Механическое , торцевое уплотнение , или механическое торцевое уплотнение , также упоминается как механическое торцевым уплотнение , но обычно просто как механическое уплотнение , представляет собой тип уплотнения используется в вращающемся оборудование, такие как насосы , смесители , воздуходувки , и компрессоры . При работе насоса жидкость может вытекать из насоса между вращающимся валом и неподвижным корпусом насоса. Поскольку вал вращается, предотвращение этой утечки может быть затруднено. В более ранних моделях насосов использовалась механическая набивка.(также известное как сальниковая набивка) для уплотнения вала. После Второй мировой войны механические уплотнения заменили набивку во многих областях применения.
Торцевое торцевое торцевое уплотнение использует как жесткие, так и гибкие элементы, которые поддерживают контакт на стыке уплотнения и скользят друг по другу, позволяя вращающемуся элементу проходить через герметичный корпус. Элементы имеют как гидравлическую, так и механическую нагрузку с помощью пружины или другого устройства для поддержания контакта. Для аналогичных конструкций с использованием гибких элементов см. Радиальное уплотнение вала (или «манжетное уплотнение») и уплотнительное кольцо .
Основы механического уплотнения [ править ]
Торцевое торцевое уплотнение состоит из вращающихся и неподвижных компонентов, которые плотно прижаты друг к другу с помощью как механических, так и гидравлических сил. Несмотря на то, что эти компоненты плотно прижаты друг к другу, небольшая утечка происходит через зазор, связанный с шероховатостью поверхности.
Компоненты [ править ]
Все торцевые механические уплотнения имеют как вращающиеся, так и неподвижные элементы и включают пять основных компонентов: [1]
- уплотнительное кольцо
- уплотнительное кольцо
- вторичные уплотнительные элементы
- пружины
- аппаратное обеспечение.
Уплотнительное кольцо и сопряженное кольцо иногда называют первичными уплотнительными поверхностями. Первичные уплотнительные поверхности являются сердцем торцевого торцевого уплотнения. Обычной комбинацией материалов для первичных уплотнительных поверхностей является твердый материал, такой как карбид кремния, керамика или карбид вольфрама, и более мягкий материал, такой как углерод. В зависимости от давления, температуры и химических свойств герметизируемой жидкости могут использоваться многие другие материалы. Уплотнительное кольцо и ответное кольцо находятся в тесном контакте, одно кольцо вращается с валом, а другое кольцо неподвижно. Любое кольцо может быть вращающимся или неподвижным. Также любое кольцо может быть выполнено из твердого или мягкого материала. Эти два кольца обрабатываются с использованием процесса, называемого притиркой, для получения необходимой степени чистоты поверхности и плоскостности.Уплотнительное кольцо гибкое в осевом направлении; уплотнительное кольцо не гибкое.
Уплотнительное кольцо [ править ]
По определению, уплотнительное кольцо является гибким в осевом направлении элементом торцевого механического уплотнения. Конструкция уплотнительного кольца должна позволять минимизировать деформацию и максимизировать теплопередачу с учетом вторичного уплотнительного элемента, приводного механизма, пружины и простоты сборки. Многие уплотнительные кольца имеют диаметры поверхностей уплотнения, хотя это не является требованием для первичного кольца. Уплотнительное кольцо всегда содержит балансировочный диаметр. Форма уплотнительного кольца может значительно отличаться в зависимости от различных конструктивных особенностей. Фактически, форма уплотнительного кольца часто является наиболее отличительной отличительной характеристикой уплотнения. [1]
Кольцо сопряжения [ править ]
По определению, уплотнительное кольцо является негибким элементом механического уплотнения. Конструкция уплотнительного кольца должна позволять минимизировать деформацию и максимизировать теплопередачу с учетом простоты сборки и статического вторичного уплотнительного элемента. Уплотнительное кольцо может иметь диаметры поверхности уплотнения, хотя это не является требованием для уплотнительного кольца. Чтобы свести к минимуму перемещение первичного кольца, контактное кольцо должно быть прочно закреплено и должно образовывать перпендикулярную плоскость, по которой будет двигаться первичное кольцо. Как и уплотнительные кольца, ответные кольца доступны во многих различных формах. [1]
