ЩЕЛЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ РОТОРА Российский патент 2001 года по МПК F16J15/44 

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может найти применение в насосах, компрессорах, турбоагрегатах.

Известны щелевые уплотнения роторов, разделяющих полости высокого и низкого давления, эффект которых основан на сопротивлении узкой кольцевой щели между корпусом и ротором [1]. Недостатком этих конструкций является низкая радиальная жесткость плоской кольцевой щели, вследствие чего ротор может касаться стенки статора при малых зазорах в таких уплотнениях, что приводит к местной выработке поверхностей и росту щели.

Известно, что форма уплотняющей щели между ротором и статором должна быть конфузорной, что гарантирует высокую радиальную жесткость и демпфирование слоя уплотняемой среды в щели, а значит надежность и качество работы узла уплотнения [2]. Однако получение малой конусности в деталях при помощи механической обработки сопряжено со значительными трудностями технологического порядка.

Наиболее близким, принятым за прототип, является щелевое уплотнение ротора, содержащее деформируемую втулку, установленную по отношению к ротору с кольцевым зазором в основной уплотняющей щели и в центрирующую обойму с радиальным зазором со стороны полости высокого давления и сопряженную торцом с упорной втулкой корпуса на стороне низкого давления [3]. При нагружении узла уплотнения рабочим перепадом давления втулка деформируется, образуя конфузорную форму радиальной щели между втулкой и ротором. Этим достигается как снижение протечек, так и высокая гидростатическая жесткость слоя уплотняемой среды.

Недостатками такого уплотнения являются значительные габаритные размеры такого узла из-за необходимости использования пружинного элемента и манжеты, трудность расчетного прогнозирования и получения оптимальных размеров и формы основной радиальной щели узла уплотнения, зависящей от деформации втулки, а также отсутствие повторяемости формы щели при повторяемости нагрузки.

Технической задачей предложенного изобретения является повышение надежности и качества работы уплотнительного узла за счет получения расчетной формы щели и ее повторяемости при повторном нагружении, а также возможность разгрузки опоры ротора насоса или компрессора от радиальной нагрузки уже при небольших перепадах давления уплотняемой среды и повышение тем самым ресурса работы агрегата.

Поставленная задача решается тем, что предлагается конструкция щелевого уплотнения ротора, содержащая деформируемую втулку, установленную по отношению к ротору с кольцевым зазором в основной уплотняющей щели и в центрирующую обойму с радиальным зазором со стороны полости высокого давления и сообщенным каналами с этой полостью, при этом деформируемая втулка уплотнена торцовым сопряжением с упорной втулкой корпуса на стороне низкого давления и выполнена L-образной формы с фланцевой и втулочной частями. Длина втулочной части 1 определяется из условия где d - внутренний диаметр деформируемой втулки, а δ - ее толщина, определяемая из соотношения
0,2Δpd²/Eh₀≥δ≥0,4Δpd/σ_T,
где Δp - перепад давления на уплотнении;
E - модуль упругости материала втулки;
σ_T - предел текучести материала втулки;
h₀ - величина кольцевого зазора в основной уплотняющей щели.

Упорная втулка охватывает ротор (установлена относительно ротора) с кольцевым зазором h₁, удовлетворяющим соотношению δ+h_o>h₁>δ. При этом радиальный кольцевой зазор h_k между обоймой и деформируемой втулкой может быть выполнен меньшим размера кольцевого зазора по основной уплотняющей щели, а длины 1 деформируемой втулки и обоймы могут быть выполнены одинаковыми.

На фиг. 1 представлен разрез узла щелевого уплотнения ротора до нагружения узла перепадом давления уплотняемой среды. На фиг.2 показаны формы дросселирующих щелей при нагружении узла уплотнения перепадом давления уплотняемой среды, а также эпюры давлений, нагружающих тело деформируемой втулки со стороны вспомогательной полости и со стороны основной уплотняющей щели. На фиг. 3 показаны результирующие эпюры силового нагружения по длине деформируемой втулки при различных уровнях перепадов давления уплотняемой среды на уплотнении. На фиг.4 представлен характер изменения величины основной уплотняющей щели на стороне полости низкого давления с ростом величины перепада давления Δр уплотняемой среды на уплотнении.

