СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ И РАБОЧАЯ КАМЕРА УПЛОТНИТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК F04D17/10 F02B75/12 

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно двигателестроения, в частности к способам и устройствам осуществления рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), компрессорной технике, в том числе оборудованию для газокомпрессорных станций.

Известны способы и устройства для генерации газообразной среды с повышенным давлением при использовании в двигателях внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С.Ховаха. М., «Машиностроение», 1977, 591 с.; А.Э.Симсон Газотурбинный наддув дизелей. М., «Машиностроение», 1964, 248 с.), а также транспортировки газа по трубопроводам.

Известен способ уплотнения газообразной среды (патент РФ №2221154), включающий подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через отверстия, выполненные около стенок в периферийной части камеры, подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю.

Особенность осуществления известного способа состоит в том, что часть подаваемой в камеру уплотнительного устройства газообразной среды, вследствие неодинакового давления газа у противоположных стенок секций, вызванного вращением камеры, может поступать непосредственно к выходным отверстиям и выходить наружу, минуя зону его уплотнения у периферийной стенки камеры. В результате понижается степень уплотнения газообразной среды, проходящей через камеру уплотнителя, повышаются энергозатраты на уплотнение газа, снижается мощность и КПД уплотнителя.

Известен уплотнитель газообразной среды (патент РФ №2221154), выполненный в виде центробежного устройства, содержащего привод, связанный с двигателем, корпус с полостью, снабженной входным каналом, сообщенным с выходом устройства образования газообразной среды, и выходными каналами, уплотнительную камеру, выполненную в виде полой оболочки, размещенной в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси, снабженную входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.

Особенность выполнения известного устройства состоит в том, что выходное отверстие камеры не защищено от поступления части подаваемой в камеру уплотнительного устройства газообразной среды непосредственно к выходным отверстиям и выходу ее наружу, минуя зону его уплотнения у периферийной стенки камеры. В результате понижается степень уплотнения газообразной среды, проходящей через камеру уплотнителя, повышаются энергозатраты на уплотнение газа, снижается мощность и КПД уплотнителя.

Предлагаемыми изобретениями решаются задачи повышения степени уплотнения газообразной среды, КПД, мощности и экономичности уплотнителя.

Увеличение степени уплотнения газа достигается за счет того, что весь газ, подаваемый в камеру уплотнительного устройства, заставляют проходить около периферийной стенки камеры, где он подвергается наибольшему уплотнению.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ и устройство.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ уплотнения газообразной среды, который, как и в патенте РФ №2221154, включает подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между разделительными стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через выпускные отверстия, выполненные около разделительных стенок в периферийной части камеры, последующую подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю

Отличительные признаки предлагаемого способа состоят в том, что уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки с периферийной частью камеры со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу вдоль периферийной стенки камеры к выпускному отверстию.

Для достижения указанного технического результата предлагается рабочая камера уплотнителя, которая, как и камера в патенте РФ №2221154, выполнена в виде полой оболочки, установленной на валу, размещенная в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабженная входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними разделительными стенками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.

Отличительные признаки предлагаемого устройства состоят в том, что внутренняя полость каждой секции снабжена экранирующей стенкой, образующей вместе с периферийной частью камеры уплотнительный канал для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием секции камеры, снабженный входным отверстием, выполненным в экранирующей стенке около разделительной стенки секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.

Дополнительными отличительными признаками устройств являются следующие:

- вход уплотнительного канала снабжен скосом, поверхность которого обращена в направлении вращения камеры уплотнителя;

- поверхность скоса выполнена плоской;

- поверхность скоса выполнена изогнутой, причем вогнутая сторона поверхности обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез уплотнителя, используемого в составе системы уплотнения газообразной среды с различными источниками газа для привода газовой турбины; на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1.

При осуществлении предложенного способа с помощью устройства, показанного на фиг.1 и фиг.2, выполняются следующие действия.

Газообразную среду, например, рабочего тела теплового двигателя подают через приосевое отверстие канала 8 в камеру 4 уплотнителя, вращающуюся вокруг оси 3 в полости 2 корпуса уплотнителя. Газообразную среду вращают вместе с камерой 4 и пропускают при этом между разделительными стенками 5 изолированных секций 6 в направлении от оси 3 к периферии камеры 4. Газообразную среду выпускают из камеры 4 уплотнителя через отверстия 13, выполненные около стенок 5 в периферийной части камеры 4. Уплотненную газообразную среду подают по соединительному каналу 15 к потребителю 16. Вращение газообразной среды вместе с камерой 4 осуществляют от рабочего колеса 21 газовой турбины, связанного с камерой 4 уплотнителя. Для этого через лопатки рабочего колеса 21 турбины пропускают газ повышенного давления от источника 23. При этом газообразную среду из камеры 4 уплотнителя выпускают в коллектор 24, образованный зазором между камерой 4 и стенкой полости 2 корпуса уплотнителя, откуда ее подают в соединительный канал 15.

