ТОРЦОВОЕ БЕСКОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2001 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в многорежимных турбомашинах в качестве торцевых уплотнений.

Известно торцовое бесконтактное уплотнение [1], которое состоит из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе и образующего уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом, и устройства регулирования зазора, которое выполнено на рабочей торцовой поверхности вращающегося кольца в виде соединенных с полостью высокого давления газодинамических клиновидных канавок с равным угловым расстоянием друг от друга. Канавки расположены под углом не менее 10 градусов к радиальной прямой, проходящей через ось вращения, направлены в противоположную вращению сторону, создают насосный эффект и нагнетают газ в уплотнительную щель. В конце канавки создается зона с высоким давлением газа, откуда газ стремится перетекать по окружности и по радиусу. Уплотнительный эффект обеспечивается гладкой щелью, расположенной ниже внутреннего диаметра зоны расположения канавок. В уплотнении создается газовый слой высокой жесткости, исключающий касание уплотнительных поверхностей при возможных биениях и перемещениях вала.

Недостатком данного уплотнения является ограниченное его применение из-за зависимости от направления вращения вала. Во всех турбомашинах имеется кратковременное вращение вала в противоположном направлении. При противоположном вращении вала канавки начинают выкачивать газ из уплотнительной щели. Величина давления в щели и жесткость газового слоя падает и происходит закрытие уплотнения с контактом уплотнительных поверхностей. Это является причиной ограниченного ресурса уплотнения. Кроме того, приходится для турбомашин, в которых необходима герметизация рабочей полости с двух сторон, изготавливать два одинаковых уплотнения, но с различным направлением газодинамических канавок, чтобы обеспечить нагнетание газа в уплотнительные щели при вращении вала. Это приводит к повышению номенклатуры изготавливаемых уплотнений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является торцовое бесконтактное уплотнение [2], которое состоит из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе и образующего уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом, и устройства регулирования зазора. Устройство регулирования зазора выполнено на уплотнительной торцевой поверхности вращающегося кольца в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок, которые соединены единым входом с полостью высокого давления и направлены в окружном направлении в противоположные стороны (см. верхний рисунок на фигуре 16, стр. 310 той же статьи). В этом случае одна из спиральных канавок, направленная против вращения вала, обеспечивает нагнетание газа в уплотнительную щель и создает зону с высоким давлением газа. Другая же канавка, направленная по вращению вала, выкачивает газ из уплотнительной щели, создавая зону с пониженным давлением газа. В эту зону засасывается газ из окружающей канавку уплотнительной щели. Эффект от нагнетания превышает эффект от выкачивания и уплотнение обладает положительной жесткостью газового слоя. Это обеспечивает реверсивность уплотнения, то есть уплотнение одинаково работоспособно при обеих направлениях вращения вала. Что, в свою очередь, уменьшает опасность изнашивания контактирующих поверхностей во время работы турбомашины.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, так как несущая способность и жесткость газовой пленки существенно ниже, чем у уплотнений с традиционными одиночными канавками. Это обусловлено тем, что газ из зоны повышенного давления интенсивно перетекает в зону пониженного давления, уменьшая газодинамический эффект. Все это может привести к тому, что на некоторых режимах работы турбомашины рабочие уплотнительные поверхности будут касаться. Кроме того, при низких давлениях уплотняемой среды перетекание в зону с пониженным давлением будет незначительно и в откачивающих канавках будет образовываться вакуум, что может привести к разрушению поверхностей уплотнительных колец. В частности, поверхность противоположного контактирующего кольца, которое обычно изготавливают из не обладающего высокими прочностными свойствами графита, будет испытывать чередующиеся с высокой скоростью воздействия от зон с высоким и очень низким давлением, что может привести к выкрашиванию материала. Это снижает ресурс уплотнения.

В основу изобретения поставлена задача увеличения ресурса торцового уплотнения за счет применения более эффективной формы газодинамических камер.

Поставленная задача решена тем, что в торцовом бесконтактном уплотнении, состоящем из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе, образуя уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом и устройством регулирования зазора, при этом устройство регулирования зазора расположено на уплотнительной торцевой поверхности вращающегося кольца и выполнено в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок, которые соединены единым входом с полостью высокого давления, направлены в окружном направлении в противоположные стороны и соединены между собой перемычкой по внутреннему диаметру их расположения.

На фиг. 1 показан уплотнительный узел в разрезе; на фиг. 2 - рабочий торец вращающегося кольца с газодинамическими канавками и перемычкой.

