Constructia Etansarilor Frontale

C U P R I N S

GENERALITĂȚI

Clasificarea etanșărilor

Criterii de alegere a sistemului de etanșare

Evoluția și performanțele etanșărilor frontale

Utilizări, Avantaje.Dezavantaje

CONSTRUCȚIA ETANȘĂRILOR FRONTALE

Elementele constructive ale etanșărilor frontale

Echilibrul forțelor și compensarea etanșărilor frontale

Construcția etanșărilor primare și secundare

Construcția etanșărilor primare

Construcția etanșărilor secundare

Construcția sistemului elastic de apăsare și

apăsare-etanșare

Soluții constructive de autotorsiune în EF

Materiale utilizate în construcția etanșărilor frontale

Materiale pentru etanșări primare

Construcția etanșărilor frontale duble (EFD)

Etanșare dublă mixtă (EDM)

Grupuri de etanșare

Soluții constructive pentru frecarea fluidă în interfață

Efecte hidrodinamice datorate materialelor inelelor

Efecte hidrodinamice prin formă

Efecte hidrodinamice prin prelucrări pe interfață

Ungerea HS respectiv HD și EF

Clasificarea, simbolizarea și selecția etanșărilor frontale

Simbolizarea EF

Selecționarea EF

Echipamente auxiliare

STANDURI DE ÎNCERCARE ȘI MIJLOACE DE INVESTIGARE

PENTRU STUDIUL ETANȘĂRILOR FRONTALE

Generalități

Stand pentru medii abrazive

Stand pentru gaze agresive

Stand pentru presiuni înalte

Stand universal pentru încercarea EF

BIBLIOGRAFIE

GENERALITĂȚI

Etanșările sunt organe de mașini complexe având ca scop esențial închiderea ermetică a unui spațiu conținând un mediu sub presiune, separarea a două sau mai multe medii aflate la presiuni diferite, respectiv protecția unor spații conținând lubrifianți, împotriva pătrunderii unor corpuri străine.

Noțunea „etanșare” desemnează și procedeui prin care se împiedică pătrunderea diferitelor medii sau particule prin interstițiile dintre elementele care separă spații învecinate, spații în care se găsesc fluidei diferite și/sau presiuni diferite.

Clasificarea etanșărilor

O sistematizare a clasificării etanșărilor este prezentată în Tabelul 1.1.

Tabelul 1.1.

Principalele criterii care au stat la baza acestei clasificări sunt:

prezența sau absența contactului direct între elemente;

mișcarea relativă dintre suprafețele elementelor care concură la realizarea etanșării;

modul de generare a presiunii necesare realizării etanșări;

forma suprafețelor pieselor care participă la procesul de etanșare și poziția relativă a suprafețelor acestora.

Criterii de alegere a sistemului de etanșare

Alegerea tipului de etanșare este o problemă complex, de optimizare, în care trebuie luate în calcul o serie de criteria::

– caracterul mișcării relative a pieselor ansamblului;

– pretențiile privind pierderile de fluid etanșat;

– parametrii de exploatare: presiunea etanșată, temperatura de lucru, turația, respectiv, viteza relativă de alunecare, mediul etanșat;

– parametrii constructivi, spațiul disponibil, dimensiunile elementelor component, jocul dintre piese, gradul de prelucrare, săgeata arborelui, etc.

În Tabelul 1.2. sunt prezentate unele recomandări de alegere a tipului etanșării, iar în fig. 1.1. se propun unele completări la Diagrama lui N.I. Spițîn de alegere a tipului de etanșare, cu introducerea etanșărilor frontale și marcarea domeniului de utilizare al acestora, precum și a altor tipuri. Criteriul, în acest caz, este dimensiunea arborelui, turația, respectiv viteza de alunecare.

Tabelul 1.2.

COMPLETĂRI LA DIAGRAMA LUI N.I. SPIȚÎN

pentru alegerea timpului de etanșare

Fig.1.1.

1.3. Evoluția și performanțele etanșărilor frontale

Primele etanșări frontale (EF) apar la începutul secolului XX , în sisteme simple în care, umărul arborelui se sprijină pe umărul carcasei .

După 1920 începe producerea în serie a etanșărilor pentru instalații frigorifice, extinzându-se apoi la pompele de apă utilizate la răcirea autovehiculelor, pompe care funcționau în condiții blânde (p1=1÷2 bari, t˂100oC, v˂5m/s, apă curată ca mediu etanșat).

Spre anul 1945, performanțele etanșărilor cresc, astfel încât se ajunge la presiuni, p1=15 bari și viteze de 10 m/s.

Performanțele la care s-a ajuns zilele noastre sunt:

presiunea etanșată: p1=10-5÷500 bari

temperatura mediului etanșat: t = -200÷600 oC

viteza de alunecare: va = 0÷100 m/s

diametrul arborelui: d = 5÷500 mm

durata de viață: 30.000 ore

Pornind de la aceste performanțe, EF se grupează în patru clase, evidențiate în Tabelul 1.3.

Tabelul 1.3.

Utilizări. Avantaje. Dezavantaje.

Ca și domenii de utilizare amintim:

industria autovehiculelor: pompe de apă, arbori cotiți, pompe de benzină rotative, cutii de viteză, pompe servo, lagărele tractoarelor cu șenile (Cls. I-a);

Industriile de aparaturi electrocasnice: mașini de spălat, uscătoare, mașini de spălat vase, roboți de bucătărie, instalații frigorifice, pompe de combustibili (Cls. I-a);

Instalații energetice și pompe: pompe de condens, turbine cu apă, ventilatoare, instalații energetice nucleare, pompe cu angrenaje, suflante rotative, pompe pentru gaze lichefiate, compresoare, compresoare frigorifice, pompe de vid, alte tipuri de pompe (Cls. I-IV a);

Instalații și utilaje din industria chimică: agitatoare, malaxoare, incinte presurizate, pompe, trasee tehnologice presurizate (Cls. I-IV a);

Industria aeronautică și aerospațială: turbine de avion cu gaz, turbo-compresoare, instslații hidraulice pentru alimentarea cu carburant și gaze lichefiate (presiuni cls. I-II, viteze cls. IV, sarcină cls. II-IV).

La noi în țară, astfel de etanșări se produc la S.C. Roseal S.A., performanțele lor fiind relativ modeste (p1˂25 bari; va˂15 m/s; d˂160 mm), motivate de absența unor materiale adecvate și a unor tehnologii de înalt nivel.

Avantajele și dezavantajele etanșărilor frontale se regăsesc, sintetizate, în Tabelul 1.4.

Tabelul 1.4.

CONSTRUCȚIA ETANȘĂRILOR FRONTALE

2.1. Elementele constructive ale etanșărilor frontale (EF)

Studiul fenomenelor de frecare și al pierderilor de fluid în etanșările frontale (EF) trebuie abordat prin prisma sistemului constructiv al acestora, precum și al condițiilor de funcționare.

Principiul de funcționare al EF constă în menținerea unui interstițiu (de grosime h) cât mai mic între suprafețele de contact a două inele de etanșare, unul fix și unul rotitor, care formează o cuplă de frecare inelară. Mărimea interstițiului depinde de valoarea rugozității suprafețelor de frecare, existând mai multe variante de calcul:

Hockel: (2.1.)

Golubev: (2.2.)

Mayer: (2.3.)

În general o EF obișnuită are următoarele elemente component(fig. 2.1.):

– etanșarea primară, care este compusă din:

– un inel de etanșare staționar;

-un inel de etanșare rotitor;

– etanșarea secundară corespunzătoare:

– pentru inelul staționar;

– pentru inelul rotator;

– un sistem elastic de apăsare a inelelor (arc, silfon, etc.);

– o soluție de asigurare contra rotirii inelelor (știft, pană, frecare);

– un sistem de răcire – ungere a ariei de frecare și etanșare.

Din punct de vedere constructiv, EF este, de fapt, o cuplă de frecare inelară a cărei închidere este asigurată de forța generată de un sistem elastic de apăsare (Far), la care se adaugă forța datorată presiunii hidraulice a fluidului etanșat (FH). Fluidul etanșat pătrunde forțat în interstițiul format de cele două inele de alunecare, interstițiu ce depinde de rugozitatea suprafețelor, creând un film lubrifiant sub o presiune hidrostatică phs. În funcție de formarea și menținerea acestui film, EF poate funcționa în orice regim de frecare începând cu frecarea semiuscată (uneori chiar uscată) și ajungând la un regim fluid. Condițiile de funcționare : presiunea, temperatura, turația, mediul etanșat, au de asemenea o mare importanță asupra regimului de frecare

2.2. Echilibrul forțelor și compensarea EF

La EF cu montaj interior, presiunea etanșatã (p1) contribuie la apăsarea celor două inele de etanșare în paralel cu elementul elastic. La presiuni mari, sarcina pe interfață poate crește până la valori inadmisibile generând o uzură accentuată, încălzire, și, la final, pierderea capacității de etanșare.

Printr-o construcție adecvată a EF, aportul presiunii p1 la încărcarea interfeței poate fi diminuat. EF din această categorie sunt cunoscute ca etanșări frontale "compensate".

La E.F. cu montaj exterior, fluidul etanșat acționeazã din interior (de la di spre de) tinzând să desfacă etașarea. Printr-un design adecvat, presiunea p1 poate fi folosită parțial sau total la închiderea interferenței.

