ТОРЦЕВОЕ БЕСКОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в многорежимных турбомашинах в качестве торцовых 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 торцевой 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 [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. 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. 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 обоих 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.

Техническая задача, решаемая данным изобретением, - увеличение ресурса торцевого уплотнения за счет применения более эффективной формы газодинамических камер.

Вариант 1. Поставленная задача решена тем, что в торцевом 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 устройства регулирования зазора, расположенного на уплотнительной торцевой 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, от входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал, глубина которого превышает глубину газодинамических канавок.

Вариант 2. Поставленная задача решена тем, что в торцевом 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 устройства регулирования зазора, расположенного на уплотнительной торцевой 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, от входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал, который соединен с канавками по внутреннему диаметру их расположения перемычками, и глубина канала превышает глубину газодинамических канавок.

На фиг. 1 показан уплотнительный узел в разрезе; на фиг. 2 - рабочий торец вращающегося кольца с газодинамическими канавками и радиальным каналом (вариант 1); на фиг. 3 - рабочий торец вращающегося кольца с газодинамическими канавками, радиальным каналом и перемычками (вариант 2).

Торцевое 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 торцевой 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.

Вариант 1. От входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал 12, глубина которого превышает глубину газодинамических канавок 10 и 11 (фиг. 2).

Вариант 2. От входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал 12, который соединен с канавками по внутреннему диаметру их расположения перемычками 13 и 14, при этом глубина канала 12 превышает глубину газодинамических канавок 10 и 11 (фиг. 3).

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.

Вариант 1. Часть газа из канавки 10 будет перетекать через уплотнительную щель в окружном направлении в канал 12, но перетекание будет незначительным, так как из-за увеличенной глубины канала 12 в нем будет поддерживаться давление, практически равное давлению газа в уплотняемой полости. В конце канавки 11 создается зона с пониженным давлением. Это приводит к тому, что из канала 12 через уплотнительную щель в окружном направлении будет происходить подпитка канавки 11, что приводит к повышению уровня давления в канавке 11. Таким образом, за счет выполнения канала 12 осуществляется более эффективная подача газа в зону пониженного давления, но не за счет уменьшения уровня давления в зоне повышенного давления.

Вариант 2. Часть газа из канавки 10 будет перетекать по перемычке 13 в канал 12, где находится газ с давлением, близким к давлению уплотняемой среды. Это обусловлено тем, что перемычка 13, расположенная между канавкой 10 и каналом 12, короче, чем канавка 10, и эффект нагнетания незначителен. То есть течение от перепада давления в перемычке 13 превышает переносное течение газа. Это относится также и к идентичной перемычке 14. В конце канавки 11 создается зона с пониженным давлением. Это приводит к тому, что по перемычке 14 происходит подпитка канавки 11 из канала 12, что приводит к повышению уровня давления в канавке 11.

Выбором форм канала 12 и перемычек 13 и 14, в частности их 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 торцевого бесконтактного уплотнения.

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

Источники информации
1. Патент ФРГ N 3722303 "Торцевое бесконтактное уплотнение", МПК F 16 J 15/34, 19.01.89.

2. 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 "Уплотнения и вибрационная надежность центробежных машин"), г. Сумы, 17-20 сентября 1991. - С.295-313., фиг. 1, стр.296, фиг. 16, стр. 310к

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в многорежимных турбомашинах в качестве торцевых уплотнений. Торцевое 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. Устройство регулирования зазора расположено на торцевой уплотнительной поверхности вращающегося кольца и выполнено в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок, которые соединены единым входом с полостью высокого давления и направлены в окружном направлении в противоположные стороны. От входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал, глубина которого превышает глубину газодинамических канавок. В другом варианте от входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал, который соединен с канавками по внутреннему диаметру их расположения перемычками, и глубина канала превышает глубину газодинамических канавок. Конструкция уплотнения обеспечивает повышенные несущую способность и жесткость газового слоя и регулирование величины зазора при работе турбомашины при любом направлении вращения вала. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Торцевое 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 устройства регулирования зазора, расположенного на торцевой 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 от входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал, глубина которого превышает глубину газодинамических канавок. 2. Торцевое 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 устройства регулирования зазора, расположенного на торцевой 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 от входа канавок вниз в радиальном направлении выполнен канал, который соединен с канавками по внутреннему диаметру их расположения посредством перемычек, при этом глубина канала превышает глубину газодинамических канавок.