Торцовое бесконтактное уплотнение, состоящее из невращающегося 1 и вращающегося 2 колец, которые разделены газовой тонкой пленкой, предназначено для разделения газовой (А) и внешней (Б) полостей (фиг. 1). Подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо 1 зафиксировано от проворота с помощью выступов на его наружной части, входящих в пазы в корпусе 3. Оно установлено на упругих элементах 5 герметично посредством вторичного резинового уплотнения 4 в корпусе 3. Уплотнительное кольцо 1 образует уплотнительную щель с вращающимся кольцом 2, которое установлено на втулке 6. Крутящий момент передается с помощью штифта 7. Статические уплотнения осуществляются резиновыми кольцами 8. Штифт 9 фиксирует кольцо 1 от проворота.

На торцовой уплотнительной поверхности вращающегося кольца 2 (фиг. 2) выполнены сдвоенные спиралеобразные газодинамические канавки 10 и 11, которые соединены единым входом с полостью высокого давления и направлены в окружном направлении в противоположные стороны. Канавки расположены в кольцевой зоне между наружным диаметром вращающегося кольца и диаметром, ниже которого находится поверхность, осуществляющая уплотнительный эффект. Спиралеобразные газодинамические канавки соединены между собой перемычкой 12 по внутреннему диаметру их расположения.

При определенном направлении вращения вала одна из канавок, например 10, обеспечивает нагнетание уплотняемого газа в уплотнительную щель, образуя газодинамическое усилие, препятствующее контакту колец 1 и 2. В этом случае другая канавка, в данном случае 11, выкачивает газ из уплотнительной щели. Этот газ выкачивается назад в уплотняемую полость и частично попадает на вход канавки 10.

Нагнетаемый канавкой 10 газ создает зону с повышенным давлением газа. Газ из этой зоны стремится утечь во внешнюю и уплотняемые полости, а также в окружном направлении за счет переносного движения. Часть газа по перемычке 12 перетекает в канавку 11. Это приводит к повышению уровня давления в канавке 11.

Выбором формы перемычки 12, в частности ее ширины и глубины, можно регулировать величину перетекающего газа из канавки 10 в канавку 11. Так как эффект нагнетания превышает эффект выкачивания, то за счет незначительного снижения давления в конце канавки 10 можно существенно снизить падение давления в конце канавки 11. Это позволяет повысить несущую способность и жесткость газового слоя уплотнения. При смене направления вращения вала нагнетающую функцию будет выполнять канавка 11.

Таким образом, предлагаемая конструкция уплотнения обеспечит повышенные несущую способность и жесткость газового слоя и возможность регулирования величины зазора при работе турбомашины при любом направлении вращения вала, что и приводит к увеличению ресурса работы торцового бесконтактного уплотнения.

Данное уплотнение возможно применять в многорежимных турбомашинах. Особенно эффективно применение для машин, где возможна смена направления вращения вала.

Источники информации
1. Бесконтактное уплотнение, патент ФРГ 3722303, МПК F 16 J 15/34, 19.01.89.

2. "Уплотнения и вибрационная надежность центробежных машин". Статья I. Goldswain. Enhancing the performance of dry gas seals// Presentation given to the 6^th Technical Conference on the Reliability of Centrifugal Machinery (Труды VI научно-технической конференции), г. Сумы, 17-20 сентября 1991. - С. 295-313, фигура 1, стр. 296.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в многорежимных турбомашинах. Торцовое бесконтактное уплотнение состоит из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, которое установлено на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе и образует уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом, и устройства регулирования зазора. При этом устройство регулирования зазора расположено на торцовой уплотнительной поверхности вращающегося кольца и выполнено в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок. Канавки соединены единым входом с полостью высокого давления, направлены в окружном направлении в противоположные стороны и соединены между собой перемычкой по внутреннему диаметру их расположения. Конструкция уплотнения обеспечивает повышенные несущую способность и жесткость газового слоя и регулирование величины зазора при работе турбомашины при любом направлении вращения вала. В результате уплотнение будет обладать стабильными характеристиками во времени, повышенной эффективностью и ресурсом. 2 ил.

Торцовое бесконтактное уплотнение, состоящее из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе, образуя уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом и устройством регулирования зазора, расположенного на торцовой уплотнительной поверхности вращающегося кольца и выполненного в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок, которые соединены единым входом с полостью высокого давления и направлены в окружном направлении в противоположные стороны, отличающееся тем, что канавки соединены между собой перемычкой по внутреннему диаметру их расположения.