Expresia "rata compensării" sau "raportul hidraulic de sarcină" notată cu "k" reprezintă partea din presiunea etanșată p1 care acționează pentru închiderea interfeței. El este definit ca raportul dintre aria de sarcină hidraulică AH și aria de alunecare (de contact) a inelelor de etanșare A:

(2.4.)

Sau, folosind notațiile din fig. 2.2.:

pentru fig. 2.2. a, b:

(2.5.)

pentru fig. 2.2. c:

(2.6.)

Pentru EF cu montaj interior, la care presiunea p1 acționează în exteriorul etanșării, de la de spre di , k = ke , iar la cele montate în exterior, la care p1 acționează de la di spre de , k= ki .

În funcție de valoarea ratei compensării k , EF pot fi:

– EF necompensate: k 1 (kmax = 1,2);

– EF compensate: k< 1 (k = 0,55  0,8).

EF necompensate se utilizează pentru presiuni joase (p1 < 1 MPa), iar cele compensate, pentru presiuni ridicate. La acestea, k poate coborî până la 0,65 pentru presiuni fluctuante și 0,55 pentru presiuni constante.

Funcționarea unei EF este determinată de raportul dintre forțele care tind să închidă etașarea (Fi) și cele care tind să o desfacă (fig. 2.3.).

Fig. 2.3. Echilibrul forțelor într-o E.F.

Forțele de închidere sunt: forța arcului (Far) și forța hidraulică (Fh) datorată presiunii fluidului etanșat, p1 ( 2.7.). Forța care tinde să deschidă etanșarea este forța hidrostatică Fhs rezultată din acțiunea presiunii hidrostatice (phs) în interfață.

(2.7.)

Această forță trebuie preluată de forța hidrostatică Fhs, portanța hidrodinamică a filmului de fluid, Fhd și portanța mecanicã, Fm care apare la contactul direct dintre asperități:

(2.8.)

Fig. 2.4. Distribuția presiunii hidrostatice în interfață

Fluidul etanșat creează o distribuție de presiuni de la p1 la p2, care depinde de geometria interfeței, respectiv de paralelismul acesteia, khs fiind factorul de distribuție al presiunii hidrostatice (fig. 2.4.):

– dacă fețele de etașare sunt paralele, khs = 0,5;

– dacă fețele sunt convergente, khs > 0,5;

– dacă fețele sunt divergente, khs < 0,5.

Forța hidrostatică Fhs poate fi calculată dacă se cunoaște distribuția presiunii p(r) cu

relațiile: (2.9.)

(2.10.)

Forța netă de închidere Fa , ( rezultanta presiunii de apăsare pe interfață pa ), este deEF compensate: k< 1 (k = 0,55  0,8).

EF necompensate se utilizează pentru presiuni joase (p1 < 1 MPa), iar cele compensate, pentru presiuni ridicate. La acestea, k poate coborî până la 0,65 pentru presiuni fluctuante și 0,55 pentru presiuni constante.

Funcționarea unei EF este determinată de raportul dintre forțele care tind să închidă etașarea (Fi) și cele care tind să o desfacă (fig. 2.3.).

Fig. 2.3. Echilibrul forțelor într-o E.F.

Forțele de închidere sunt: forța arcului (Far) și forța hidraulică (Fh) datorată presiunii fluidului etanșat, p1 ( 2.7.). Forța care tinde să deschidă etanșarea este forța hidrostatică Fhs rezultată din acțiunea presiunii hidrostatice (phs) în interfață.

(2.7.)

Această forță trebuie preluată de forța hidrostatică Fhs, portanța hidrodinamică a filmului de fluid, Fhd și portanța mecanicã, Fm care apare la contactul direct dintre asperități:

(2.8.)

Fig. 2.4. Distribuția presiunii hidrostatice în interfață

Fluidul etanșat creează o distribuție de presiuni de la p1 la p2, care depinde de geometria interfeței, respectiv de paralelismul acesteia, khs fiind factorul de distribuție al presiunii hidrostatice (fig. 2.4.):

– dacă fețele de etașare sunt paralele, khs = 0,5;

– dacă fețele sunt convergente, khs > 0,5;

– dacă fețele sunt divergente, khs < 0,5.

Forța hidrostatică Fhs poate fi calculată dacă se cunoaște distribuția presiunii p(r) cu

relațiile: (2.9.)

(2.10.)

Forța netă de închidere Fa , ( rezultanta presiunii de apăsare pe interfață pa ), este definită de relația 2.12. și reprezintă diferența dintre forța totală de închidere Fi și forța hidrostaticã Fhs , la care se adaugă sau se scade forța de frecare a etanșării secundare Ff și forța datorată efectului centrifugal al filmului de fluid din interfață (F'c).

F'c este favorabilă dacă se opune presiunii hidrostatice (la presurizarea exterioară) și are effect negativ dacă se adaugă presiunii hidrostatice (la presurizarea interioară). Mărimea ei depinde de gradientul presiunii centrifugale [B.3]:

(2.11.)

deci:

(2.12.)

Întrucât Ff are în general valori mici, iar F'c poate fi luată în considerare numai la diametre și turații mari, aceste forțe se vor neglija, deci relația 2.12. devine:

(2.13.)

Separarea fețelor va surveni când presiunea hidrostatică din interfață va crește până când Fhs va fi egală sau mai mare decât Fi deci forța netă de închidere Fa va fi nulă:

(2.14.)

De unde rezultă diferența de presiune critică:

(2.15.)

Valorile duc la separarea fețelor, respectiv la desfacerea etanșării. Aceasta neplăcere poate fi prevenită prin creșterea forței arcului Far, reducerea ariei de contact A, reducerea gradului de compensare (k).

2.3. Construcția etanșării primare și a celei secundare

Fiecare dintre elementele componente ale EF poate fi realizat într-o gamă largă de forme constructive, astfel că la asamblarea acestora poate rezulta o mare varietate de combinații care reprezintă tot atâtea tipuri de EF. Aceast fapt explică bogatul sortiment de EF din cataloagele firmelor producătoare, care se rezumă de fapt la combinația diverselor tipuri de elemente componente.

2.3.1. Construcția etanșării primare

Etanșarea primară constă din cele două inele care formează cupla de frecare inelarã și realizeazã etanșarea: inelul capului de etanșare – ” inelul primar” (I.P.) și inelul de reazem – “contra-inelul” (C.I.).

Inelul primar se realizează în două forme constructive de bază și anume, necompensată (fig. 2.5. a) și compensată (fig. 2.5. b). Alte variante sunt în funcție de locașul etanșării secundare și anume, cu locaș deschis (fig.2.5. c) și locaș închis (fig.2.5. d). Locașul deschis este de prefer,t din punct de vedere al tehnologiei de execuție, pe de o parte, iar pe de alta permite deformarea liberă a inelului din elastomer în orice direcție. Pentru presiuni mari se recomandă construcția (fig.2.5. d). I.P. poate fi realizat din același material sau din două piese din materiale diferite îmbinate prin fretare sau lipire (fig. 2.5.e). De asemenea în cazul unor I.P. din plastomeri, acestea se realizează corp comun cu burduful (silfonul) care servește atât ca element elastic cât și ca etanșare secundară (fig. 2.5. f).

Fig. 2.5. Construcția inelului primar

Construcția și montajul contra – inelului oferă o gamă largă de variante (fig. 2.6.). În unele cazuri se pot folosi în loc de C.I. porțiuni prelucrate din carcasã, fețele laterale ale inelului exterior al rulmentului, umărul unui arbore, butucul paletei de răcire. Se preferă C.I. demontabile și interschimbabile.

Fig. 2.6. Construcția contra-inelului

Forma C.I. depinde de varianta de montaj și de etanșarea secundară. Montajul prin presare în carcasă fără etanșarea secundară se utilizează numai în domeniul presiunilor și temperaturilor mari (fig. 2.6.r.). Frecvent utilizate sunt soluțiile din figurile 2.6. a, b, m, fiind preferate cele de tip a, din motive tehnologice și economice. Montajul se face prin comprimarea inelului din elastomer cu minim 10 %, pentru a prelua momentul de torsiune și a evita rotirea, mai ales în timpul demarajului la rece. Dacă inelul "O" e din PTFE, comprimarea e de 5% și necesită o imobilizare suplimentară. Aceste construcții corespund unor presiuni de până la 7,5 MPa. Soluțiile din fig. 2.6. e, j, k, n, o, sunt indicate pentru presiuni superioare. Montajele din fig. 2.6. b și l, au avantajul că una din garnituri are role de etanșare, iar cealaltă de poziționare. Construcția din fig. 2.6.p. se comportă bine în cazul presiunilor ridicate, inelul secundar neavând rol de poziționare ci numai de etanșare, iar contactul direct C.I. – carcasă permite o mai bună disipare a căldurii.

Montajul elastic al C.I. (fig. 2.6. d, j, m, u) oferă avantajul unei autoreglări în plan paralel a suprafețelor de etanșare și de a amortiza axial vibrațiile. Varianta din fig. 2.6.u. se recomandă la E.F. pentru temperaturi mari, 850 – 1000 oC, unde garniturile elastice din elastomeri nu rezistă. De asemenea, uzarea inelelor de etanșare se pare că e mult redusă în cazul unui montaj elastic față de unul rigid al C.I. [H2]. Fretarea materialului de frecare într-un inel suport mai ieftin sau mai rezistent (fig. 2.5. e și 2.6. o, s) este o soluție economică des utilizată.

