Торцевое уплотнение. В этом уплотнении герметичность достигается за счет плотного поджатия по торцевым плоскостям двух деталей – вращающейся и неподвижной. Герметичность в таком соединении может быть достигнута только при высоком качестве обработке прилегающих поверхностей. Неровности 1мкм нарушают нормальную работу торцевого уплотнения. Поверхности трения подвергаются шлифовке и притирке, и имеют высокую чистоту обработки (№ 10 - 12), они могут быть плоскими, сферическими или конусными. Плоские поверхности применяются чаще, т.к. при доводке легче получить хорошую чистоту поверхности трения, ширина кольцевой поверхности трения не должна быть большой (меньше 6 - 8 мм).

В химической промышленности торцевые уплотнения применяются не только для реакторов, но и для центробежных насосов. Торцевое уплотнение для герметизации аппаратов представлено на рисунке 30. Кольцо 2 получает вращение от вала через водило 4, состоящее из двух половинок, стягивающих вал, и через шпильки 3. Неподвижное кольцо 7 соединено с сильфоном. Тяги 6 с пружиной дают возможность регулировать силу поджатия колец 2 и 7, сильфон 8 позволяет компенсировать биение вала.

1 - корпус; 2 - вращающееся кольцо; 3 - шпилька; 4 - водило; 5 - пружина; 6 - тяга; 7 - неподвижное кольцо; 8 - сильфон.

Рисунок 30 - Торцевое уплотнение.

уплотнение (рисунок 30) работает при давлении 2* 103 - 1,6* 106 Па, температуре до 250 ° С и частоте вращения до 10 с-1.

Достоинства – меньшие утечки, чем в сальнике, так как при работе под вакуумом подсос воздуха отсутствует, потери мощности составляют десятые доли потерь мощности на трение в сальнике, не требуется обслуживания, что объясняется большой износостойкостью пары трения (а следовательно, долговечностью) и хорошей работой при биениях вала.

Недостатки – высокая стоимость и сложность ремонта.

Основным узлом торцевого уплотнения является пара трения. Материал, из которого она изготовлена, должен обладать износостойкостью и малым коэффициентом трения. Используются следующие материалы: кислостойкая сталь – одно кольцо; углеграфит , бронза или фторопласт – другое кольцо. Фторопласт применяется только в случае небольших давлений и при невысоких скоростях пары трения, так как он обладает хладотекучестью. По конструкции торцевое уплотнение может быть внутренним и внешним, одинарным и двойным. Уплотнение, изображенное на рисунке 30, является внешним.

У внутреннего уплотнения вращающееся кольцо и нажимные пружины расположены внутри аппарата в рабочей среде. Двойное уплотнение имеет две пары трения и практически представляет собой два последовательных одинарных уплотнения. В двойном уплотнении между двумя парами трения помещается запирающая среда, предотвращающая утечки и отводящая тепло трения.

В химической промышленности наиболее распространенными являются следующие типы торцевых уплотнений: а) двойное торцевое уплотнение типа ТД (левая часть рисунок 31), предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных, пожароопасных, ядовитых и подобных им сред при давлениях до 0,6 МПа (тип ТД-6) и при давлениях до 3,2 МПа (тип ТД-32); б) двойное торцевое уплотнение ТДП (правая часть рисунок 31) с встроенным подшипником, предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных, ядовитых и подобных им сред; в) торцевое уплотнение типа ТСК, в котором использован сильфон из стали 12Х18Н10Т (рисунок 32), предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных и ядовитых сред, находящихся под давлением.

1 - неподвижные уплотнительные кольца; 2 - подвижные уплотнительные кольца; 3 - пружина; 4 - корпус; 5 - встроенный опорный подшипник.

Рисунок 31 - Двойное торцевое уплотнение типа ТД (левая часть рисунка) и типа ТДП (правая часть рисунка).

Данные торцевые уплотнения применяют в аппаратах, работающих при избыточном давлении до 1,6 МПа или остаточном давлении не менее 0,0027 МПа и температуре от -20 до +50 ° С.

Конструкция торцевого уплотнения (рисунок 32.), состоящая из под- вижного кольца 5, закрепленного на валу с помощью водила 2, и неподвижного кольца 6, плотно прижимаемого торцевой поверхностью к неподвижному кольцу пружинами 4 и гайками 3. Неподвижное кольцо 6 соединено болтами 10 с узлом сильфона 7. Корпус 8 закрыт сверху крышкой 1 и прикреплен фланцами и болтами 9 к крышке аппарата.

1 - крышка; 2 - пружина; 3 - подвижное кольцо; 4 - неподвижное кольцо; 5 - сильфон; 6 - корпус; 7 - болт.

Рисунок 32 - Торцевое уплотнение типа ТСК.

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с гофрированной поверхностью.

Смазку трущихся колец и охлаждение производят проточной водой, циркулирующей в полости крышки. Вода, попавшая через уплотнительную поверхность, собирается в нижней части корпуса, называемой уловителем, и выводится через штуцер. Неподвижные и подвижные кольца (пары трения) изготовляют из углеграфита, сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 95Х18, сплавов хостеллой Д или ситаллов.

Рассмотрим работу торцевого уплотнения (рисунок 33).

Рисунок 33 - Движение среды в зазоре между кольцами торцевого уплотнения

Движение среды в зазоре между кольцами в цилиндрических координатах описывается уравнением:

, (1.49)

Так как уплотнение имеет осевую симметрию, то и , а поскольку в зазоре давление изменяется только в радиальном направлении, то .

После упрощения уравнение (1.49) примет вид:

, (1.50)

Поскольку ширина поверхности соприкосновения колец в торцевом уплотнении невелика, то можно принять:

, (1.51)

Теперь уравнение движения среды запишется следующим образом:

, (1.52)

Исходя из схемы движения среды в зазоре между кольцами, изображенной на рисунке 33, граничные условия для уравнения (1.52):

при , (1.53)

при ,

Интегрирование уравнения (1.52) дает:

, (1.54)

Используя граничные условия (1.53), получаем по уравнению (1.54):

, (1.55)

, (1.56)

из которых находим

; , (1.57)

С учетом постоянных с1 и с2 решение примет вид:

, (1.58)

Величина утечки на единице длины уплотнения составит:

, (1.59)

На всем периметре уплотнения величина утечки будет равна:

, (1.60)

Преобразуем уравнение (1.60):

, (1.61)

Граничные условия для уравнения (1.61) с использованием схемы движения среды в зазоре пары трения рисунок 33:

при , (1.62)

при ,

После интегрирования получаем:

, (1.63)

Отсюда найдем величину утечек среды в торцевом уплотнении:

, (1.64)

Таким образом, на величину утечки наиболее сильное влияние оказывает величина зазора между кольцами торцевого уплотнения. В уравнениях (1.60) и (1.64) эта величина входит в третьей степени, поэтому для нормальной работы уплотнения зазор между кольцами должен быть доведен до минимума. Этого удается достичь шлифовкой и притиркой колец. Величина зазора составляет от долей микрона до нескольких микрон.

В торцевом уплотнении одно из колец вращается, поэтому кроме сил давления и трения на величину утечек оказывает влияние сила инерции. Если угловую скорость вращения среды в зазоре определять как среднюю арифметическую угловых скоростей вращения колец, то уравнение (1.61) с учетом силы инерции примет вид:

, (1.65)

После интегрирования и преобразования величины утечек определятся выражением:

, (1.66)

Таким образом, повышение частоты вращения вала увеличивает утечки при работе аппарата под давлением и уменьшает утечки при работе аппарата под вакуумом.