PL211380B1 - Aktywne uszczelnienie czołowe - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest aktywne uszczelnienie czołowe znajdujące zastosowanie do uszczelniania wałów maszyn wirnikowych, pomp i sprężarek.

Znane powszechnie do uszczelniania wałów obrotowych stosowane są mechaniczne uszczelnienia czołowe składające się z dwóch pierścieni dociskanych sprężyście powierzchniami czołowymi przy pomocy elementu sprężystego w postaci jednej centralnej sprężyny walcowej lub układu wielu sprężyn rozmieszczonych na obwodzie pierścienia tworzących układ wielosprężynkowy; układem sprężyn płaskich lub jednego mieszka sprężystego. Dla zapewnienia szczelności styku czołowego pierścieni uszczelniających wymagana jest odpowiednio dobrana wartość siły docisku, którą zapewnia element sprężysty. Zmienne warunki w czasie eksploatacji maszyny wirnikowej wymagają odpowiednich zmian siły dociskającej pierścienie uszczelniające.

Jakościowo nowym sposobem poprawy niezawodności uszczelnień jest zastosowanie w ich konstrukcji układu automatycznej regulacji. Takie uszczelnienia w odróżnieniu od wyżej opisanych nazywane są aktywnymi lub regulowanymi.

Z książki Lebeck A.O. pt. Principles and Design of Mechanical Face Seals, Wiley, New York, 1991, s.714, znane jest rozwiązanie w którym, przedstawiono schemat mechanicznego uszczelnienia czołowego z układem sterowania i opisano koncepcję sterowania piezoelektrycznym siłownikiem dociskającym pierścienie uszczelniające, na podstawie pomiaru temperatury na powierzchni jednego z nich. Zastosowany sił ownik piezoelektryczny poprzez zmianę sił y obciążają cej pierś cień wywoł uje zmianę kształtu szczeliny, co skutkuje zmianą siły tarcia na powierzchniach styku pierścieni i odpowiednio zmianą temperatury.

Znane jest z polskiego opisu patentowego PL 205479 zastosowanie układu sterowania w konstrukcji bezstykowego uszczelnienia wzdłużnego do pozycjonowania pierścienia pływającego względem wirującego wału. Istota tego rozwiązania polega na zastosowaniu w obudowie pierścienia pływającego czujników pomiarowych i podatnych elementów wykonawczych (obciążających) połączonych z regulatorem (sterownikiem) tworząc razem układ automatycznej regulacji położeniem pierścienia. Uszczelnienie posiada czujniki przemieszczeń zamocowane w obudowie oraz elementy wykonawcze stanowiące podstawę sprężyn promieniowych, które połączone są ze sterownikiem i tworzą układ automatycznej regulacji sił promieniowych obciążających, pozycjonujących pierścień pływający względem wirującego wału. Czujniki przemieszczeń stanowią bezstykowe czujniki indukcyjne, a elementem wykonawczym jest siłownik pneumatyczny lub hydrauliczny.

Aktywne uszczelnienie czołowe zawierające dociskane uszczelniane pierścienie, z których jeden jest przesuwny wzdłuż osi, według wynalazku charakteryzuje się tym, że z osiowo przesuwnym pierścieniem uszczelniającym połączone są dwa mieszki sprężyste zewnętrzny i wewnętrzny tworzące komorę obciążającą przy czym drugie końce tych mieszków połączone są trwale z pokrywą uszczelnienia, zawierającą co najmniej trzy otwory przez które do komory obciążającej doprowadzane jest sprężone powietrze, z zewnętrznego układu zasilającego. Pierścień uszczelniający od strony komory obciążającej posiada co najmniej trzy otwory o małej średnicy i głębokości do około 1 mm od uszczelnianej powierzchni czołowej, w których są umieszczone czujniki do pomiaru temperatury w strefie tarcia. Czujniki połączone są przewodami z układem pomiarowo-sterującym w układzie zasilającym, gdzie jest wypracowywany sygnał sterujący zaworem elektropneumatycznym.

Aktywne uszczelnienie czołowe według wynalazku ma budowę kompaktową w którym dwa mieszki sprężyste połączone z przesuwnym pierścieniem uszczelniającym tworzą zamkniętą komorę obciążającą do której z zewnątrz doprowadzone jest sprężone powietrze. Poprzez zmianę wartości ciśnienia powietrza w komorze obciążającej, następuje odpowiednio zmiana siły obciążającej styk czołowy pierścieni uszczelniających.