O altă realizare de ultimă oră prezentată la Eurotrib '93 [G8] se referă la construcția unor inele de alunecare cu rezistență sporită la uzare, realizate din materiale metaloceramice având stratul de uzare aplicat în vid cu plasmă pe suprafața frontală a acestora (fig. 2.6.t). Stratul aplicat are grosimile :

– pentru oxid de aluminiu = 0,2 – 0,7 mm

– pentru carbură de tungsten = 0,3 – 0,5 mm

În fig. 2.7., se poate vedea situația comparativă a vitezei de uzare a diferitelor inele de frecare.

Fig. 2.7.

I – inel special din C 4171

ll – inel special ceramic

lll – inel metalo-ceramic cu strat de AlO

lV – inel metalo-ceramic cu strat de carburã de tungsten

Aceste inele mai prezintă, în plus, avantajul că după uzarea stratului superficial se poate aplica un altul pe același inel de bază.

Fig.2.8.

Suprafețele de alunecare se execută în aproape toate cazurile ca plane paralele deoarece pot fi realizate și controlate prin mijloace simple. Numai în cazuri speciale se utilizează alte feluri de suprafețe ca de exemplu cele sferice.

Lățimea de contact „b" a inelelor de frecare trebuie dimensionată în așa fel încât presiunea de apăsare pe interfață pa să nu depășească valorile admisibile ale materialelor cuplei sau presiunea critică de expulzare a filmului de lubrifiant. Totuși există o corelație recomandată între lățimea de frecare și diametru (figura.2.8.d):

d[mm] 10 – 20 20 – 40 40 – 80 80 – 150

b [mm] 2 – 3 3 – 4 3 – 5 4 – 7

Experiența arată că la execuție trebuie impuse anumite exigențe referitoare la rugozitate și la abaterile de la planeitate:

– rugozitatea: Ra = 0,015 – 0,5 μm

– planeitatea: 2 – 3 franje de interferență în lumină de heliu respectiv 0,58 -0,87 μm

Încadrarea rugozității în limitele prescrise este necesară pe de o parte pentru prevenirea scăpărilor de fluid printre asperități, iar pe de alta pentru menținerea unei arii reale de contact, respectiv a unei portanțe cât mai mari pentru preluarea forței de apăsare (figura 2.9).

Rugozitatea variază cu materialele inelelor:

– carbură de tungsten Ra = 0,015 – 0,03 μm;

– carbură de siliciu Ra = 0,04 – 0,08 μm;

– materiale metalice Ra = 0,1 – 0,3 μm;

– carbonuri dure Ra = 0,3 – 0,4 μm;

– materiale ceramice Ra = 0,35 – 0,5 μm;

Fig.2.9. Rugozitate și portanța suprafețelor.

Ra = 0,015 – 0,5 μm

– carb. W.: Ra = 0,015 – 0,03 μm;

– carb. sil.: Ra = 0,04 – 0,08 μm;

– metalice: Ra = 0,1 – 0,3 μm;

– carbon.: Ra = 0,3 – 0,4 μm;

– ceramice: Ra = 0,35 – 0,5 μm;

Planeitatea:

Fig.2.10. Franje de interferență cu lumină monocromatică He

Fig.2.11. Franje de interferență cu lumină naturală

Fig.2.12. Planeitatea recomandată pentru fața de alunecare

Fig.2.13.Execuția locașuIui pentru contra-inel; Fig.2.14. Bătaia axială admisă.

conform – lSO 3069 – 74

Lățimea de contact „ b "

d [mm] 10 – 20 20 – 40 40 – 80 80 – 150

b [mm] 2 – 3 3 – 4 3 – 5 4 – 7

În figura 2.15 este redată profilograma și curba de portanță Abbott-Fisrtone pentru un inel de alunecare de la etanșarea rolelor de reazem ale buldozerelor cu șenile fabricate la I.M.Oradea, materialul fiind carbura de tungsten iar fața de alunecare finisată prin lepuire. Măsurătorile au fost efectuate cu rugozimetrul tip LINKS BRAND model 2204.

Planeitatea feței de alunecare este deasemenea deosebit de importantă, neîncadrarea acesteia în limitele recomandate ducând pe de o parte la scurgeri prin zonele concave, iar pe de alta la încărcări suplimentare pe porțiunile convexe urmate de încălzirea excesivă a zonei de contact și uzare neuniformă.

Planeitatea feței de etanșare se poate măsura și prin palpare mecanică cu ceas comparator, dar este preferabilă măsurarea cu interferometrul optic cu lumină monocromatică de heliu (1 franjă de lumină de heliu = 1/2 lungime de undă = 0,29 μm = δ). Măsurarea se face cu o aproximație de 0,1μm, reprezentând toleranța de realizare a sticlei. În figura 2.10 sunt redate franjele de interferență obținute cu lumină monocromatică de heliu: 1 – inelul de etanșare, 2 – sticlă plană, A – punctul de contact, iar în figura 2.11, imaginile franjelor de interferență obținute cu lumină naturală pe suprafața de frecare a inelelor: a – convexe, b – concave, c – distorsionate, d, e – inele apte pentru utilizare cu planeitatea corespunzând la 0,9 respectiv 0,3 μm.

Prelucrarea inelelor trebuie realizată îngrijit evitându-se muchiile ascuțite (care se vor teși), precum și trecerile în unghi drept de la un diametru la altul (pericol de fisurare), folosindu-se raze de racordare corespunzătoare.

O atenție deosebită trebuie acordată montajului pentru a nu introduce solicitări asimetrice care prin deformații mecanice ar prejudicia planeitatea. Forma, dimensiunile și condițiile de execuție pentru locașul contra-inelului staționar redate în figura 2.6 sunt reglementate de normele ISO 3069 – 74 (tabelul 2.1).

Toleranța de concentricitate a arborelui este cea prevăzută în ISO 5199:

Toleranța de concentricitate a locașului etanșării în raport cu arborele pentru viteze de alunecare va < 25m/s nu va depăși 0,5mm iar dacă este utilizată și o pompă cu șurub, 0,2mm pentru a nu influența parametrii de pompare.

Bătaia axială este prescrisă în funcție de turația arborelui.

Interstițiul radial între arbore și inelul staționar va fi de 0,4 – 0,5 mm iar toleranța axială la montaj a inelelor 0,5 mm.

Fig.2.15. Rugozitatea și curba de portanță Abbott – Firestone

pentru un inel de alunecare ridicate cu rugozimetrul tip LINKS BRAND md. 2204.

Tabelul 2.1 Dimensiunile locașului C.I. mm ISO 3069-74

2.3.2. Construcția etanșării secundare (E.S.)

Prin E.S. înțelegem elementele de etanșare ale interstițiilor dintre capul de etanșare (C.E.) și arbore, sau dintre contra-inel și carcasă, în cazul C.E. rotitor și C.I. staționar, respectiv dintre capul de etanșare și carcasă sau C.I. și arbore în cazul C.I. rotitor și C.E. staționar.

În ambele cazuri avem două categorii de E.S.:

– etanșare fixă : staționară (fig. 2.16. a/2) sau rotitoare (fig. 2.16. b/2)

– etanșare mobilă (axial), rotitoare (fig. 2.16. a/1) sau staționară (fig. 2.16. b/1).

Fig. 2.16.

Ca principiu de funcționare există două categorii de E.S. și anume:

– cu contact: inele elastice "O" sau de diferite profile (fig. 2.17. a), pene inelare (fig. 2.17. b);

– cu silfon: elastomeric (fig. 2.17. c, d) sau metalic (fig. 2.17. e, f).

Fig. 2.17. Construcția etanșării secundare.

Tipuri caracteristice:

– cu contact, utilizând inele elastice ”Ö” sau de diferite alte profile (fig.2.17.a..), respective utilizând pene inelare (fig.2.17.b.)

– cu silfon elastomeric (fig.2.17.c.d) sau metallic (fig.2.17.e,f).

Etanșările secundare cu contact sunt realizate în majoritate din elastomeric care trebuie aleși ținând seama de compatibilitatea lor cu mediul ce trebuie etanșat.

Experiența a demonstrate că elastomerul reprezință “veriga slabă” a unei etanșări frontale. Deși există o mare varietate de elastomeric, care se comport mulțumitor în anumite medii, situația este mult mai complex în industria chimică, unde sunt vehiculate medii de nature diferite prin aceleași instalații.Cel mai ades se recurge la PTFE, material stabil în orice mediu, dar care are și el anumite limite. Astfel, duritatea lui este ridicată, împiedicând o adaptare perfectă la suprafața de așezare, conductibilitatea termică este redusă, prezintă un coefficient de dilatare termică variabil, cu un salt brusc de volum la aproximativ 20oC, fapt care determină o schimbare a volumului, deci, la slăbirea elementelor component ale etanșării. Pentru a elimina aceste dezavantaje s-au realizat inele care au miezul elastic, invelit în PTFE. Miezul se realizează din material cu rezistență termică ridicată ca etilen-propilena sau cauciucul siliconic.

Cea mai utilizată și mai ieftină construcție a E.S. este inelul "O", precum și variantele de inele elastice cu profile diferite – , D, T, Pt, K, lobat (quadring), etc., prezentate în fig. 2.18., care elimină pericolul extrudării și al rotirii în locaș la deplasările axiale (E.S. mobilă).

Fig. 2.18. Profile diferite de inele pentru etanșarea secundară

Utilizarea “Ö” – ringului se datorează avantajelor sale, și anume:

– se pretează atât pentru etanșări fixe cât și pentru cele mobile;

– execuția inelului și a locașului acestuia este relative simplă;

– volumul etanșării este mic;

– etanșează în ambele sensuri de rotație;

– nu deteriorează filmul de lubrifiant.

