PL222205B1 - Aktywne, bezstykowe, uszczelnienie czołowe - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 402956 (51) Int.Cl.

F16J 15/52 (2006.01) F04D 29/12 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 01.03.2013 (54)

Aktywne, bezstykowe, uszczelnienie czołowe

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL
09.12.2013 BUP 25/13	(72) Twórca(y) wynalazku:
	CZESŁAW KUNDERA, Kielce, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
29.07.2016 WUP 07/16	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Antoni Garstka

PL 222 205 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest aktywne, bezstykowe, uszczelnienie czołowe, znajdujące zastosowanie do uszczelniania wałów maszyn wirnikowych takich jak pompy, sprężarki.

Do uszczelniania wysokoobrotowych wałów maszyn wirnikowych stosowane są bezstykowe uszczelnienia czołowe składające się z dwóch pierścieni dociskanych, powierzchniami czołowymi, elementem sprężystym w postaci jednej centralnej sprężyny walcowej lub układu wielu sprężyn rozmieszczonych na obwodzie pierścienia, tzw. układ wielosprężynkowy. Dla zapewnienia wymaganej wysokości szczeliny czołowej między pierścieniami uszczelniającymi wymagana jest odpowiednio dobrana wartość siły dociskającej, którą zapewnia element sprężysty oraz odpowiednia wartość siły nośnej generowanej w szczelinie. Stabilna praca uszczelnienia bezstykowego z zadaną wysokością szczeliny wymaga utrzymania warunku równowagi sił dociskających, „zamykających” szczelinę i siły nośnej, „otwierającej” szczelinę. Zmienne warunki w czasie eksploatacji maszyny wirnikowej, to jest zmiana ciśnienia i temperatury cieczy uszczelnianej, prędkości kątowej wału, wymagają odpowiednich zmian sił działających na pierścienie uszczelniające tak, aby utrzymywana była zadana konstrukcyjnie wysokość szczeliny.

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

Z opisu patentowego US 4643437 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 pierścieni. Zastosowany siłownik piezoelektryczny poprzez zmianę siły obciążającej pierścień wywołuje zmianę kształtu szczeliny, co skutkuje zmianą rozkładu ciśnienia i siły hydrodynamicznej generowanej w szczelinie oraz siły tarcia na powierzchniach czołowych pierścieni i odpowiednio zmianą temperatury.

Znane jest z polskiego opisu patentowego PL 211 380 aktywne uszczelnienie czołowe z dwoma mieszkami sprężystymi, które trwale połączone z nieobracającym się pierścieniem uszczelniającym i pokrywą uszczelnienia tworzą wewnętrzną komorę obciążającą, do której jest podłączony zewnętrzny pneumatyczny układ zasilający regulujący siłę dociskającą pierścienie uszczelniające, który wykorzystuje, jako sygnał sterujący, wartość średnią temperatur mierzonych, w co najmniej trzech miejscach na obwodzie przy pomocy termoelementów umiejscowionych w pobliżu strefy tarcia. Zmierzone wartości temperatur są przekazywane do układu pomiarowo-sterującego, który na ich podstawie zmienia nastawy zaworu elektropneumatycznego w układzie pneumatycznym, a tym samym odpowiedniej zmianie ulega wartość ciśnienia w komorze obciążającej.

Ograniczeniem przedstawionych rozwiązań układów automatycznej regulacji jest przyjęcie wartości temperatury pierścienia stacjonarnego, jako sygnału sterującego. Wiadomo jest, że zmiany temperatury cechują się dużą bezwładnością i niewielką czułością na zmiany wysokości szczeliny, dlatego takie układy sterowania nie mogą być wykorzystywane w uszczelnieniach bezstykowych pracujących w warunkach szybkich zmian parametrów pracy maszyny wirnikowej.

Z polskiego opisu patentowego PL 205 479 znane jest zastosowanie układu sterowania w konstrukcji bezstykowego uszczelnienia wzdłużnego do pozycjonowania pierścienia pływającego względem wirującego wału. Sygnałami sterującymi w zaproponowanym układzie automatycznej regulacji są wartości przemieszczeń wału i pierścienia pływającego mierzone przy pomocy czujników bezstykowych.