Вторичные уплотнительные элементы [ править ]
Вторичные уплотнительные элементы представляют собой прокладки, которые обеспечивают 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 для неподвижного кольца всегда статичен в осевом направлении (хотя он может вращаться). Вторичные уплотнительные элементы для уплотнительного кольца описываются как толкатели или не толкатели в осевом направлении. Термин «толкатель» применяется к вторичным уплотнениям, которые должны толкаться назад и вперед за счет движения вала или первичного кольца, тогда как вторичные уплотнения без толкателя статичны и связаны с кольцами сильфонного уплотнения. [1]
Спрингс [ править ]
Чтобы основные уплотняющие поверхности оставались в тесном контакте, требуется приводное усилие. Эта приводная сила обеспечивается пружиной. В сочетании с пружиной осевые силы также могут создаваться давлением герметичной жидкости, действующей на уплотнительное кольцо. В механических уплотнениях используется множество различных типов пружин: одинарная пружина, множественная пружина, волновая пружина и металлический сильфон. [1]
Оборудование [ править ]
Термин «аппаратное обеспечение» используется для описания различных устройств, которые удерживают другие компоненты вместе в желаемом соотношении. Например, фиксатор может использоваться для упаковки уплотнительного кольца, вторичного уплотнительного элемента и пружин в единый блок. Другим примером оборудования является приводной механизм, который необходим для предотвращения осевого и вращательного проскальзывания уплотнения на валу. [1]
Классификации [ править ]
Есть несколько различных способов классификации «пломб». Иногда ссылка на «уплотнение» может относиться к уплотнительной системе, тогда как в других случаях ссылка на устройство, такое как прокладка, уплотнительное кольцо, компрессионное уплотнение и т. Д. В этой статье ссылка на торцевую поверхность механическая печать.
Один из таких методов классификации рассматривает конструктивные особенности или конфигурацию, в которой эти особенности могут использоваться. Классификация по конструкции учитывает детали и особенности, включенные в одну пару уплотнительное кольцо / сопряженное кольцо. Классификация по конфигурации включает ориентацию и комбинацию пары уплотнительное кольцо / ответное кольцо.
[2]
Особенности дизайна [ править ]
Отдельные компоненты торцевых механических уплотнений могут иметь такие характеристики, как: [2]
- средства для ухода за лицом, такие как гидродинамические детали, накладки и т. д.
- коэффициент баланса
- толкатель или сильфон
- весенний дизайн
- фурнитура для размещения сборки и обеспечения приводного механизма
- соображения по вторичному уплотнительному элементу.
В общем, конструктивные особенности не являются полностью независимыми; то есть выделение одной особенности может также влиять на другие особенности. Например, выбор конкретного вторичного уплотнительного элемента может повлиять на форму уплотнительного кольца.
Уход за лицом [ править ]
Наиболее распространенная конструкция поверхности уплотнения - это ровная, плоская, гладкая поверхность, но существует множество специальных обработок, предназначенных для конкретных применений. Наиболее частая цель ухода за лицом - уменьшить степень механического контакта. Как правило, обработка поверхностей обеспечивает средство изменения распределения давления между поверхностями уплотнения за счет гидростатической или гидродинамической топографии. Топография поверхности уплотнения относится к трехмерным аспектам поверхности уплотнения.
Коэффициент баланса [ править ]
Помимо усилия пружины, поверхности уплотнения сдвигаются вместе за счет давления, гидростатически воздействующего на геометрию уплотнения. Отношение геометрической площади, стремящейся закрыть поверхности уплотнения, к площади, стремящейся открыть поверхности уплотнения, называется соотношением баланса.
Кольцо уплотнения толкателя или сильфона [ править ]
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.
Пружинный дизайн [ править ]
Используются много разных типов пружин, в том числе: относительно большие одинарные винтовые пружины, несколько наборов маленьких винтовых пружин и волновые пружины. Формованный или сварной металлический сильфон также может действовать как пружина. Коррозия, засорение и перемещение являются основными соображениями при выборе конструкции пружины.