– costuri destu de mici.

Cum la etanșările mobile există totuși pierderi, se utilizează la diametre mici și la presiuni medii.

2.3.3. Construcția sistemului elastic de apăsare și apăsare – etanșare

Funcționarea unei E.F. nu e posibilă fără o forță care să mențină în permanență contactul dintre inelul primar și contra-inel, respectiv, forța de închidere trebuie să fie mai mare decât suma forțelor care încearcă să deschidă etanșarea (rel. 2.8.).

La E.F. total compensate întreaga forță de închidere trebuie realizată de sistemul elastic de apăsare iar la cele compensate forța elastică și forța hidraulică acționează paralel (rel. 2.7.).

Pentru realizarea forței elastice se utilizează o gamă largă de soluții constructive dintre care cele mai uzuale sunt prezentate în fig. 2.19, unde:

a – arc singular cilindric b – arc singular tronconic

c – sistem elastic multiarc d – silfon metalic ondulat

e – silfon metalic sudat f – silfon plastomer

g – arc ondulat h – arc ondulat + silfon

I – configurația arcului ondulat j – inele elastice “O”

k – inele elastice lobate m – inele ovale în montaj H/v

n – inel oval cu miez rigid

Arcul singular elicoidal cilindric (fig.2.19.a) sau tronconic (fig.2.19.b) reprezintă cea mai ieftină soluție dacă ne referim la sistemul elastic.El are un gabarit mare, asigurând protecția împotriva coroziunii și ancrasării. Dezavantajele acestui sistem sunt legate de inegalitatea repartiției forței de apăsare, precum și de spațiul axial marenecesar pentru asigurarea forței prescrise. Aceleași arcuri tind să se desfășoare atunci când rotirea se realizează într-un sens, și tind să se supraînfășoare la rotirea în celălalt sens, fapt care duce la restrângerea aplicabilității lor în cazul unor turații medii și mari.

Arcurile multiple (fig.2.19.c.), dispuse la intervale egale, realizează o distribuție uniformă a forței de apăsare pe interfață, necesitând un spațiuaxial relativ redus și având o comportare bună la turații mari. Ca dezavantaje amintim costurile relativ ridicate de execuție și montaj, o rezistență mai scăzută la coroziune, precum și tendința de ancransare și blocare.De asemenea se constată o rezistență mai mică din cauza tensiunilor mai mari din spire.

Arcurile ondulate (Bellville, fig.2.19.g,h,i) sunt utilizate frecvent atunci când se dispune de un spațiu de montaj restrâns.Principalul lor dezavantaj îl constitue costul ridicat. Sistemele de apăsare-etanșare sunt utilizate des datorită dublei funcții îndeplinite de ele, și anume: exercitarea forței de închidere a interfeței și realizarea etanșării secundare.Cele mai folosite sunt burdufurile sau silfoanele care asigură protecția elementelor etanșării, elimină frecările din etanșarea secundară, preia jocurile radiale și axiale și nu necesită întreținere.Se pot utiliza până la temperaturi de 200oC dacă materialul de bază este un plastomer, iar dacă materialul de bază este unul metalic se poate ajunge până la 600oC. O necesitate pentru silfoane este însă spațiul de montaj axial, care trebuie să fie mai generos decât la alte tipuri de arcuri.

Fig. 2.19. Soluții constructive pentru sistemul elastic de apăsare – etanșare

Silfoanele din plastomeri (fig.2.19.f,h) sunt relative ieftine, rezistente la coroziune, dar nu pot fi utilizate în orice mediu chimic, respective la orice temperatură (devin fragile la temperature scăzute și se înmoaie odată cu creșterea temperaturii).Pot asigura forța elastic dede apăsare atât singure (fig.2.19.f) cât și în construcții speciale (fig.2.19.h), când golurile dintre gofre sunt umplute cu elastomer iar gofrele sunt protejate cu un bandaj elastic.. Cea din urmă construcție permite utilizarea silfonului la presiuni ridicate și în medii puternic poluate cu suspensii care ar putea bloca un silfon obișnuit.

Silfoanele metalice în construcție gofrată (fig. 2.19.d) sau sudată (fig.2.19.e) sunt rezistente la diverse medii corozive fiind realizate din material anticorozive (bronz fosforos, alamă, aliaj monel, aluminiu, oțel inoxidabil), au o bună comportare la temperaturi scăzute și mai ridicate decât cele din plastomeri. ridicate

Inelele elastice “ Ö” (fig.2.19.j,k) sau profilate (fig.2.19.l,m,n) sunt și ele utilizate ca sisteme de etanșare-apăsare, necesitând un spațiu redus de montaj și fiind simple din punct de vedere constructiv. Sunt folosite ca etanșări de protecție pentru lagărele reductoarelor sau al rolelor de reazem de la vehiculele pe șenile.Frecvent sunt associate cu o etanșare primară cu inele evazate pentru facilitarea ungerii.

Tabelul 2.2. ne prezintă avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri constructive de sisteme elastic.

Tabelul 2.2.

2.3.4. Soluții constructive antitorsiune în E.F.

Forța de închidere a etanșării generează un moment de frecare în interfață care în condițiile unei lubrifieri precare și mai ales în cazul unor diametre mari pot avea valori apreciabile. Momentul de frecare este și mai mare la pornire întrucât intervine coeficientul de frecare static. Sistemele constructive antitorsiune trebuie să asigure:

– o bună fixare anti-rotire a contra-inelului în carcasă sau placa port-inel;

– o antrenare corespunzătoare a inelului primar în mișcarea de rotație printr-un montaj adecvat al acestuia în capul de etanșare, dar care să permită libertatea de mișcare axială (pentru compensarea uzurii) și preluarea eventualelor jocuri radiale, unghiulare sau axiale;

– fixarea capului de etanșare pe arbore cu scopul antrenării acestuia în mișcarea de rotație și împiedicarea deplasării axiale. Principalele soluții constructive sunt prezentate în figurile 2.20, 2.21; 2.22; 2.23; 2.24.

a – știft vertical b – știft orizontal c – inel de siguranță

Fig. 2.20. Asigurarea contra-inelului staționar împotriva rotirii

a. b.

Fig. 2.21. Sisteme de fixare a contra-inelului rotitor

a. b. c. d. e.

Fig. 2.22. Fixarea capului de etanșare pe arbore

a. a. b.

b. c. d.

Fig. 2.23. Sistem Fig. 2.24. Sisteme de antrenare a inelului primar

Chesterton

Asigurarea contra-inelului împotriva rotirii se poate realiza prim mai multe soluții constructive. În principiu este avantajos să se utilizeze întreg perimetrul inelului., în special în cazul carbonurilor și ceramicii, pentru o mai uniformă distribuție a eforturilor și evitarea deformărilor.În acest scop se utilizează soluțiile prin fretare sau fretare-încleiere. Etanșarea secundară preia și ea momentul de torsiune mai ales în cazul inelelor “Ö” sau profilate din elastomeric dar pentru siguranță se montează totuși un system antirotire. În cazul ES din PTFE, la care coeficientul de frecare este relativ mic, asigurarea etanșării este obligatorie. Figura 2.20. ne prezintă sisteme anti-rotire cu știft vertical (a), știft orizontal (b) și cu inel de siguranță (c). În fig. 2.21. se pot vedea două soluții de fixare a contra-inelului: a- fixarea CI staționar (1) cu ajutorul unei pene inelare (3) și a șuruburilor de strângere (4) pe carcasa (5); b – fixarea CI rotitor (2) pe arbore cu ajutorul colierului (6), cu șurub de stăngere (7) și a șuruburilor de strângere-reglare (5), Es (3) fiind realizată de inelul elastic (3) și inelul de presare (4).

Fixarea capului de etanșare pe arbore În fig. 2.22. suint prezentate soluțiile constructive uzuale, cu știft filetat (a,b,c), cu pană (d), cu arc (e).

a – știft filetat cu vârf “non interior” – oferă avantajul unei bune fixări fără găurirea arborelui, permițând schimbarea poziției pe arbore, axial sau pe circumferință;

b – știft cu vârf cep cilindric;

c – știft cu vârf conic, care reclamă găurirea arborelui dar realizare o bună fixare;

d – fixarea cu pană, care poate prelua momente mari de torsiune, fiind costisitoare și mai greu de realizat;

e – arc de apăsare ca antrenor al capului de etanșare- oferă avantajul amortizării elastice a șocurilor și vibrațiilor, dar nu poate fi aplicat pentru momente de torsiune mari datorită tendinței de înfășurare sau desfășurare a arcului în funcție de sensul de rotație.

O soluție interesantă a fost lansată de firma Chersterton (fig.2.23).Sistemul constructiv convențional (a), cu 3 știfturi, poate duce la un montaj excentric al capului de etanșare pe arbore, în timp ce soluția brevetată (b) , cu 3+3 știfturi asigură autocentrarea.

Sistemele de antrenare pentru inelul primar în mișcare de rotație, sunt prezentate în fig.2.24.:

a – antrenare cu pană cilindrică: pana este fixată pe peretele cilindric al manșonului capului de etanșare prin nituire sau sudare, Se asigură o bună mobilitate a IP care, din cauza contactului liniar trebuie realizat din materiale dure;

b – sistem de antrenare cu nervură dreptunghiulară, care asigură o suprafață mare de contact, recomandat solicitărilor mari, dar costisitor și netehnologic;

c – sistem cu nervuri ambutisate direct din tabla manșonului capului de etanșare – cea mai utilizată în producția de serie a EF de încărcare mică și medie, fiind și tehnologică și ieftină;

d – antrenorul cu știft cilindric, utilizat de regulă în EF cu inele de alunecare din materiale moi, asigurând o mai bună deplasare axială a inelului primar.

