УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА Российский патент 2003 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов.

Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения со спиральными канавками, содержащая установленное в корпусе упорное кольцо с нажимными пружинами и на валу опорное кольцо, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и напорный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, направленные против вращения вала [1].

Недостатком такой конструкции уплотнения вала является неустойчивость слоя газовой смазки в уплотнительном зазоре между уплотнительными кольцами из-за возникновения обратных течений (кольцевых вихрей) в спиральных канавках и на гладких участках между ними, что вызывает неустойчивость уплотнительных колец. Это приводит к снижению надежности работы уплотнения в целом.

Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное в корпусе упорное кольцо с нажимными пружинами и на валу опорное кольцо, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и напорный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, соединенные прерывистым кольцевым коллектором в группы, с равным количеством канавок [2].

Однако при этом, из-за перетока газа с предыдущих спиральных канавок в последующие, происходит снижение суммарной напорности самих спиральных канавок и, как следствие, снижение надежности уплотнения в целом.

В основу изобретения уплотнение вала турбомашины поставлена задача повысить надежность и расширить область применения уплотнения путем сведения спиральных канавок в равномерно расположенные по окружности группы, что обеспечит повышение несущей способности напорного участка при сохранении той же суммарной напорности.

Поставленная задача достигается тем, что в известной конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей установленные в корпусе упорное кольцо с нажимным устройством и опорное кольцо, установленное на валу, а на торцовой поверхности одного из колец имеется уплотнительный поясок и напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, причем угловой шаг между ними больше угла открытия спиральных канавок, согласно изобретению по меньшей мере часть спиральных канавок сгруппирована в равномерно расположенные по окружности группы, причем число групп не меньше трех, а угловой шаг между соседними спиральными канавками в группе может быть одинаков или монотонно увеличиваться или уменьшаться по направлению вращения вала турбокомпрессора.

Таким образом, уплотнение вала турбокомпрессора обладает следующими существенными отличительными признаками:
- выполнение по меньшей мере части спиральных канавок сгруппированными в равномерно расположенные, по окружности группы позволит обеспечить более высокое давление газа на этих участках, что способствует образованию окружной волнообразной деформации более податливого уплотнительного кольца, при этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды, обеспечивая устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а также, как следствие, раскрытию уплотнительного зазора при малых частотах вращения вала турбокомпрессора;
- выполнение по меньшей мере трех равномерно расположенных по окружности групп спиральных канавок способствует динамической устойчивости уплотнительных колец в широком диапазоне окружных скоростей, так как при этом обеспечивается плоскопараллельность уплотнительного зазора, т. е. будут исключены угловые колебания вращающегося кольца;
- выполнение спиральных канавок в группах с уменьшающимся или увеличивающимся угловым шагом достигают требуемой микродеформации колец различной прочности.

Все это позволяет повысить надежность и экономичность уплотнения в целом за счет обеспечения динамической устойчивости уплотнительных колец и обеспечения требуемого уплотнительного зазора в широком диапазоне частот вращения вала турбокомпрессора.

Заявляемая конструкция уплотнения вала турбокомпрессора с указанной совокупностью признаков обеспечивает повышение надежности и уплотняющей способности уплотнительного узла за счет повышения динамической устойчивости уплотнительных колец, а также поддержания расчетной величины уплотнительного зазора в широком диапазоне частот вращения вала турбокомпрессора и может быть применена в качестве концевых уплотнений на центробежных компрессорах, перекачивающих различные газовые среды, в химической, газовой и других областях промышленности.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез уплотнительного узла, а на фиг.2, 3 и 4 - различные варианты выполнения спиральных канавок, сгруппированных в равномерно расположенные по окружности группы.

Уплотнение вала турбокомпрессора (фиг.1) содержит установленное в корпусе 1 упорное кольцо 2 с нажимным устройством 3 и установленное на валу 4 опорное кольцо 5, на торцовой поверхности которого имеется уплотнительный поясок 6 и напорный участок 7. На напорном участке выполнены спиральные канавки 8, отделенные друг от друга перемычками 9, а от полости низкого давления уплотнительным пояском 6. По меньшей мере часть из канавок 8 сгруппирована в равномерно расположенные по окружности группы 10, причем число групп не меньше трех (фиг.2...4). При этом угловой шаг ϕ_i между соседними спиральными канавками в группе больше угла γ открытия самих спиральных канавок и может увеличиваться (фиг.3) или уменьшаться (фиг.4) по направлению вращения вала. Герметизация по нерабочим поверхностям упорного 2 и опорного 5 колец осуществляется эластичными уплотнительными элементами 13 и 12.

Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом.

В исходном положении кольца 2 и 5 прижаты друг к другу с помощью пружины 3. Газ, находящийся перед узлами уплотнений, удерживается от перетечек через зазоры между корпусом и кольцом 2, а также между валом 4 и кольцом 5 уплотнительными элементами 12 и 11 соответственно. Сила, раскрывающая уплотнительный стык, меньше газостатической силы, прижимающей уплотнительные кольца 2 и 5 друг к другу, при этом уплотнительный участок 6 контактирует с уплотнительной торцовой поверхностью ответного кольца и препятствует проникновению газа из полости высокого давления в полость низкого давления, чем обеспечивается герметизация уплотнительного стыка.