Оборудование [ править ]
В дополнение к удерживанию других компонентов, оборудование 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 компоненты. К различным типам приводных механизмов относятся: вмятина, шпоночный привод, установочные винты, штифты, пазы, стопорные кольца и многое другое. Как правило, фиксатор уплотнительного кольца может включать установочные винты, вмятину или паз, выемки для пружины и стопорное кольцо для завершения сборки. В отличие от этого, крепежное кольцо может быть только штифтом или пазом для предотвращения вращения.Коррозия является основным фактором при выборе оборудования для уплотнения.
Рекомендации по вторичным уплотнительным элементам [ править ]
Как на уплотнительном кольце, так и на стыковочном элементе должны быть установлены вторичные уплотнительные элементы. В некоторых конструкциях различные фиксаторы, втулки и другие компоненты могут также включать вторичные уплотнительные элементы. В то время как для простого уплотнительного кольца может потребоваться только канавка для установки, для некоторых вторичных уплотнительных элементов (например, набивки) может потребоваться механическое сжатие. Хотя уплотнительные кольца доступны во многих эластомерах, 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.
Конфигурации [ править ]
Хотя все торцевые механические уплотнения должны содержать пять элементов, описанных выше, эти функциональные элементы могут быть расположены или ориентированы множеством различных способов. Существует несколько размерных и функциональных стандартов, таких как стандарт API 682 - Системы уплотнения вала для центробежных и ротационных насосов, в котором описаны конфигурации для использования в нефтегазовой отрасли. Несмотря на то, что объем API 682 несколько ограничен, он может быть расширен для описания торцевых торцевых торцевых уплотнений в целом. Конфигурация относится к количеству и ориентации компонентов в торцевом механическом уплотнении в сборе. Например, пружины могут быть вращающимися или неподвижными. Могут использоваться одна или несколько пар уплотняющих поверхностей. Для множественных уплотнений отдельные пары уплотняющих поверхностей могут быть ориентированы одинаково или напротив друг друга.Удерживающие устройства, такие как проходные изоляторы, могут использоваться или не использоваться как часть конфигурации.
Компонент против картриджа [ править ]
Основные компоненты торцевого торцевого уплотнения могут быть установлены непосредственно на вал, но популярным подходом является предварительная сборка компонентов в какой-то пакет для упрощения установки. [3] [4] Когда компоненты предварительно собраны на втулку и пластину сальника, полная сборка называется картриджным уплотнением. Этот полный узел можно легко надеть на вал и закрепить болтами, что снижает вероятность ошибок при установке. В некоторых картриджных уплотнениях используются стандартные детали уплотнения, тогда как в других картриджных уплотнениях могут использоваться детали специального назначения. API 682 указывает, что только картриджные уплотнения приемлемы для стандарта.
Вращающиеся и неподвижные пружины [ править ]
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» уплотнениями. Поскольку пружины всегда связаны с уплотнительными кольцами, иногда проводится различие между «вращающимися пружинами» и «неподвижными пружинами». Для удобства в большинстве оборудования используются вращающиеся уплотнения; однако неподвижные уплотнения имеют некоторые преимущества перед вращающимися уплотнениями. В небольших серийно выпускаемых уплотнениях для скромных услуг все уплотнение может быть помещено в пакет, который сводит к минимуму требования к валу и корпусу для оборудования. Стационарные уплотнения также используются для больших размеров или при высоких скоростях вращения.
Один против нескольких [ править ]
При классификации торцевых торцевых торцевых уплотнений по конфигурации в первую очередь следует учитывать, имеется ли только один набор уплотняющих поверхностей или несколько наборов. Если используется несколько комплектов, можно ли в них работать без давления или под давлением.
Тандемные уплотнения [ править ]
Тандемное уплотнение состоит из двух наборов первичных уплотняющих поверхностей с пространством между двумя уплотнениями, заполненным совместимой жидкостью низкого давления, называемой буферной жидкостью. Эту буферную текучую среду / пространство можно контролировать для определения производительности сборки. К сожалению, определение «тандемное уплотнение» часто приводилось в непонятной форме. В частности, тандемное уплотнение обычно описывалось как два уплотнения, указывающих в одном направлении; то есть лицом к спине. Эта ориентация не является обязательной для функции конфигурации, и API решил использовать термин «конфигурация 2» вместо тандемного в стандарте API 682.