Zewnętrzny układ pneumatyczny do regulacji ciśnienia powietrza w komorze obciążającej wykorzystuje jako sygnał sterujący, wartość średnią temperatur mierzonych w co najmniej trzech miejscach na obwodzie przy pomocy termoelementów umiejscowionych w strefie tarcia. Zmierzone wartości temperatur są przekazywane do układu pomiarowo-sterującego, który na ich podstawie zmienia nastawy zaworu elektropneumatycznego w układzie pneumatycznym, a tym samym odpowiednio zmianie ulega wartość ciśnienia w komorze obciążającej.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na zwiększenie skuteczności uszczelnienia i niezawodności jego działania poprzez aktywne dostosowanie się do zmiennych warunkach pracy maszyny wirnikowej.

PL 211 380 B1

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym uszczelnienie w przekroju wzdłużnym.

Uszczelnienie czołowe składa się z dwóch pierścieni 1, 2 stanowiących kompaktowy moduł uszczelniający zainstalowany na tulei 3 zablokowanej wkrętami mocującymi 9 na wyjściu wału obrotowego 10 z korpusu maszyny przepływowej. Szczelność powierzchni styku tulei 3 z wałem 10 oraz powierzchni styku pierścienia uszczelniającego i z tuleją 3 zapewniają pierścienie elastomerowe 11, 11a typu „O. Moment obrotowy z tulei 3 na pierścień uszczelniający 2 jest przenoszony przez zabierak w postaci kołka 13.

Z osiowo przesuwnym pierścieniem uszczelniającym 2 połączone są dwa sprężyste mieszki: zewnętrzny 4 i wewnętrzny 5 tworzące komorę obciążającą 6. Mieszki 4 i 5 połączone są trwale z pokrywą 7 uszczelnienia, która posiada co najmniej trzy otwory 8, przez które jest doprowadzane sprężone powietrze do komory obciążającej 6, z zewnętrznego układu zasilającego 18.

W pierścieniu uszczelniającym 2 od strony wewnętrznej komory obciążającej są wykonane trzy otwory osiowe 14 o małej średnicy około 2 mm i głębokości do około 1 mm od uszczelnianej powierzchni czołowej, w których są umieszczone czujniki 15 do pomiaru temperatury w pobliżu strefy tarcia. Przewody czujników są wyprowadzone poprzez otwory 8 w pokrywie 7 uszczelnienia do układu pomiarowo-sterującego 16 w układzie zasilającym 18, gdzie jest wypracowywany sygnał sterujący zaworem elektropneumatycznym 17.

W warunkach eksploatacji uszczelnienia według wynalazku, wstępny docisk osiowy pierścieni uszczelniających 1, 2 realizują sprężyste mieszki 4, 5. W styku czołowym pierścieni, dla zadanych parametrów pracy, na skutek ich tarcia ślizgowego wytwarza się ciepło, którego miarą jest wartość temperatury mierzona pod powierzchnią tarcia. W warunkach równowagi termodynamicznej wartość temperatury stabilizuje się na zadanym poziomie.

W przypadku wzrostu ciśnienia cieczy uszczelnianej wzrasta natężenie przepływu przez szczelinę, zwiększa się ilość odprowadzanego ciepła i spada wartość temperatury w strefie tarcia. W tym przypadku zewnętrzny pneumatyczny układ zasilający 18 zwiększa odpowiednio ciśnienie w komorze obciążającej 6, a tym samym wartość siły dociskającej. W ten sposób jest realizowana idea uszczelnienia aktywnego w którym występuje regulacja siły obciążającej pierścienie uszczelniające 1, 2 w zależności od zmiany warunków pracy, to jest ciśnienia cieczy uszczelnianej p, prędkości obrotowej wału, zużycia powierzchni.

Claims (2)

1. Aktywne uszczelnienie czołowe zawierające dociskane uszczelniane pierścienie, z których jeden jest przesuwny wzdłuż osi, znamienne tym, że z osiowo przesuwnym pierścieniem uszczelniającym (2) połączone są dwa mieszki sprężyste zewnętrzny (4) i wewnętrzny (5) tworzące komorę obciążającą (6) przy czym drugie końce tych mieszków (4, 5) połączone są trwale z pokrywą (7) uszczelnienia, zawierającą co najmniej trzy otwory (8), przez które do komory obciążającej (6) doprowadzane jest sprężone powietrze, z zewnętrznego układu zasilającego (18).

2. Aktywne uszczelnienie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pierścień uszczelniający (2) od strony komory obciążającej (6) posiada co najmniej trzy otwory (14) o małej średnicy i głębokości do około 1 mm od uszczelnianej powierzchni czołowej, w których są umieszczone czujniki (15), do pomiaru temperatury w strefie tarcia, połączone przewodami z układem pomiarowo-sterującym (16) układu zasilającego (18), gdzie jest wypracowywany sygnał sterujący zaworem elektropneumatycznym (17).