Одинарные торцовые (механические) уплотнения

Принято считать что в торцовом уплотнении есть три места уплотнения. Первое основное уплотнение образованное парой т рения стационарного и подвижного кольца и вторичное уплотнение. Иногда уплотнение стационарного кольца и корпуса называют третичным уплотнением но в соответствии с последними редакциями стандарта API этот термин больше не используется это уплотнение также называется вторичным уплотнением.

Если уплотняющий элемент может перемещаться относительно вала под воздействием пружины или давления жидкости, то торцовое уплотнение называется «толкающим» уплотнением или торцовое уплотнение с подвижным кольцом.

Торцовое уплотнение с резиновым или металлическим сильфоном.
Тип торцового (механического) уплотнения, в котором вторичное уплотнение представляет собой эластомерный или металлический сильфон, в котором часть вторичного уплотнения закреплена на валу и не должна соприкасаться с ним для компенсации перемещения вала или износа уплотнительной поверхности.

• Основное различие между уплотнением с кольцом и уплотнением с сильфоном заключается в динамике вращающегося вместе с валом элемента или уплотнительного кольца на валу и в том, перемещается ли оно по мере износа уплотнения.
• По мере износа рабочих поверхностей уплотнения они должны оставаться в контакте для компенсации потери материала. Если уплотнительное кольцо вала должно перемещаться при этом, то оно перемещается вперёд компонентами уплотнения (пружиной) и давлением в камере уплотнения.
• Если уплотнение имеет скользящее «динамическое» уплотнительное кольцо, то уплотнение называется уплотнением толкающего типа (Pusher type) или уплотнением с кольцом. По мере износа уплотнительной поверхности она прижимается к седлу пружиной или пружинами.

В толкающем уплотнении вторичное уплотнение расположено таким образом, что оно скользит вдоль вала вместе с уплотнительной поверхностью, как показано на рисунке. Это наиболее распространённый тип. Недостатком такой конструкции является то, что вторичное уплотнение может застрять или заклинить на валу, так что первичная уплотнительные поверхности не будут прижиматься друг к другу.
В уплотнении с сильфоном вторичное уплотнение расположено под манжетой и не скользит вместе с первичной уплотнительной поверхностью. Этот тип использует металлический или резиновый (эластомерный) сильфон для предотвращения попадания жидкости на вал после вторичного уплотнения. Уплотнения с эластомерными сильфонами нуждаются в пружине для прижатия основной поверхности к седлу.
Если сильфон изготовлен из металла, он также может действовать как пружина.
Конструктивные особенности сильфонных уплотнений препятствуют раскрытию торцового уплотнения.
Как показано на рисунке, утечка некоторых жидкостей через контакт (верхние три эскиза) может препятствовать перемещению подпружиненного кольца. Эта вероятность снижается уплотнениях с металлическими сильфонами, показанных на нижних двух эскизах.

Недостаток уплотнения с подвижным кольцом.
Относительное движение между подвижным кольцом уплотнения и валом насоса приводит к износу вала.
При замене уплотнения необходимо отшлифовать место износа иначе кольцо потеряет подвижность и возможно «зависание» уплотнения. Аналогично такая ситуация может быть если вал изначально имел высокую шероховатость и не был обработан с низкой шероховатостью.

Нагружающие элементы — это детали, которые прикладывают силу к уплотнительному кольцу, чтобы обеспечить гарантированный поджим колец пары трения при отсутствии давления жидкости. Они также помогают поддерживать требуемую толщину пленки жидкости при низком давлении жидкости.

Давление перекачиваемой жидкости, как правило, создает большую часть силы, которая действует для смыкания подвижного и неподвижного колец уплотнения.
Однако нагружающие элементы необходимы, поскольку давление жидкости может быть недостаточным, в тех случаях когда насос запускается, останавливается или работает в нештатном режиме.

Наиболее распространенными нагружающими элементами являются:

• несколько, расположенных по окружности спиральных пружин.
• одна большая спиральная пружина.
• металлический сильфон.

На рисунке давление жидкости действует на поверхность площадью A, усилие которое создается пружиной и силой давления воспринимается площадью В.
Видно, что площадь A больше площади В, следовательно, давление в зоне контакта между парами трения больше, чем давление жидкости в камере уплотнения. Такое уплотнение называется НЕРАЗГРУЖЕННЫМ (НЕСБАЛАНСИРОВАННЫМ) и применяется только для низких давлений до 10 или 16 бар.
На втором рисунке показано, что за счет ступеньки на валу и подвижном кольце уплотнения образуют площадь контакта между парами трения, которая больше площади давления А. Давление в зоне контакта будет меньше. Такое уплотнение называется РАЗГРУЖЕННЫМ. Такое решение позволяет работать при более высоких давления и при прочих равных условиях продлить срок эксплуатации.

Поверхность слева подвижного уплотнения, можно рассматривать как поршень, на который действуют несколько сил, удерживающих его в равновесии. Смыкающими силами являются усилие пружины и давление в системе, Fпруж и Pжидкость.

Силы раскрытия более сложны и включают в себя:

• Сила реакции со стороны ответного кольца. При нормальной работе она будет минимальным или нулевым.
• Гидростатическое давление жидкости, находящейся между торцами
• Гидродинамическое давление, возникающее при вращении.
• Дополнительной силой, которая может действовать в любом направлении и поэтому рассматривается как потенциальный эффект мертвой зоны, является трение или гистерезис вторичного уплотнения (резинового кольца). Количественно определить эту силу бывает очень сложно.

Конструкции торцовых уплотнений можно условно разделить на два типа по расположению пары трения – внутри и с наружи корпуса уплотнения.

Если уплотнение установлено внутри камеры уплотнения насоса, оно называется внутренним уплотнением.
Несмотря на то, что внутренние уплотнения сложнее монтировать, преимущества внутреннего уплотнения обычно перевешивают его недостатки.
1 - дроссельная втулка; 2 - подвижное кольцо; 3 - опорное кольцо.

Ограничения на применение наружных уплотнений могут быть существенными и должны учитываться при выборе, особенно в тех случаях когда особе внимание уделяется безопасности и надежности.
В частности, из-за недостаточного отвода тепла от уплотнительных поверхностей внешние уплотнения имеют ограничения по температуре применения и частоте вращения, а также применяются при более низком давлении. (Давление должно быть ниже, по сравнению с внутренними уплотнениями, поскольку давление действует на детали уплотнения изнутри наружу, а не внутрь).

Уплотнения картриджного (патронного) типа.
Преимущества уплотнений картриджного типа.

• Уплотнения поставляются в собранном на заводе изготовителе виде.
• Меньше время на монтаж.
• Могут быть установлены на большинстве типов насосов без разборки насоса.
• Требуют меньшего уровня квалификации и опыта обслуживающего персонала.
• Механикам не нужно контролировать иногда сложные и запутанные установочные размеры для того чтобы обеспечить правильное поджатие пружин и пар трения.
• Механик не имеет возможности прикоснуться или занести загрязнение между парами трения во время монтажа уплотнения. Меньше риск механического повреждения пар трения.
• Стоимость монтажа меньше. (Время на установку меньше).
• Стоимость уплотнителя в целом меньше, чем сумма отдельных частей включая детали насоса необходимых для монтажа компонентных уплотнений. Не всегда верно.
• Картриджные уплотнения часто идут в комплекте с ремонтными комплектами (парами трения резиновыми кольцами).
• В большинстве конструкций картриджей предусмотрены отверстия и аппаратные средства для подключения вспомогательных систем элементов управления подвода и отвода запирающих жидкостей.