Щелевое уплотнение ротора 1 содержит L-образную деформируемую втулку 2 с внутренним диаметром d и наружным D цилиндрической части, помещенную в центритрующую обойму 3 корпуса 4 статора и закрепленную одним концом со стороны полости 5 высокого давления от осевого смещения относительно корпуса 4 при помощи винтов 6 и упора в сопряжении 7 торцовых поверхностей фланца L-образной деформируемой втулки 2 и центрирующей обоймы 3.

Щелевое уплотнение ротора снабжено упорной втулкой 8, помещенной в расточку корпуса 4 статора и контактирующей своим опорным торцом с торцом свободного конца деформируемой втулки 2 в сопряжении 9 со стороны полости 10 низкого давления.

При этом радиальный кольцевой зазор h₁ между ротором 1 и внутренним диаметром d₁ упорной втулки 8 выполнен большим как зазора h₀ основной уплотняющей щели 11, так и толщины δ свободного конца деформируемой втулки 2.

В расточку корпуса 4 статора помещена центрирующая обойма 3 длиной 1, в которой закреплена деформируемая втулка 2, причем центрирующая обойма 3 охватывает деформируемую втулку 2 с образованием кольцевого радиального зазора h_k со стороны полости 5 высокого давления, меньшим зазора ho основной уплотняющей щели 11, и контактирует своим торцом с опорным торцом упорной втулки 8 в сопряжении 12.

Вспомогательная полость 13 между центрирующей обоймой 3 и деформируемой втулкой 2 сообщена каналами 14 с полостью 5 высокого давления.

Устройство работает следующим образом.

При появлении незначительного перепада давления Δр на узле уплотнения деформируемая втулка 2 нагружается на наружном диаметре D эпюрой давления 15, а на внутреннем диаметре d эпюрой давления 16 (фиг. 2).

Результирующее силовое нагружение g тела деформируемой втулки 2 для этого случая представлено эпюрой 17 на фиг. 3.

Возникающие сжимающие распределенные нагрузки в теле L-образной деформируемой втулки 2, максимальный уровень которых располагается со стороны ее свободного конца, заставляет изменяться тело деформируемой втулки в сторону уменьшения ее внутреннего диаметра d и, таким образом, уменьшению проходного сечения дросселирующей щели в узле уплотнения.

В свою очередь это приводит к перестройке эпюры давления в основной уплотняющей щели, что становится заметным с ростом перепада давления Δр нагружающего узел уплотнения.

При уровне нагружения давлением наружного диаметра D деформируемой втулки 2, представленной эпюрой 18 на фиг. 2, на внутреннем диаметре d втулка 2 будет испытывать нагружение от эпюры давления 19, а зазор между ротором 1 и свободным концом деформируемой втулки 2 будет h₂.

Результирующее силовое нагружение тела деформируемой втулки 2 для этого случая представлено эпюрой 20 на фиг. 3. С ростом перепада уплотняемого давления на уплотнении вплоть до потери торцового контакта в сопряжении 9 деформируемой втулки с упорной втулкой 8 будет сохраняться представленная выше картина поведения втулки 2 с тем лишь отличием, что эпюра давления в основной уплотняющей щели 11 будет становиться полнее из-за роста конфузорности этой щели.

При некотором, определенном для данной конструкции узла уплотнения, значении перепада давления деформирование свободного конца втулки 2 достигает такой величины, что наружный диаметр D деформируемой втулки 2 станет меньшим внутреннего диаметра d₁ упорной втулки 8. Начнется истечение уплотняемой среды через образовавшийся зазор h₄, сопровождающееся падением давления на участке щели во вспомогательной полости 13.

Эпюры давлений, нагружающие тело деформируемой втулки 2 для этого случая, примут вид эпюр 21, 22 (фиг. 2), а результирующее силовое нагружение тела этой втулки будет иметь вид эпюры 23 на фиг. 3. При этом фактором, ограничивающим деформирование свободного конца втулки 2, становится достижение в узле уплотнения определенного соотношения зазоров входных и выходных участков щелей во вспомогательной полости 13 и в основной уплотняющей щели 11, определяющее формы эпюр давлений в щелях 11 и 13 уплотнения.

Характер изменения зазора на выходе из основной уплотняющей щели 11 от h₀ до h₄ между ротором и свободным концом деформируемой втулки 2 с ростом перепада давления Δр на уплотнении показан на фиг.4.