În toate cazurile, pentru o funcționare corespunzătoare sunt necesare cel puțin două antrenoare decalate la 180o, dar numărul lor poate fi mai mare, în funcție de dimensiunile EF.

Materiale utilizate

2.4.1.Materiale pentru inelele etanșării primare

Alegerea și modul de combinare al materialelor pentru inelele de frecare ale etanșării, sunt problemele cheie în buna funcționare a unei etanșări.Utilizarea unor materiale care prezintă proprietăți de frecare neadecvate poate fi mai dăunătoare decât o construcție defectuoasa. Se explică, astfel, volumul mare al cercetărilor care se referă la comportarea diferitelor materiale în condiții de frecare. În SUA, de exemplu, la construcția unei pompe de răcire a motoarelor de avion, au fost încercate 136 de materiale, în 482 combinații.

Dintre proprietățile mai importante pe care trebuie să le probeze materialele folosite la construcția inelelor de etanșare amintim:

rezistență la coroziunea chimică și la electrocoroziune;

rezistență la uzare chiar și atunci când în lichidul etanșat apar particule abrazive;

să prezinte proprietăți de antifricțiune și în absența unui film de lubrifiant (în condiții de frecare uscată);

o rezistență mecanică corespunzătoare presiunii din mediul etanșat;

să reziste la temperaturi ridicateȘ

un coeficient de dilatare mic, prevenind astfel deformarea feței active a inelului;

o conductibilitate termică ridicată pentru a facilita evacuarea căldurii produse prin frecare;

o prelucrabilitate bună, mai ales la etapa de superfinisare;

preț de cost acceptabil

Materialele pentru inelele de alunecare sunt cuprinse în cinci grupe importante, și anume: materiale plastice, materiale carbo-grafitice, metale și aliaje metalice, materiale ceramice și metaloceramice și carburile metalice.

Grupa I – Materiale plastice

Sunt caracterizate de un modul de elasticitate scazut, o bună rezistență la coroziunea chimică,bune proprietăți de antifricțiune, dar conductibilitatea lor termică este mică, au un coeficient de dilatare m,are, iar temperatura maximă de funcționare este scăzută.

Acest tip de inele se folosesc de regulă în împreună cu cele din fontă, oțel inoxidabil, aliaje metalice sau ceramice. Prin această combinare se compensează deficiențele pe care le prezintă materialele plastice.

Grupa II – Materiale carbo-grafitice

Cele mai multe EF utilizează pentru una din fețele de alunecare, ca material, carbo-grafitul, date fiind avantajele pe care acestea le prezintă:

excelente proprietăți de funcționare în regim de frecare uscată (µ˃0,04-0,10);

rezistență bună la acțiunea factorilor chimici;

prelucrabilitate bună la operația de superfinisare;

nu își modifică volumul în prezența diverselor medii lichide;

nu există pericolul de a contamina sistemul din care fac parte;

nu există pericolul de a se suda pe contrafașă.

Ca principal dezavantaj al materialelor carbo-grafitice menționăm rezistența mecanică scăzută, dezavantaj care se poate concretiza prin spargerea inelului în timpul funcționării. Materialele carbo-grafitice se utilizează ca atare sau impregnate cu rășini fenolice, aliaje pe bază de Pb și Sn, antimoniu, cupru fosforic, sticlă, PTFE.Materialele de impregnare trebuie să fie compatibile cu mediul etanșat Raportul dintre grafit și carbon este importantă în cazul unor proprietăți precum rezistența și stsbilitatea.Rășinile organice cresc rezistența mecanică și rezistenșa la uzare, sărurile anorganice faciliotează formarea filmului de lubrifiant în vacuum și funcționarea la temperaturi înalte, în timp ce metalele cresc rezistența mecanică și conductibilitatea termică. Prezența rășinilor fenolice determină o bună rezistență în prezența celor mai distructive fluide (ex: acidul hidrofluoric).

Grupa III – Metale și aliaje metalice

Utilizarea acestora este determinată, bineânțeles, de două calități importante:

rezistența mecanică ridicată,

conductivitatea termică superioară.

Pentru a obține la nivelul fețelor o duritate de 50 unități HRC se folosesc în mod uzual oțelurile inoxidabile, oțelul placat cu crom, fonte cu crom sau nichel, aliaje pe bază de Ni (stelit). Inelele de etanșare pot fi realizate integral din unul din materialele amintite mai sus, sau pot fi realizate din alte materiale metalice, situație în care fețele active sunt obținute prin depunerea de straturi dure. Aliajele metalice neomogene (bronz cu plumb, fonte cu crom) sunt favorabile ungerii hidrodinamice (în urma microdeformărilor termo-mecanice)

Grupa IV – Materiale ceramice și metalo-ceramice

Datorită rezistenței ridicate la acțiunea factorilor chimici, materialele metalo-ceramice au o largă utilizare (rezistă la toți aciziim mai puțin acidul fluorhidric). De asemenea, aceste materiale sunt caracterizate de o bună rezistență la uzare chiar și la temperaturi ridicate și în prezența unor medii care prezintă particule abrazive în suspensie.Sunt utilizate, mai ales, ceramice pe bază de oxizi de aluminiu (Al2O3), dat fiind prețul relativ scăzut al acestora.Carențele acestor materiale se referă la conductibilitatea termică scăzută și la porozitatea accentuată.

La fel ca și la grupa anterioară de materiale, inelele de etanșare pot fi realizate integral din materiale ceramice sau metalo-ceramice sau prin depunerea acestora pe suporturi metalice.

Grupa V – Carburi metalice

Dată fiind duritatea ridicată și rezistența bună la uzare a carburilor metalice, acestea sunt utilizate pentru sarcini ridicate.Din motive de natură tehnologică, aceste materiale se utilizează mai rar în stare pură, fiind asociate cu lianți metalici (Ni, Co,etc.).Foarte utilizate sunt carburile de wolfram (carburi de tungsten) cu lianți de Co sau de platină (pentru etanșarea mediilor de acid sulfuric și acid fosforic), carburile de titan cu lianți de oțel,Ni, Cr,Fe, carburi care prezintă avantajul de a fi călite după prelucrare.Și în acest caz inelele pot fi realizate integral din carburi metalice sau carburile se depun pe un suport metalic.

Pentru o alegere optimă a perechii de materiale destinate realizării inelelor de etanșare, trebuie respectate următoarele cerințe:

cupla de frecare să prezinte o rezistență bună la uzare;

să nu existe tendințe de gripare;

să asigure o funcționare corespunzătoare chiar și în cazul apariției unor factori perturbatori (frecare uscată, supraîncălzire, etc);

să asigure o bună evacuare a căldurii rezultate în urma frecării;

pentru inelul rotitor se va alege materialul caracterizat de cel mai bun coeficient de conductibilitate termică

în cazul mediilor explozive se aleg materiale care nu generează scântei în timpul funcționării.

Tabelul 2.3.

În Tabelul 2.3. sunt prezentate cele mai potrivite combinații de materiale pentru cupla de frecare din etanșare în funcție de mediul etananșat.Toate aceste combinații au fost testate în condiții de laborator, rezultatele fiind la nivelul așteptărilor. Combinațiile care se regăsesc la grupa „acizi” au fost încercate în medii de bioxid de carbon lichid și gazos atunci când s-au realizat pompele și motoarele pneumatic din cadrul centralei geotermale a Universității din Oradea.

Construcția etanșărilor frontale duble (E.F.D.)

Etanșarea frontală dublă este un grup de etanșare format din două E.F. simple în diverse aranjamente și montaje. Utilizarea lor este justificată în primul rând în cazul etanșării unor substanțe deosebit de nocive care nu trebuie să aibă nici un fel de scurgere în mediul ambiant, dar și în cazul etanșării unor substanțe improprii unei bune funcționări a cuplei de frecare.

Toate caracteristicile constructive și funcționale ale E.F. simple se regăsesc și la E.F.D., cu particularitatea că fluidul de etanșat este un fluid impus cu bune proprietăți de ungere și răcire numit fluid de baraj.

O etanșare frontală dublă se compune din două E.F. simple care pot fi aranjate conform fig. 2.25, astfel:

– E.F.D. în aranjament spate în spate (fig. 2.25. a) – cele două E.F. crează o cavitate închisă în care este pompat un lichid de baraj la o presiune mai mare decât a fluidului tehnologic.

– E.F.D. în tandem (fig. 2.25. b) – la care cele două E.F. sunt orientate în aceeași direcție. Aceasta crează o cădere de presiune în două trepte micșorând astfel încărcarea celor două E.F. simple.

– E.F.D. opuse (fig. 2.25. c) – se utilizează când schimbările în temperatura fluidului tehnologic pot cauza o modificare de stare (vaporizare, cristalizare).

a – spate în spate

Fig. 2.25. E.F.D. – scheme tipice de aranjare

b – în tandem c – opuse

Fig. 2.25. E.F.D. – scheme tipice de aranjare

E.F.D. fiind alcătuite din două E.F. simple prezintă aceeași varietate tipologicã rezultată dintr-un mare număr de combinații. În fig. 2.26 sunt reprezentate principalele tipuri constructive de E.F.D..