Двойные печати [ править ]
Двойное уплотнение состоит из двух наборов первичных уплотняющих поверхностей с пространством между двумя уплотнениями, заполненным совместимой жидкостью под давлением, называемой затворной жидкостью. Эту затворную жидкость / пространство можно контролировать для определения производительности сборки. К сожалению, определение «двойной печати» часто приводилось в непонятной форме. В частности, двойное уплотнение обычно описывалось как две печати, направленные в противоположном направлении; то есть в ориентации спина к спине. Эта ориентация не является обязательной для функции конфигурации, и API решил использовать термин Arrangement 3 вместо double в стандарте API 682.
Планы уплотнительных трубопроводов [ править ]
Торцевое торцевое торцевое уплотнение выделяет тепло в результате трения и вязкого сдвига, и его необходимо охлаждать для обеспечения хорошей производительности и надежной работы. Обычно охлаждение обеспечивается за счет циркуляции жидкости вокруг уплотнения. Эта жидкость, известная как промывочная, может быть той же, что и герметизируемая жидкость, или совершенно другой жидкостью. Промывка может быть нагрета, отфильтрована или обработана иным образом для улучшения рабочих условий вокруг уплотнения. В совокупности системы промывки и очистки известны как схемы трубопроводов. Схемы трубопроводов для механических уплотнений определены в спецификации 682 Американского института нефти и имеют номер. Некоторые схемы трубопроводов используются для одинарных уплотнений, а некоторые - только для нескольких. Некоторые схемы трубопроводов предназначены для контроля герметичности. Некоторые системы уплотнения включают в себя несколько схем трубопроводов.В таблице ниже приведены краткое изложение и описание схем трубопроводов.[1]
| План API | Описание |
|---|---|
| 01, 02, 03 | Внутренняя система для одинарных уплотнений |
| 11, 12, 13, 14 | Простая система рециркуляции для одинарных уплотнений |
| 21, 23, 31, 41 | Система рециркуляции с дополнительным оборудованием для одинарных уплотнений |
| 52, 53A-C, 54, 55, 74 | Внешняя система для двойных уплотнений |
| 32, 62 | Система внешнего впрыска |
| 65A / B, 66A / B | Локализация и устранение утечек |
| 61, 71 | Только соединения (подключены) |
| 72, 75, 76 | Система внешнего контроля и управления утечками герметичных уплотнений |
| 99 | Разное, требуется эскиз |
Истоки и развитие [ править ]
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 (которое фактически не имело привода) впервые было использовано в холодильных компрессорах. Cooke Seal Company была побочным продуктом для Кука, и он продал компанию Muskegon Piston Ring Company, где она стала Rotary Seal Division. Muskegon Piston Ring продала свое подразделение Rotary Seal Division компании EG&G Sealol, которая позже была приобретена John Crane Incorporated.
Первое коммерчески успешное механическое уплотнение, которое будет использоваться в центробежных насосах, вероятно, было произведено подразделением Cameron компании Ingersoll-Rand. В 1928 году уплотнение Камерона было установлено в ряде центробежных трубопроводных насосов [6].
В механических уплотнениях 1930-х годов часто использовалась комбинация лицевой стороны закаленной стали и свинцовой бронзы. Углерод-графит широко не использовался в качестве материала 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, вероятно, примерно в 1938 или 1939 году, механические уплотнения начали заменять набивку автомобильных водяных насосов. Знаменитый джип времен Второй мировой войны использовал в водяном насосе резиновое сильфонное уплотнение. После Второй мировой войны все автомобильные водяные насосы использовали торцевые 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 конце концов, большинство этих компаний вышли из бизнеса по продаже печатей, но печать Байрона Джексона стала печатью Борга-Уорнера (ныне Flowserve), а печать Уортингтона была продана компании Chempro (теперь John Crane - Sealol).
