. 10.09.2015. Бюл. №25.
7. Пат. на полезную модель 53744 Россия МПК F16J 15/34. Уплотнение торцевое Шепелёва / В.А. Шепелёв, А.В. Шепелёв. Опубл. 27.05.2006. Бюл. №15.
8. Пат. на полезную модель 72741 Россия МПК F16J 15/34. Модернизированное уплотнение торцевое Шепелёва / В.А. Шепелёв, А.В. Шепелёв. Опубл. 27.04.2008. Бюл. №12.
9. Пат. на полезную модель 93914 Россия МПК F16J 15/00. Уплотнение торцевое с конической пружиной и опорными цилиндрическими витками (варианты) / В.А. Шепелёв, А.В. Шепелёв. Опубл. 10.05.2010. Бюл. №13.
10. Пат. на полезную модель 43603 Россия МПК F04D 29/10. Уплотнение торцевое одинарное / В.В. Савва, А.В. Шепелёв, В.А. Шепелёв, А.О. Белостоцкий. Опубл. 27.01.2005. Бюл. №3.
11. Пат. на полезную модель 43322 Россия МПК F04D 29/00. Уплотнение торцевое модернизированное / В.В. Савва, А.В. Шепелёв, В.А. Шепелёв. Опубл. 10.01.2005. Бюл. №1