Конфузорная форма основной уплотняющей щели 11 обеспечивает высокую жесткость жидкостного слоя, а значит и высокую центрирующую способность его в отношении ротора 1.

Выполнение соотношения позволяет рассматривать цилиндрическую часть втулки как длинную и пренебречь при расчетах краевыми эффектами.

Выполнение условия 0,2Δpd²/Eh₀≥δ, где E - модуль упругости материала втулки позволяет обеспечить необходимое деформирование тонкостенной втулки в заданном интервале перемещений, а выполнение условия δ≥0,4Δpd/σ_T, где σ_T - предел текучести материала втулки, позволяет обеспечить деформирование втулки в упругой области материала.

Таким образом, применение предложенной в изобретении конструкции в качестве межступенчатого уплотнения в насосах и компрессорах позволит повысить надежность и качество работы узлов уплотнений, а также разгрузить опоры ротора от радиальной нагрузки уже при небольших перепадах давления уплотняемой среды, увеличивая этим ресурс работы агрегатов.

Использование этой конструкции, например, в турбонасосных агрегатах вместо традиционно применяемых плавающих колец, позволит повысить КПД ТНА на 1-4%, разгрузить опоры от радиальных нагрузок и повысить тем самым надежность турбонасосных агрегатов.

Источники информации
1. Марцинковский В.А. Бесконтактные уплотнения роторных машин. М.: Машиностроение, 1980, с. 78-84.

2. Никитин Г.А. Щелевые и лабиринтные уплотнения гидроагрегатов. М.: Машиностроение, 1982, с. 67-72.

3. Макаров Т.В. Уплотнительные устройства. М.: Машиностроение, 1973, с. 158-173, (рис. 100в).

Щелевое уплотнение ротора предназначено для использования в узлах уплотнений роторов и буртов колес насосов, компрессоров и турбоагрегатов. В щелевом уплотнении ротора используют в узле уплотнения L-образную тонкостенную деформируемую втулку, установленную по отношению к ротору с кольцевым зазором в основной уплотняющей щели и в центрирующей обойме с радиальным зазором со стороны полости высокого давления. Зазор сообщен каналами с этой полостью, уплотненной торцовым сопряжением с упорной втулкой корпуса на стороне низкого давления. Втулка при нагружении узла перепадом давления обеспечивает, за счет изменения своих размеров и условий сопряжения с упорной втулкой, образование конфузорной формы щели заданных размеров и сохранение этой формы и величины дросселирующего зазора при дальнейшем росте перепада давления. Положительный эффект достигается определенным соотношением размеров деформируемой втулки, зазоров и деталей в узле. Использование этой конструкции позволит повысить КПД насосов, компрессоров и турбоагрегатов на 1-4%, разгрузить опоры от радиальных нагрузок в режимах пуска и останова ротора и повысить тем самым надежность перечисленных агрегатов. 2 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Щелевое уплотнение ротора, содержащее деформируемую втулку, установленную по отношению к ротору с кольцевым зазором в основной уплотняющей щели и в центрирующей обойме, с радиальным зазором со стороны полости высокого давления, сообщенным каналами с этой полостью, при этом деформируемая втулка уплотнена торцовым сопряжением с упорной втулкой корпуса на стороне низкого давления, отличающееся тем, что деформируемая втулка выполнена L-образной формы, с фланцевой частью и со втулочной частью длиной 1, определяемой из условия где d - внутренний диаметр деформируемой втулки, а δ ее толщина, определяемая из соотношения
0,2Δpd²/Eh₀≥δ≥0,4Δpd/σ_T
где Δp - перепад давления на уплотнении;
Е - модуль упругости материала втулки;
σ_T - предел текучести материала втулки;
h₀ - величина кольцевого зазора в основной уплотняющей щели,
при этом упорная втулка охватывает ротор с кольцевым зазором h₁, удовлетворяющим соотношению δ+h₀>h₁>δ. 2. Щелевое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что радиальный кольцевой зазор h_к выполнен меньшим радиального кольцевого зазора h₀ основной уплотняющей щели. 3. Щелевое уплотнение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что осевая длина 1 деформируемой втулки и обоймы выполнены одинаковыми.