При вращении вала 4 газ захватывается спиральными канавками 8 и подается к центру торцовых уплотнительных поверхностей колец 2 и 5, где, встречая сопротивление перемычек 9 и уплотнительного участка 6, сжимается, образуя зоны повышенного давления. Возникающая при этом результирующая газодинамическая сила увеличивает силу, раскрывающую уплотнительный стык, и при определенной частоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей. При этом кольцо 2 занимает некоторое равновесное положение, образуя с кольцом 5 оптимальный уплотнительный зазор.

Увеличение зазора между кольцами 2 и 5 приведет к уменьшению результирующей газодинамической силы и нарушению баланса сил, действующих на упорное кольцо 2, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора. При уменьшении зазора меньше оптимального результирующая газодинамическая сила, раскрывающая уплотнительный стык, увеличивается и упорное кольцо начнет смещаться в сторону увеличения зазора, пока не займет равновесное положение.

Выполнение по меньшей мере части спиральных канавок 8 сгруппированными в равномерно расположенные по окружности одинаковые группы 10 позволит обеспечить на участках с малым угловым шагом ϕ_i между соседними спиральными канавками более высокую напорность, а на участках с большим угловым шагом ϕ_i - меньшую напорность. Это происходит из-за того, что при малом угловом шаге ϕ_i между спиральными канавками 8 зоны повышенного давления практически сливаются, что способствует увеличению напорности на этом участке, а с увеличением углового шага ϕ_i между соседними спиральными канавками - суммарная напорность на этих участках уменьшается. Таким образом по окружности кольца образуются равномерно распределенные участки с переменной напорностью, что способствует образованию окружной волнообразной деформации более податливого уплотнительного кольца, при этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды. Выполнение на напорном участке кольца по меньшей мере трех равномерно расположенных групп исключает угловые колебания кольца и обеспечит устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а также раскрытие уплотнительного зазора при малых скоростях вращения вала турбокомпрессора.

В случае, если напорный участок 7 выполнен на опорном кольце 5, а угловой шаг ϕ_i между соседними спиральными канавками 8 в группах 10 увеличивается по направлению вращения (фиг.3), то наименьшую напорность имеет начальный участок группы, при этом из-за перетока газа через перемычки 9 с предыдущей спиральной канавки в последующую напорность вдоль группы 10 будет интенсивно возрастать.

Таким образом в каждой из этих групп образуется наибольшая разность напорностей по длине группы, что приведет к наибольшей местной микродеформации упорного кольца 2. Если же по направлению вращения угловой шаг ϕ_i между соседними спиральными канавками в группе будет уменьшаться (фиг.4), то при этом наибольшую напорность имеет начальный участок группы. Однако из-за перетока газа с предыдущих спиральных канавок в последующие, интенсивность падения напорности будет небольшой, что приведет к меньшей микродеформации упорного кольца 2. Таким образом, комбинируя варианты расположения спиральных канавок в группах, достигается требуемая микродеформация кольца независимо от его прочности.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями, обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности уплотнительного узла, путем поддержания оптимального рабочего зазора между уплотнительными кольцами, в широком диапазоне частот вращения, а также в возможности широкого промышленного применения уплотнений такой конструкции в качестве концевых уплотнительных узлов центробежных компрессоров, перекачивающих агрессивные, взрывоопасные, токсичные и другие газы.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США 42124756, М.Кл. F 16 J 15/34, 1979г.

2. Патент РФ 2007643, М.Кл. F 16 J 15/34, 1994г. - прототип.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов. Уплотнение вала турбокомпрессора содержит установленное в корпусе упорное кольцо с нажимным устройством и упорное кольцо, установленное на валу, а на торцевой поверхности одного из колец имеется уплотнительный поясок и напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, причем угловой шаг между ними больше угла открытия спиральных канавок. По меньшей мере часть спиральных канавок сгруппированы в равномерно расположенные по окружности одинаковые группы, число которых не меньше трех. Угловой шаг между соседними спиральными канавками в группе может быть одинаковым или увеличиваться (уменьшаться) по направлению вращения вала, в результате чего на участках с меньшим угловым шагом между спиральными канавками обеспечивается более высокое давление газа, что способствует образованию окружной волнообразной микродеформации более податливого уплотнительного кольца. При этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды, что обеспечивает устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения и раскрытие уплотнительного зазора при малых частотах вращения вала турбокомпрессора. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее установленное в корпусе упорное кольцо с нажимным устройством и опорное кольцо, установленное на валу, а на торцовой поверхности одного из колец имеется уплотнительный поясок и напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, причем угловой шаг между ними больше угла открытия спиральных канавок, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть спиральных канавок сгруппированы в равномерно расположенные по окружности одинаковые группы, причем число групп не меньше трех.2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что угловой шаг между соседними спиральными канавками в группе увеличивается или уменьшается по направлению вращения вала.