Compensarea unei E.F.D. se poate realiza în trei variante și anume: total necompensată (fig. 2.26. a), semicompensată de regulă spre exterior dacă presiunea de baraj p3 > p1 > p2 (fig. 2.26. b) și total compensată (fig 2.26. c).

a – montaj interior, ambele necompensate

b – montaj interior, compensată spre exterior-interior

c – montaj interior, ambele compensate

d – montaj interior, cu contra-inel rotitor

e – montaj interior, cu sifoane și arc singular

f – montaj interior-exterior pe arbore

g – montaj interior-exterior pe manșon

Fig. 2.26. Principalele tipuri de E.F.D.

2.5.1. Etanșarea dublă mixtă (E.D.M.)

Acest tip de etanșare a fost creat de autor pentru dotarea standului de încercare pentru E.F. al pompelor de CO2 utilizate la realizarea contractelor de cercetare [C7, C8, C9].

E.D.M. constă dintr-o E.F. obișnuită în tandem cu o etanșare cu manșete de rotație între ele formându – se o cavitate pentru lichidul de baraj. Cavitatea este racordată printr-un circuit compensator de presiune la incita presurizată a pompei de CO2. Conceperea circuitului compensator de presiune a rezultat din două motive:

– necesitatea separării fluidului de baraj (ulei, apă) de gazul etanșat – de regulă CO2, care datorită coeficientului ridicat de solubilitate, la pătrunderea în interfață dă naștere unor fenomene de cavitație provocând desfacerea etanșării și afectarea interfaței.Pentru edificare redăm solubilitatea în m3gaz / m3 apă la presiunea admosferică: a CO2 față de alte gaze:

– oxigen: 0,033 – hidrogen: 0,20

– azot: 0,017 – CO2: 0,924

solubilitatea care crește proporțional cu creșterea presiunii.

– presiunea brusc variabilă a gazului etanșat în incinta pompei se transmite instantaneu prin circuitul compensator lichidului de baraj. Presiunile în cele două incinte fiind tot timpul sensibil egale datoriă circuitului compensator, seperarea incintă – cavitate se poate face print-o etanșare cu manșetă de rotație, soluție mult mai ieftină decât în cazul folosirii unei E.F.D..

În fig. 2.27. se reprezintă o E.D.M. cu circuit compensator în cazul unui montaj interior iar în fig. 2.28. pentru un montaj exterior, unde:

1,2 – inele de alunecare;

3 – sistemul elastic;

4 – montajul de separare gaz – lichid cu manșetă de rotație;

5 – circuitul compensator de presiune;

6 – vas de expansiune cu separator cu piston;

7 – circuitul de răcire a lichidului de baraj constând din serpentine de Cu sau Al cu circulație de apă rece la joasă presiune;

8 – circuitul de răcire al interfeței, în fig. 2.28.. cu sistem de pompare exterior,

iar în fig. 2.27. cu pompă cu filet interior (filetaj Golubev) practicat direct pe arbore.

Fig. 2.27. E.D.M. cu circuit compensator de presiune pentru E.F. montaj interior

Fig. 2.28. E.D.M. cu circuit compensator de presiune pentru E.F. montaj exterior

2.5.2. Grupuri de etanșare

Grupurile de etanșare sunt cisterne formate din trei sau mai multe EF simple în diverse aranjamente și soluții constructive. Ele se utilizează în special la instalațiile nucleare unde pe de o parte scurgerile radioactive ar putea provoca adevărate catastrofe, iar pe de alta, opririle datorate avariilor sunt deosebit de costisitoare.

În figura 2.29 este prezentată o etanșare triplă pentru pompa primară a unui reactor de 1250MW tip Krummel, la 95 bari, compusă dintr-o EFD în tandem (1, 2) și o EF simplă de securitate (3) care se menține deschisă în perioada funcționării normale, dar cuplează automat la apariția unor avarii în EFD. (4 – intrare apă de baraj, 5 – strangulare, 6 – ieșire apă de baraj, 7 – strangulare, 8 – scurgerea pierderilor).

Figura 2.30. reprezintă o EF triplă pentru o pompă primară a unui reactor de 340 MW, tip KWO Obrigheim, la 150 bari. Soluția constructivă se bazează pe fracționarea presiunii pe trei trepte utilizând două EF hidrostatice (2, 3) și o EF termohidrodinamică de securitate (4) la o presiune de 5 – 10 bari, cu un volum de scurgeri de 1000cm3/h. (1 – intrare apă baraj, 5 – manșon de compensare, 8 – colectare pierderi).

În figura 2.31. se prezintă o EF multiplă (grup de patru), constând dintr-o combinație de garnituri mecanice termohidrodinamice tip Burgman pentru pompa primară a unui reactor de 440 MW de tip Nowo-Woronesch. Presiunea p1 = 152 bari este repartizată în trei etaje prin intermediul strangulărilor 6, 7, 8, iar răcirea cu apă de baraj prin (5) Ia p3 = 155 bari. Fiecare dintre cele trei EF (1, 2, 3) este dimensionată să suporte întreaga presiune nominală la nevoie, deci instalația nu se oprește la defectarea uneia din EF. A patra EF de siguranță (4), fără contact, cuplează automat în cazul defectării EF principale.

Fig.2.29. Grup de etanșare 2 + 1

Fig.2.30. Grup de etanșare de 3 EF

Fig.2.31. Grup de etanșare 3+1

2.6. Soluții constructive pentru frecarea fluidă în interfață

Garniturile mecanice obișnuite, funcționând în regim limită cu f= 0,07 0,03, nu pot depăși p1v = 800 bari.m/s, existând riscul alunecării spre o frecare uscată cu urmările inevitabile – creșterea coeficientului de frecare, uzare, încălzire, creșterea pierderilor prin scurgeri datorită deformării termice a interfeței (figura 2.32.a) [M1].

a – la etanșări normale b – la interfață cu canale de circulație

Fig.2.32. Variația f, q, u cu p1

Reducerea raportului de sarcină k în vederea scăderii presiunii pe interfață este limitată existând riscul dezlipirilor.

Pentru presiuni mari, precum și pentru etanșarea gazelor și a unor lichide care nu formează film limita, există o serie de soluții constructive prin care se încearcă realizarea unei frecări fluide.

Soluțiile constructive pentru realizarea unei ungeri fluide se bazează pe crearea unor pene de lubrifiant cu efect hidrodinamic, menținerea hidrostatică a filmului, sau combinația acestora.

2.6.1. Efecte hidrodinamice datorate materialelor inelelor

– Folosirea materialelor poroase de exemplu materialele ceramice, realizează câmpuri de presiune, respectiv de lubrifiere, Iocal limitate, datorită cavităților formate de pori. Dezavantajul acestei soluții constă în uzura accentuată a contra-inelului în special la presiuni mari. În figura 2.33.a, inel ceramic poros cu contra-inel de grafit, în poziția b, refularea grafitului în pori duce la forfecarea particulelor de grafit.

– Realizarea unuia din inele dintr-un material neomogen, respectiv combinație de materiale cu coeficienți de dilatare și de conductibilitate termică diferiți, duce în timpul funcționării Ia apariția pe interfață a unor microproeminențe sau microdepresiuni care vor constitui pene de lubrifiere. În figura 2.33.b, inelul de metal 1 în contact cu inelul 2, din grafit impregnat cu particule de aluminiu, a – în repaus, b – în funcționare.

– Aplicarea unor tratamente speciale de suprafață [I4]. Inelul de cupru se acoperă cu un strat de nichel de 20 μm, apoi cu unul de crom de 0,3 – 0,4 mm care, printr-un procedeu special de atac, realizează o rețea de fisuri care permit formarea penei de lubrifiere în contact cu contra-inelul.

a. Inel cu pori b. Inel cu incluziuni metalice

Fig.2.33. Efecte HD datorate materialelor

2.6.2. Efecte hidrodinamice prin formă

Amplasarea excentrică a unui inel (figura 2.34.a) poate facilita formarea unui film de lubrifiant în interfață, soluția prezentând totuși unele inconveniente: sarcină asimetrică, bătăi radiele.

Soluția cu inel eliptic (figura 2.34.b) realizează deasemenea un film de lubrifiere ca urmare a efectului de pană și a unei scurgeri prin antrenare.

În figura 2.34.c este prezentată o soluție constructivă asemănătoare, în care forma eliptică este realizată prin variația lățimii b a inelului de frecare.

a b

c

Fig. 2.34. Efecte HD prin formă : a) inel excentric; b) inel eliptic; c) lățime ct

2.6.3. Efecte hidrodinamice prin prelucrări pe interfață

Fig. 6.4. Efecfe HD prin prelucrări de inferfață

Fig. 2.35. Efecfe HD prin prelucrări de inferfață

Prin prelucrarea pe suprafața de alunecare a unor degajări se obține acel δh necesar pentru crearea unor zone hidrodinamice de presiune și lubrifiere, în figura 2.35 fiind prezentate o serie de variante constructive.

Inelele cu caneluri radiale (figura 2.35.j), au performanțe ridicate privind reducerea frecării, și uzării. Efectul hidrodinamic este stimulat și de unele deformații termice care apar ca urmare a răcirii neuniforme, ondulațiile respective constituind și ele pene de lubrifiere. Canelurile se prelucrează în inelul mai dur, iar comportarea garniturii depinde și de raportul c/b. Dacă acesta este prea mic, lubrifierea e insuficientă, iar dacă e prea mare cresc pierderile prin scurgeri. Se recomandă [M5]:

C = 0,4 k.b (2.17)

Pentru ca impuritățile din caneluri să nu penetreze în interfață se recomandă ca prelucrarea acestor 2 să se facă:

– în inelul fix, pentru p1 interior;

– în inelul rotitor, pentru p1 exterior.