Z opisu patentowego US 4889350 znane jest uszczelnienie czołowe, w którym zastosowano układ obciążający pierścienie, składający się z dwóch mieszków sprężystych połączonych szeregowo. Rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na zwiększenie podatności zabudowy pierścienia, ale nie umożliwia zmiany obciążenia w czasie eksploatacji uszczelnienia.

Aktywne, bezstykowe, uszczelnienie czołowe, zawierające dociskane uszczelniane pierścienie, z których jeden jest przesuwny wzdłuż osi, przy czym z osiowo przesuwnym pierścieniem uszczelniającym oraz pokrywą połączone są dwa sprężyste mieszki tworzące obciążającą komorę, do której podłączony jest zewnętrzny układ zasilający, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pokrywie uszczelnienia ma na trwale osadzone co najmniej trzy czujniki stykowe do mierzenia przemieszczeń osiowo przesuwnego pierścienia, które to czujniki są połączone z układem pomiarowo-sterującym współpracującym z elektromagnetycznym zaworem pneumatycznego układu zasilającego.

PL 222 205 B1

Korzystnie, czujniki stykowe są rozmieszczone symetrycznie na obwodzie, a promień obwodu rozmieszczenia czujników jest mniejszy od promienia wewnętrznego mieszka.

Aktywne, bezstykowe, uszczelnienie czołowe, według wynalazku, ma budowę kompaktową i składa się z jednego pierścienia uszczelniającego zamocowanego do tulei osadzonej na wirującym wale oraz drugiego pierścienia uszczelniającego nieobracającego się, stacjonarnego, zamocowanego podatnie w obudowie uszczelnienia poprzez dwa współosiowo zamocowane mieszki sprężyste tworzące równoległy układ dociskający, który służy do wywołania wstępnego docisku osiowego pierścieni. Między mieszkami zewnętrznym i wewnętrznym, trwale połączonymi jednym końcem z pierścieniem osiowo przesuwnym, a drugim końcem z pokrywą uszczelnienia, jest utworzona zamknięta komora obciążająca, do której z zewnątrz doprowadzone jest sprężone powietrze pod odpowiednim ciśnieniem. 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 obciążającej komorze wykorzystuje, jako sygnał sterujący, przemieszczenie osiowe pierścienia stacjonarnego mierzone korzystnie w trzech miejscach na jego obwodzie przy pomocy stykowych czujników przemieszczeń osadzonych w pokrywie uszczelnienia, zamykającej pneumatyczną komorą obciążającą. Zmierzone wartości przemieszczeń osiowych pierścienia są przekazywane do układu pomiarowo-sterującego, w którym wyznaczana jest średnia wysokość szczeliny między pierścieniami i porównywana z wartością zadaną. Różnica między tymi wartościami wysokości szczeliny jest podstawą do odpowiedniej zmiany nastawy zaworu elektropneumatycznego w układzie pneumatycznym, co wywołuje odpowiednią zmianę wartości ciśnienia powietrza w komorze obciążającej, a tym samym zmianie ulega wartość siły dociskającej i pośrednio zmienia się wysokość szczeliny między pierścieniami uszczelniającymi.

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

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

Aktywne bezstykowe uszczelnienie czołowe składa się z dwóch uszczelniających pierścieni 1, 2 i stanowi kompaktowy moduł uszczelniający osadzony na tulei 3 zablokowanej mocującymi wkrętami 9 na wyjściu wału obrotowego 10 z korpusu maszyny wirnikowej. Szczelność powierzchni styku tulei 3 z wałem 10 oraz powierzchni styku pierścienia uszczelniającego 1 z tuleją 3 zapewniają pierścienie elastomerowe 11, 12 typu „O”. Moment obrotowy z tulei 3 na pierścień uszczelniający 1 jest przenoszony przez element zabierający w postaci kołka 13.