К 1950 г. картриджные уплотнения использовались регулярно; эта удобная упаковка уплотнения, гильзы и сальника, вероятно, была разработана CE Wiessner из Durametallic около 1942 года [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 из концептуальных проектов и руководств по применению, которые используются сегодня. Имеющиеся в продаже конструкции включают как вращающиеся, так и неподвижные гибкие элементы, сбалансированную и несбалансированную гидравлическую нагрузку, резиновые и металлические сильфоны, а также широкий спектр конструкций и типов пружин. Вторичные уплотнительные элементы включали уплотнительные кольца, клинья, U-образные манжеты и различные уплотнения. Углерод-графит широко использовался в качестве материала поверхности уплотнения; сопрягаемая поверхность уплотнения часто была из чугуна, никелевого резиста, 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 использовались одинарные и множественные уплотнения для достижения требуемых характеристик. В 1957 году компания Sealol представила металлическое сильфонное уплотнение со сварной кромкой.Ранее в металлических сильфонных уплотнениях использовались формованные сильфоны, которые были намного толще и жестче.[7]
В 1959 году компания John C. Copes из Батон-Руж, штат Луизиана подала заявку на патент на разрезное уплотнение и в 1962 году получила патент № 3025070. В конструкции Copes разделены были только грани. Копс решил предоставить индивидуальные разъемные уплотнения, которые он изготовил сам, поэтому было произведено очень мало его разъемных уплотнений. [8]
Закон о чистом воздухе 1990 г. установил ограничения на неорганизованные выбросы от насосов. Производители уплотнений ответили улучшенным дизайном и лучшими материалами. В октябре 1994 года Американский институт нефти выпустил стандарт API 682 «Системы уплотнения вала для центробежных и ротационных насосов». Этот стандарт оказал большое влияние на индустрию уплотнений. В дополнение к руководящим принципам выбора уплотнения API 682 требует квалификации. испытания производителями уплотнений. [9] API 682 сейчас находится в 4-м издании, и началась работа над 5-м изданием.
В отрасли торцевых уплотнений наблюдается значительная консолидация. Среди основных производителей:
- Джон Крейн (Smiths Group, Великобритания) включает Sealol (Rotary), Flexibox, Safematic, Ropac;
- Flowserve включает BW / IP (Borg-Warner), Durametallic, Five Star, Pacific Wietz;
- EagleBurgmann включает Eagle, Burgmann.
Сегодня, в дополнение к рисункам лица, таким как спиральные канавки и волны, были разработаны материалы со специальными поверхностями, способствующими гидродинамической подъемной силе. Лазеры можно использовать для травления микроскопических текстур на поверхности уплотнения, улучшающих рабочие характеристики. Пьезоэлектрические материалы и электронные устройства управления исследуются для создания действительно контролируемых уплотнений. Применение специализированных рисунков поверхностей уплотнения, поверхностей и элементов управления - это новая технология, которая быстро развивается и имеет большие перспективы на будущее.
См. Также [ править ]
- Лабиринт Печать
- Сухое газовое уплотнение
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f g Стандарт API 682, четвертое издание, 2014 г., «Насосы - системы уплотнения вала для центробежных и ротационных насосов», Американский институт нефти , Вашингтон, округ Колумбия.
- ^ a b Schoenherr, KS, "Терминология проектирования механических торцевых уплотнений", Общество инженеров автомобильной промышленности, Vol. 74, Бумага № 650301, (1966).
- ^ a b Миллер, Артур Х., Люди, продукты и прогресс: история Durametallic, Priscilla Press, Аллеган Форест, Мичиган, 1992.
- ^ Патент США # 6685191, «Механическое уплотнение для вращающегося вала», 11 февраля 2000
- ^ Патент США # 1545080, «Уплотнение для вращающихся валов», 7 июля 1925
- ^ Тетлоу, "Важность механического уплотнения при работе с жидкостями", Работа с жидкостями, январь 1951 г.
- ^ Элонка, Стив, Взгляните на сегодняшние механические уплотнения @, Power, 1956.
- ^ Патент США # 3025070, "Разделить механические уплотнения", 13 марта 1962
- ^ Бак, Г. С., Хюбнер, М. Б., Торп, Дж. М., и Фернандес, К. Л. «Достижения в области механических уплотнений - Введение во второе издание API-682», Техасский симпозиум по турбомашинному оборудованию A&M, 2003 г.
- Блох, Хайнц П. и Будрис, Аллан Р., "Руководство пользователя насоса, второе издание", CRC Press, 2006.
- Лебек, АО, «Принципы и конструкция механических торцевых уплотнений», Нью-Йорк: Wiley-Interscience, (1991).