– Inele termohidrodinamice cu caneluri de circulație în formă de segmente circulare (figura 2.35.a, h – pentru p1 exterior, i – pentru p1 interior). Au o comportare deosebită în funcționare datorită:

– răcirii bune ca urmare a efectului de aspirație al nervurilor;

– respingerea impurităților;

– independența față de sensul de rotație.

Aceste etanșări funcționează în regim termohidrodinamic datorită diferențelor de răcire: zona crestelor canelurilor au o răcire mai bună decât zonele mai îndepărtate. Diferențele de diIatare modifică suprafața, inițial plană, creând pene de lubrifiere în formă de comete în care presiunea hidrodinamică în interfață prezintă o variație ca în figura 2.35.h (1 – zonă portantă, 2 – zonă de etanșare).

Dimensionarea se face conform relației (2.17), unde numărul, respectiv pasul canelurilor având un rol important. Această soluție constructivă a permis atingerea de presiuni etanșate p1 = 250 bari respectiv p1v = 5000 bari m/s.

În figura 2.35.b este prezentată variația unor parametri caracteristici (f -coeficientul de frecare, q – debitul de pierderi, U – uzura) în funcție de presiunea etanșată pentru aceste tipuri de garnituri.

Inelele cu canale spirale (figura 2.35.k/B) sunt folosite de regulă la etanșarea gazelor [N2]. Interfața inelului rotitor are o zonă de portanță pe care sunt prelucrate canale spirale (logaritmice) și o zonă interioară – barajul de etanșare. Spiralele antrenează gazul etanșat și prin comprimare îl refulează prin barajul de etanșare obținându-se un film lubrifiant de gaz. Scurgerea de gaz favorizează răcirea. Etanșarea funcționează uscat, nefiind nevoie de lichide de lubrifiere sau răcire. Alte soluții constructive: Figura 2.35.c, canal circular cu degajări radiale, figura 2.35. d, e, fluidul tehnologic pătrunde prin orificii în interfață realizând un efect HD și HS respectiv GD+GS. Un efect similar prin prelucrarea în trepte a lățimii interfeței (figura 2.35.g), la figura 2.35.f în interfață este intercalat un material poros în care pătrunde un lichid de ungere. Figura 2.35.k/A prezintă o soluție de față de alunecare prelucrată în trepte pe circumferință iar în 2.35.l, trepte dublu înclinate.

2.6.4. Ungerea HS respectiv GS și EF

Pentru sarcini mari precum și pentru etanșaree gazelor sau a lichidelor nonlubrifiarnte realizarea unui film portant se poate obține prin injectarea unui lichid de baraj în interfață cu o presiune p3 p1. Aceste construcții sunt prezentate în figura 2.36. În variantele a – turbină de gaz, b – sistem cu impulsuri și c – interstițiu pană, fluidul introdus sub presiune este chiar fluidul tehnologic, iar construcția “C” reprezintă o combinație HD+HS: fluidul este introdus sub presiune prin orificiile (5), efectul HD obținându-se în degajările (3).

a – EF gazostatică pentru turbine cu gaz b – Soluție GS cu impulsuri

I – II variația presiunii

c – construcție HS / HD

d – Etanșare HS e – Soluție HS cu interstițiu în pană

Fig. 2.36. Sisteme HS și GS

2.7. Clasificarea, simbolizarea și selecția EF.

Așa cum s-a putut vedea din capitolele anterioare, fiecare element constructiv al EF se poate executa într-o mare varietate de forme, astfel că prin combinarea acestora se ajunge la un număr imens de variante constructive.

Exemplificăm în schema bloc din figura 2.37 un număr de 16 variante de EF simple cu arc obținute în funcție de numai câteva criterii: compensare, amplasare, inel rotitor și poziția arcului față de fluidul etanșat.

Deși în aceste condiții întocmirea unei clasificări complete este destul de dificilă, autorul propune o clasificare a EF în tabelul 2.3. în care încearcă să se țină seama de toate criteriile.

Fig.2.37. Clasificarea etanșărilor frontale.

Pentru EFD n-au fost detaliate criteriile comune cu EFS, iar EF multiple fiind combinații ale EFS și EFD au aceleași criterii de clasificare ca acestea.

Tabelul 2.3. EF – simple – variante constructive

2.7.1. Simbolizarea EF

Simbolizarea EF are ca scop notarea lor codificată în scopul recunoașterii după simbol. Nu există un standard universal pentru aceasta, simbolizarea diferind de la o firmă producătoare la alta, deși majoritatea au adoptat sistemele SAE sau DIN.

În general toate sistemele se referă la definirea tipului, mărimii, caracteristicilor constructive și materialelor elementelor.

Se prezintă în tabelul 2.4 simbolizarea EF din producția internă (ROSEAL) folosite în industria chimică și alimentară.

Exemplu de notare: EF simplă, lungime scurtă, interioară, neechilibrată, cu inel fix tip FA, ES inel O, multiarc, diametru arbore 45 mm, fără asigurare la CI, IP din grafit impregnat CI din Al2O3 99,7%, inel din PTFE, arc oțel W1.4401, carcasă oțel 10TiMoNiCr175:EFK100Mo450B1V1T1G1G1

Tabelul 2.4. Simbolizarea etanșărilor frontale și indicații de alegere

Tabelul 2.5. Simbolizarea E.F. (GLRD) conform DIN 24960

Tabelul 2.5 (contin.) Codul materialelor conform DIN 24960 (x materiale recomandate)

În tabelul 2.5. este redată simbolizarea EF conform DIN 24960.

2.7.2. Selecționarea EF

Alegerea tipului corespunzător de EF și a materialelor adecvate se face ținând seama de parametrii fluidului etanșat (T, p, n, agresivitatea chimică, suspensii abrazive, etc) și de construcția utilajului deservit (diametru arbore, n, bătaia radială, montaj, etc).

În tabelul 2.6 sunt redate recomandările de utilizare a tipurilor constructive de EF pentru diverse medii și cerințele acestora.

Tabelul 2.6. Tipuri de etanșări frontale și aplicații

Codul abrevierilor: URA = uzare redusă a arborelui; RC = rezistent la coroziune; TI = temperatură înaltă; TJ = temperatură joasă; IP = înaltă presiune; RA = rezistent la abraziune; CN = contururi netede; ITA = înaltă turație a arborelui; SM = scurgeri mici; DVP = durata de viață preductibilă; RS = rezistență la sterilizare.

2.7.3. Echipamente auxiliare

O etanșare frontală este în general numai o componentă într-un sistem complex destinat menținerii etanșării. Principalele componente ale echipamentului auxiliar utilizat sunt:

– Ciclon separator și separator magnetic, filtre: separă particolele solide din fluidele de răcire și baraj;

– Pompe și unități de presurizare: realizează antrenarea sub o anumită presiune a fluidului de răcire și baraj spre interfață;

– Schimbătoare de căldură: asigură menținerea unei temperaturi constante a fluidului;

– Rezervoare cu termosifon: asigură rezerve de lichid de baraj;

– Contoare de debit: controlează și înregistrează debitele fluidelor de răcire, baraj, lubrifiere și a scurgerilor;

– Senzori de presiune: decuplează sistemul dacă presiunea devine prea mare sau prea mică;

– Detectoare de scurgeri: utilizate pentru a alarma sau a decupla sistemul dacă apar scăpări din etanșare;

– Circuitele fiuidelor: asigură circulația fluidelor în circuit prin etanșare și elementele auxiliare.

În figurile 2.38. – 2.41. sunt redate câteva din echipamentele auxiliare specifice utilizate pentru menținerea în funcționare a etanșărilor frontale.

Fig.2.38. Sistemul de răcire la o EF simplă

Fig.2.39. a.Elemente de răcire;

b.Separator particole

a. b.

Fig. 2.40. a. Rezervor de răcire cu termosifon;

b. Schema unui circuit pentru lichidul de baraj

a b

Fig. 2.41. Scheme de recirculare a fluidului de baraj a EF pentru agitatoare

3. STANDURI DE ÎNCERCARE ȘI MIJLOACE DE INVESTIGARE PENTRU ETANȘĂRILE FRONTALE

3.1. Generalități

Studii recente scuză etanșările mecanice ca fiind cauza a 60% din insuccesele echipamentelor de rotație din uzinele ce procesează hidrocarburi. Aceasta în ciuda unor progrese reale obținute în ultimii ani – daca în urmă cu 10 ani numai 20% din etanșările frontale aveau durata de funcționare peste 5000 ore, în prezent 30% depășesc 30 000 ore de viață activă.

Cercetările în acest domeniu se axează deci în continuare pe studiul factorilor care influențează comportamentul etanșărilor mecanice în funcționare.

Unele rezultate pot fi obținute și direct, urmărind garnitura montată în instalația de lucru, dar în acest caz datele se referă la puține aspecte – scurgeri, uzare – și numai în funcție de condițiile de funcționare date.

Proiectarea și realizarea unor standuri de încercare specializate, permit o gamă largă de măsurători în funcție de o serie de parametri variabili.

