Как работают механические уплотнения?

Механические уплотнения - это устройства, используемые для предотвращения утечки жидкости из вращающихся или возвратно-поступательных компонентов оборудования, таких как насосы, компрессоры и смесители. Как правило, они состоят из двух основных компонентов: неподвижной части (часто называемой неподвижной поверхностью) и вращающейся части (называемой вращающейся поверхностью). Эти две уплотнительные поверхности вместе с рядом уплотнительных устройств, таких как прокладки и кольца, герметизируют рабочую среду внутри уплотнительной камеры вращающегося оборудования, как показано ниже.

Вот как обычно работают механические уплотнения:

Конструкция торцевой поверхности механического уплотнения

Контактные поверхности: В основе торцевого уплотнения лежат две плоские или слегка изогнутые поверхности, называемые торцами уплотнения. Одна из этих поверхностей крепится к неподвижному компоненту машины (обычно к корпусу насоса), а другая - к вращающемуся компоненту машины (обычно к вращающемуся валу). Во время работы эти поверхности входят в противовращательный контакт друг с другом.

Первичное уплотнение: Когда машина работает, вращающийся вал заставляет одну поверхность уплотнения вращаться, в то время как другая остается неподвижной. Тесный контакт между двумя поверхностями создает барьер, который предотвращает утечку жидкости из вращающегося оборудования или машины. Эти уплотнительные поверхности известны как первичное уплотнение механического моря, как показано ниже.

Жидкая пленка

Качество пленки жидкости между противовращающимися поверхностями уплотнения является наиболее важным фактором в конструкции механического уплотнения.

В конструкции одиночного механического уплотнения пленка жидкости состоит из рабочей среды.

В конструкции двойного механического уплотнения пленка жидкости состоит из рабочей среды (в случае применения буферной жидкости без давления по API Plan 52) или вторичной барьерной жидкости (в случае применения барьерной жидкости под давлением по API Plan 53).

Если пленка жидкости слишком большая, уплотнительные поверхности будут протекать, как показано ниже.

Если пленка жидкости слишком мала, уплотнительные поверхности нагреваются, изнашиваются и повреждаются. Это также приводит к утечке через уплотнительные поверхности, как показано ниже.

Поэтому идеальный, оптимизированный размер пленки жидкости имеет решающее значение для успешной конструкции механического уплотнения и его долговечности.

Каков оптимальный размер пленки жидкости в механическом уплотнении?

Размер пленки жидкости в механическом уплотнении может варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая конструкцию уплотнения, условия эксплуатации и конкретное применение. Как правило, под жидкостной пленкой понимается тонкий слой жидкости между торцами уплотнения, который помогает минимизировать трение, рассеивать тепло и обеспечивать барьер от утечек.

Толщина пленки жидкости может составлять от нескольких микрометров (микронов) до нескольких сотен микрометров (микронов), в зависимости от нескольких факторов. Микрометр - это единица длины, измеряющая одну миллионную часть метра или одну тысячную часть миллиметра (0,001 мм). Таким образом, 3 микрона - это 0,003 мм (0,00012 дюйма). Это довольно мало, если учесть, что диаметр человеческого волоса обычно составляет 50-100 микрон.

К факторам, влияющим на толщину пленки жидкости в механическом уплотнении, относятся;

Рабочая скорость: Более высокие скорости могут привести к образованию более тонких пленок жидкости из-за увеличения силы сдвига, действующей на жидкость.

Обработка поверхности: Гладкость и шероховатость поверхности уплотнительных поверхностей может влиять на толщину пленки жидкости. Более тонкая отделка часто приводит к образованию более тонкой пленки жидкости.

Свойства жидкости: Вязкость и смазывающие свойства жидкости, используемой в уплотнении, могут влиять на толщину пленки жидкости. Жидкости с более высокой вязкостью могут привести к образованию более толстой пленки.

Условия эксплуатации: Температура, давление и другие факторы окружающей среды также могут влиять на толщину пленки жидкости.

Как правило, толщина пленки жидкости тщательно разрабатывается и контролируется для обеспечения оптимальной работы торцевого уплотнения, балансируя между потребностью в смазке и теплоотдаче и требованием эффективного уплотнения и минимальной утечки.

Другие элементы механического уплотнения

Вторичное уплотнение: Наряду с первичными уплотнительными поверхностями механические уплотнения оснащаются вторичными уплотнительными элементами для повышения эффективности уплотнения. Они могут включать в себя уплотнительные кольца, прокладки из эластомера или другие типы динамических или статических уплотнительных элементов. Эти вторичные уплотнения помогают сохранить целостность уплотнения, предотвращая утечку через любые зазоры между первичными уплотнительными поверхностями.

Смазка и охлаждение: Для уменьшения трения и износа между торцами уплотнения, а также для отвода тепла, выделяющегося во время работы, механические уплотнения часто нуждаются в смазке и охлаждении. Это может быть достигнуто за счет использования барьерной жидкости или системы поддержки уплотнения, которая подает совместимую жидкость к торцам уплотнения.

Пружина или сильфон: Во многих механических уплотнениях для поддержания необходимой силы контакта между торцами уплотнения используется пружинный или сильфонный механизм. Это обеспечивает сохранение эффективности уплотнения при различных условиях эксплуатации, включая изменения температуры и давления.

Промывочные и барьерные системы: В некоторых случаях, особенно при работе с опасными или абразивными жидкостями, механические уплотнения могут быть оснащены промывочными или барьерными системами. Эти системы обеспечивают дополнительную защиту, подавая чистую жидкость или газ на поверхности уплотнения, что помогает предотвратить загрязнение продукта и продлить срок службы уплотнения.

В целом, торцевые уплотнения обеспечивают плотное, контролируемое взаимодействие между вращающимися и неподвижными компонентами, эффективно предотвращая утечку жидкости и обеспечивая целостность и эффективность вращающегося оборудования в различных промышленных областях.

За дополнительной информацией обращайтесь в компанию Reliability Engineering и/или подайте заявку на участие в одном из наших учебных курсов по уплотнениям.