Уплотнения в центробежных насосах
Увеличение объемного КПД центробежных насосов достигается применением уплотнений. Принцип их действия основан на создании повышенного гидравлического сопротивления в направлениях возможных перетоков и утечек. По этому признаку уплотнения центробежных насосов разделяются на бесконтактные и контактные.
В бесконтактных уплотнениях гидравлическое сопротивление создается благодаря применению многократно чередующихся последовательно расположенных щелей и расширительных камер; при этом контакт между поверхностями подвижных и неподвижных деталей не образуется. Двигаясь через зазоры, нефть (нефтепродукт) неоднократно меняет направление, теряет скорость в местах расширений, т.е. имеют место существенные потери давления как по длине, так и в местных сопротивлениях. Соответственно, расход перекачиваемой жидкости через уплотнение невысок.
Уплотнения бесконтактного типа называются лабиринтными. В центробежных насосах лабиринтные уплотнения устанавливаются между его нагнетательной и всасывающей камерами, между соседними ступенями в многоступенчатом насосе, в разгрузочном устройстве.
Для предотвращения чрезмерных утечек в первом случае устанавливают уплотнительные кольца с зазорами одного из четырех видов (рисунок ниже): плоские, с поворотом на 90º, в виде однорядного лабиринта и в виде двурядного лабиринта. В холодном состоянии осевой зазор должен быть равен 1,2-5 мм, радиальный - 0,3-1 мм.
Уплотнительные устройства рабочих колес
а - плоские; б - с поворотом на 90°; в - в виде однорядного лабиринта; г - в виде двурядного лабиринта
Бесконтактные уплотнения, предназначенные для разгрузки концевых контактных уплотнений, могут быть пяти типов (рисунок ниже): однощелевые с длинной дросселирующей поверхностью постоянного размера, со ступенчатой поверхностью, с канавками на уплотняемой поверхности или винтовой нарезкой, лабиринтные двухщелевые и лабиринтные трехщелевые.
Уплотнительные устройства концевых уплотнений
а - однощелевые с длинной дросселирующей поверхностью по-стоянного размера; б - со ступенчатой поверхностью; в - с канавками на уплотняемой поверхности или винтовой нарезкой; г - лабиринтные двухщелевые; д - лабиринтные трехщелевые
В контактных уплотнениях гидравлическое сопротивление в направлении утечки создается путем непрерывного прижатия к герметизируемым поверхностям специальных деталей. Прижатие обеспечивается благодаря либо упругости материла дополнительных деталей (набивка, кольца), либо упругости пружин (пружинные кольца, аксиальные и плавающие уплотнения), либо воздействию уплотняемой рабочей среды (манжеты, разжимные кольца), либо гидравлическому давлению (гидравлический затвор).
В магистральных центробежных насосах используются контактные уплотнения, называемые торцовыми. Они служат для предотвращения утечки перекачиваемой жидкости из корпуса насоса вдоль вала в окружающую среду и устанавливаются в месте его выхода из корпуса. Торцовое уплотнение образуется двумя плоскими герметизирующими поверхностями, расположенными под прямым углом к оси вращения (рисунок ниже).
Принципиальная схема торцового уплотнения
1 - вал; 2 - пружина; 3 - подвижное контактное кольцо; 4 - опорное (неподвижное) контактное кольцо
При этом одна из них (входящая в состав аксиальнонеподвижного блока) неподвижно закреплена на валу и вращается вместе с ним, а вторая (входящая в состав аксиально-подвижного блока) может перемещаться вдоль вала и прижиматься к первой, как правило, винтовыми цилиндрическими пружинами. Две эти поверхности кольцевой формы образуют так называемую пару трения.
Материалы пар трения должны быть коррозионно- стойкими к уплотняемой среде, термостойкими в рабочем диапазоне температур, обладать достаточной прочностью при рабочих давлениях уплотняемой среды. Контактирующие материалы пары трения должны обладать хорошими антифрикционными свойствами и выдерживать кратковременную работу без смазки.
Наиболее благоприятными средами для работы пар трения торцовых уплотнений являются чистые, без механических примесей нефти, обладающие (в сравнении с водой) повышенной вязкостью и хорошей смазывающей способностью. В таких средах хорошо работают пары трения, одно кольцо которых (обычно вращающееся) изготовлено из стали, а второе - из бронзы или углеграфитовых материалов.
При перекачке маловязких жидкостей без механических примесей и с низкой температурой кипения (таких, как бензин, керосин, дизельное топливо) пара трения сталь по бронзе работает неудовлетворительно из-за плохой смазывающей способности жидкости и ее быстрого испарения из области контакта (из-за чего режим трения близок к сухому). В этих условиях хорошо зарекомендовали себя пары трения, в которых одно кольцо изготовлено из стали, чугуна или керамики, а другое - из углеграфитовых материалов.
Нефть и нефтепродукты, перекачиваемые по трубопроводам, содержат различные механические примеси. Поэтому пары трения торцовых уплотнений помимо хороших антифрикционных свойств должны обладать высокой абразивной износостойкостью. В идеале их твердость должна быть больше твердости частиц мехприме- сей. Тогда при попадании загрязнений на контакт пары трения механическая частица будет перемалываться и уноситься жидкостью, а герметичность уплотнения не пострадает. Высокой твердостью обладает минералоке- рамика, изготавливаемая из силикатных и алюмосиликатных материалов с большим содержанием окислов кремния, алюминия, магния, циркония, а также металлокерамика на основе карбидов вольфрама и титана. Перспективным материалом для изготовления пар трения торцовых уплотнений является силицированный графит, получаемый пропиткой графита жидким кремнием.
Наряду с применением в торцовых уплотнениях материалов с повышенной абразивной стойкостью при перекачке нефтей и нефтепродуктов, содержащих механические примеси, применяют средства предотвращения их попадания в пары трения: фильтры, сальниковые уплотнения, импеллеры и т.д.