Măsurătorile se referă la: pierderi prin scurgeri, uzare, temperatura în interfață și repartiția acesteia în inele, eliminarea căldurii, coeficienții de frecare și puterea disipată prin frecare, în funcție de parametrii variabili: soluțiile constructive și de montaj, presiunea etanșată, presiunea pe interfață, mediul etanșat, viteza de alunecare, combinațiile de materiale, fluidul de răcire sau baraj, sistemul de răcire.

Pierderile prin scurgeri, pentru lichide se determină prin colectarea în vase gradate și se exprimă în unități de volum pe oră, iar pentru gaze, acestea se pot evalua prin pierderea de presiune din incintă, sau direct cu ajutorul contorului de debit. Temperaturile în inel se măsoară cu ajutorul termocuplelor introduse în orificii la o distanță de la 0,5 mm la b/2 față de interfață și poziționate decalat pe lățimea de frecare a inelului fix (fig. 3.1). Discul de comutare DC permite cuplarea succesivă a termecuplelor la aparatul de măsură – milivoltmetru (MV). Se mai măsoară temperaturile în mediul etanșat și lichidul de răcire sau baraj evaluându-se în funcție de debit căldura degajată.

Fig. 3.1

Pierderile prin frecare se măsoară fie direct ca moment de torsiune la inelul staționar dacă acesta este amplasat într-un montaj oscilant fie indirect la electromotor măsurând puterea suplimentară în sarcină cu wattmetrul. Evaluarea uzării se face prin măsurarea sau cântărirea inelelor după un număr de ore de funcționare.

3.2. Stand pentru medii abrazive

Este destinat studiului comportării etanșărilor frontale de protecție care funcționează în medii puternic abrazive – praf, nisip, nămol – ca de exemplu cele pentru protecția lagărelor unor mașini din construcții, buldozere, tractoare cu șenile etc. (fig. 3.2)

Standul este antrenat printr-o transmisie în trepte prin curele (1) și se compune dintr-un sistem de apăsare (2,3), port-inele (fix-mobil) (4,6), inelele de alunecare (5) montate în cuva (7).

Se imită condițiile de funcționare reale, introducând lubrifiant în incinta formată de inele, iar în cuvă noroi – apă în amestec cu nisip de diferite granulații.

Apăsarea – deci presiunea pe interfață – se obține cu ajutorul unui arc elicoidal a cărui caracteristică elastică e cunoscută. Temperatura se măsoară cu termocuple montate în inele iar momentul de frecare prin tensometrie (9).

Se urmărește și uzarea inelelor precum și evoluția rugozității în funcție de granulația mediului etanșat.

Standul este utilizat în cadrul colaborării cu întreprinderea Mecanică Oradea pentru testare a etanșărilor de protecție a lagărelor rolelor de rostogolire de la buldozerele pe șenile și a altor mașini agricole și de construcții [C 10].

Fig. 3.2. Stand pentru lichide abrazive

3.3. Stand pentru gaze agresive

Standul a fost proiectat și realizat pentru încercarea etanșărilor frontale a pompelor de C02 dar poate fi utilizat și pentru alte gaze sub presiune (fig. 3.3). Incinta presurizată (1) este alimentată cu gazul sub presiune (10), antrenarea cu EM(8).

Standul este prevăzut cu două sisteme de răcire, unul pentru răcirea directă a etanșării (12) iar celălalt pentru răcirea lichidului de baraj (4).

Fig.3.3.

Standul este completat cu un circuit compensator de presiune (3). Conceperea circuitului compensator de presiune (dosar invenție 3452/a1) a rezultat din doua motive:

– Necesitatea separării fluidului de baraj (ulei, apă) de gazul etanșat – de regulă CO2, care datorită coeficientului ridicat de solubilitate, la pătrunderea în interfață dă naștere unor fenomene de cavitație provocând desfacerea etanșării și afectarea interfeței. Pentru edificare redăm solubilitatea în m3 gaz/m3 apă la presiunea atmosfericăt a C02 față de alte gaze:

– oxigen 0,033 – hidrogen 0,20

– azot 0,017 – C02 0,924

solubilitate care crește proporțional cu creșterea presiunii.

– Presiunea brusc variabilă a gazului etanșat în incinta pompei se transmite instantaneu prin circuitul compensator lichidului de baraj astfel că izolarea lor se poate face printr-un montaj cu manșetă de rotație, soluție mult mai ieftină decât o EPD.

În fig. 3.4 se prezintă circuitul compensator în cazul unei SF cu montaj interior iar în fig. 3.5. pentru un montaj exterior:

1, 2 – inelele de alunecare;

3 – sistemul elastic;

4 – montajul de separare gaz-Iichid cu manșetă de rotație;

5 – circuitul compensator de presiune;

6 – vas de expansiune cu separator cu piston;

7 – circuitul de răcire al lichidului de baraj constând din serpentine de Cu sau Al cu circulație de apă rece la joasă presiune;

8 – circuitul de răcire al interfeței, în fig. 3.4 cu sistem de pompare exterior iar în fig. 3.5 cu pompă cu filet interioară (filetaj Golubev) practicat direct pe arbore;

Parametrii variabili: presiunea, mediul etanșat, coeficientul hidraulic de sarcină, materialele inelelor, lichidul de baraj.

Se măsoară: debitul de scurgeri, temperatura lichidelor de răcire, puterea disipată prin frecare măsurată cu ajutorul unui wattmetru legat la motorul etalonat, uzura inelelor [C.5].

Fig. 3.4. Circuit compensator de presiune ptr. EF montaj interior

Fig. 3.5. Circuit compensator de presiune ptr. EF montaj exterior

3.4. Stand pentru presiuni înalte

Se compune din (fig. 3.6): incinta presurizată (1), arborele principal (2), lagărele (3), sistemul de antrenare în trepte de turație (4), electromotor (5) și sistemul de răcire (6).

În fig. 3.7 apar detaliile de montaj ale etanșărilor frontale în incinta presurizată (1): arborele (2), manșonul interschimbabil (3), placa port-inel fix interschimbabilă (4), sistemul de etanșare frontală cu montaj interior (5) și exterior (6).

Standul are avantajul că permite schimbarea rapidă a etanșării prin simpla demontare a capacului incintei (1), fără să fie nevoie de îndepărtarea motorului. Variația diametrului arborelui se realizează prin bucșele interschimbabile (3), iar a inelului fix prin schimbarea plăcii port-inel (4). Scurgerile se colectează în vasul gradat prin locașul practicat în placa (4), se măsoară temperatura în inel, temperaturile de intrare-ieșire a fluidului, iar puterea disipată prin frecare, cu wattmetrul cuplat la electromotor.

Fig. 3.6.

Fig. 3.7.

Domenii de măsurare Y presiunea etanșată maximă 60 bari, temperatura maximă în interfață 350°C, temperatura maximă a fluidului etanșat 200°C.

3.5. Stand universal pentru încercarea EF

Standul proiectat și în curs de realizare oferă o gamă largă de posibilități de încercare, permițând pe de o parte variația continuă a presiunii fluidului etanșat p1 în timpul funcționării, iar pe de alta, posibilitatea varierii presiunii de apăsare pe interfața pa independent de p1. Se pot realiza în acest fel o gamă largă de combinații de parametrii măsurătorile oferind interesante situații comparative.

Standul (fig. 3.8.) se compune din două subansamble distincte:

– subansamblul rotitor și de realizare a presiunii etanșate p1, reprezentând partea stângă a desenului, pozițiile 1-9;

– subansamblul oscilant de realizare a presiunii de apăsare pe interfață pa și de măsurare a momentului de frecare – partea din dreapta a desenului, pozițiile 10 – 18.

Antrenarea se realizează cu un electromotor prin intermediul unei transmisii prin curele trapezoidale cu trei trepte de turații. Fluidul etanșat la presiunea p1 este introdus prin racordul (1) și prin arborele tubular (5) ajunge în incinta presurizată formată de inele de etanșare primare (9 – 10). Fluidul este recirculat în vederea răcirii prin racordul (20).

Presiunea de apăsare pe interfață se obține cu ajutorul lichidului de presurizare care introdus prin racordul (16) apasă pistonul (17) mișcarea transmițându-se prin tija (16) și axul suport interior (14) la sistemul de prindere al inelului fix al etanșării primare. Acest sistem este astfel conceput (cu ajutorul bilei de sprijin șl a unui set de arcuri) încât asigură o orientare și o poziționare elastică, deci o acomodare a inelului fix peste cel rotitor, preluând astfel orice abateri de execuție sau montaj.

Axul suport interior (14) permite o rotire de 15° făcând posibilă măsurarea tensometrică a Mf prin lamela elastică (12).

Se mai măsoară scurgerile captate prin orificiul practicat în port-inelulu (11), temperatura în interfața prin termo-cuplele amplasate în inelul fix, temperaturile de intrare și ieșire a fluidului etanșat.

Standul permite etanșarea oricăror fluide de presiuni de până la 60 bari.

Fi

Fig.3.8.

Unde:

1. – racord pentru fluidul etanșat 11. – port-inel fix în montaj elestic-osoilant

2. – sistem secundar de etanșare 12. – lamela pentru măsurarea tensometrică a Mf

3. – lagăr I 13. – flansa suport de apăsare

4. – sistem de antrenare în trepte 14. – ax suport interior

5. – arborele principal tabular 15. – rulment axial

6. – lagăr II 16. – tijă piston

7. – dispozitiv universal de prindere 17. – piston

8. – port-inel rotitor interschimbabil 18. – racord pentru fluidul de împingere

9. – inelul rotitor al etanșării primare 19. – placa suport

10. – contra-inelul fix al etanșării primare 20. – racord recirculare fluid etanșat