Z osiowo przesuwnym uszczelniającym pierścieniem 1, połączone są dwa sprężyste mieszki: zewnętrzny 4 i wewnętrzny 5 tworzące komorę obciążającą 6. Mieszki 4 i 5 połączone są trwale z pokrywą 15 uszczelnienia, która posiada trzy otwory 16, przez które jest doprowadzane sprężone powietrze do komory obciążającej 6, z zewnętrznego układu zasilającego 19.

W pokrywie uszczelnienia 15 są wykonane trzy otwory 8 rozłożone równomiernie, co 120°, na obwodzie, którego promień jest mniejszy od promienia wewnętrznego mieszka 5. W otworach 8 osadzone są czujniki stykowe 7 do pomiaru przemieszczeń osiowo przesuwnego pierścienia 2, w taki sposób, że ich elementy pomiarowe stykają się bezpośrednio z tym pierścieniem 2. Sygnały pomiarowe z czujników przemieszczeń są przesyłane do układu pomiarowo-sterującego 17, gdzie jest wypracowywany sygnał sterujący zaworem elektropneumatycznym 18 w pneumatycznym układzie zasilającym 19.

W warunkach eksploatacji uszczelnienia według wynalazku, wstępny docisk osiowy pierścieni uszczelniających 1, 2 realizują dwa odpowiednio ściśnięte sprężyste mieszki 4, 5 stanowiące równoległy układ obciążający. W warunkach stabilnej, nominalnej, pracy uszczelnienia dla zadanych parametrów pracy, to jest wartości ciśnienia p medium uszczelnianego i prędkości kątowej ω wału, zewnętrzna siła dociskająca osiowo przesuwny pierścień 2 jest równoważona wewnętrzną siłą generowaną w szczelinie. Równowaga tych sił zapewnia zadaną wartość wysokości szczeliny między pierścieniami uszczelniającymi 1, 2.

W przypadku wzrostu ciśnienia cieczy uszczelnianej, wzrasta siła powstająca w szczelinie, która poprzez zmianę położenia osiowo przesuwnego pierścienia 2 powoduje wzrost wysokości szczeliny między pierścieniami uszczelniającymi 1, 2. Zmiana ta jest bezpośrednio mierzona przez czujniki stykowe 7, które przekazują sygnał pomiarowy do układu sterowania zewnętrznym pneum atycznym układem zasilającym 19. W celu przesunięcia pierścienia 2 w założone konstrukcyjnie

PL 222 205 B1 położenie równowagi, zewnętrzny pneumatyczny układ zasilający 19 odpowiednio zwiększa ciśnienie w obciążającej komorze 6, a tym samym zwiększa odpowiednio wartość siły dociskającej.

W ten sposób jest realizowana idea uszczelnienia aktywnego, w którym występuje regulacja siły obciążającej uszczelniające pierścienie 1, 2 w zależności od zmian wysokości szczeliny, a tym samym zmian warunków pracy, to jest ciśnienia p medium uszczelnianego oraz prędkości kątowej ω wału.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Aktywne, bezstykowe, uszczelnienie czołowe, zawierające dociskane uszczelniane pierścienie, z których jeden jest przesuwny wzdłuż osi, przy czym z osiowo przesuwnym pierścieniem uszczelniającym oraz pokrywą połączone są dwa sprężyste mieszki tworzące obciążającą komorę, do której podłączony jest zewnętrzny układ zasilający, znamienne tym, że w pokrywie (15) uszczelnienia ma na trwale osadzone, co najmniej trzy czujniki stykowe (7) do mierzenia przemieszczeń osiowo przesuwnego pierścienia (2), które są połączone z układem pomiarowo sterującym (17) współpracującym z elektromagnetycznym zaworem (18) pneumatycznego układu zasilającego (19).
2. 2. Aktywne uszczelnienie, według zastrz. 1, znamienne tym, że czujniki stykowe (7) są rozmieszczone symetrycznie na obwodzie.
3. 3. Aktywne uszczelnienie, według zastrz. 1, lub 2, znamienne tym, że promień obwodu rozmieszczenia czujników (7) jest mniejszy od promienia wewnętrznego mieszka (5).