При этом уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры 4 уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки 5 с периферийной частью камеры 4 со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу 26 вдоль периферийной стенки камеры 4 к выпускному отверстию 13.

Особенность осуществления предлагаемого способа состоит в том, что увеличение степени уплотнения газа достигается за счет того, что весь газ, подаваемый в камеру уплотнительного устройства, заставляют проходить около периферийной стенки камеры, где он подвергается наибольшему уплотнению.

Устройство для осуществления способа уплотнения газообразной среды (фиг.1 и фиг.2) выполнено в виде центробежного устройства и содержит корпус 1 с полостью 2, в которой на валу 3 установлена камера 4, снабженная внутри разделительными стенками 5, разделяющими ее полость на изолированные секции 6. Наружные стенки камеры 4 образуют с внутренними стенками полости 2 соответственно подобранные зазоры. Вал 3 установлен в корпусе 1 в самосмазывающемся подшипнике 7 с возможностью вращения относительно продольной оси. Камера 4 уплотнителя снабжена каналом 8, сообщенным с выходом канала 9 источника 10 уплотняемой газообразной среды. Канал 8 снабжен боковыми отверстиями 11. Секции 6 снабжены впускными отверстиями 12, выполненными в их приосевой части в виде радиальной проточки, сообщающей полости секций 6 с боковыми отверстиями 11 канала 8. Кроме того, секции 6 снабжены выпускными отверстиями 13, выполненными в их периферийной пристеночной части и периодически сообщаемыми посредством выходного канала 14 в корпусе с соединительными каналами 15. Выпускные отверстия 13 выполнены в периферийной части секций 6 и сообщены посредством выходного канала 14 и соединительного канала 15 с потребителем 16 уплотненной газообразной среды. Выпускные отверстия 13 секций 6 размещены в пристеночной части секций и смещены в направлении вращения (на фиг.2 обозначено - н.в.) камеры 4. Выпускные отверстия 13 соответственно подобраны впускным отверстиям 12. При этом площадь впускных отверстий 12 секций 6 превышает площадь их выпускных отверстий 13. Привод уплотнителя выполнен в виде газовой турбины, которая содержит корпус 17, снабженный полостью 18, входным 19 и выходным 20 каналами, рабочее колесо 21, установленное соосно на валу 3 камеры уплотнителя, размещенное в полости 18 корпуса турбины. Наружный диаметр камеры 4 уплотнителя выполнен превышающим диаметр рабочего колеса 21 турбины и подобран соответствующим мощности турбины и степени повышения плотности газа в уплотнителе. Входной канал 19 корпуса турбины сообщен с выходным устройством 22 источника сжатого газа 23. Выходной канал 14 корпуса 1 уплотнителя снабжен приемной полостью для газа, выполненной в виде кольцевого коллектора 24, который размещен в периферийной части полости корпуса камеры уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры 4 уплотнителя.

Внутренняя полость каждой секции 6 снабжена экранирующей стенкой 25, образующей вместе с периферийной частью камеры 4 уплотнительный канал 26 для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием 13 секции камеры, снабженный входным отверстием 27, выполненным в экранирующей стенке 25 около разделительной стенки 5 секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.

Вход уплотнительного канала 26 может быть снабжен скосом 28, поверхность которого обращена в направлении вращения камеры уплотнителя. Поверхность скоса может быть выполнена плоской 29 либо изогнутой 30, причем вогнутая сторона поверхности обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.

Источником 23 сжатого газа для турбины может быть: баллон с устройством 22 регулирования и подвода газа; роторный, поршневой или газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, выходное устройство 22 которого снабжено выхлопным патрубком, сообщенным с входным каналом 19 корпуса турбины.

Источником 10 уплотняемой газовой среды может быть: атмосфера, газогенератор, газонаполненный трубопровод и др.

Потребителем 16 уплотненного газа может быть баллон, двигатель внутреннего сгорания, напорная ветвь газопровода, реактивное сопло.

Устройство для осуществления способа уплотнения газообразной среды работает следующим образом. При вращении вала 3 уплотняемый газ от источника 10 поступает в канал 9 и далее через боковые отверстия 11 канала 8 и впускные отверстия 12 попадает в секции 6 камеры 4, которая вращается вместе с валом 3. Поступивший в полости 6 газ прижимается к перегородкам 5 и таким образом вовлекается во вращение вместе с камерой 4. При этом под действием центробежных сил инерции газ перемещается в радиальном направлении вдоль перегородок 5 секций 6 от оси вращения к периферии камеры 4.

По мере удаления от оси вращения действие центробежных сил инерции возрастает. Возрастает и плотность газа.

Непосредственный выход газа из камеры 4 перекрывает экранирующая стенка 25, поэтому газ через входное отверстие 27 сначала попадает в уплотнительный канал 26, где он максимально уплотняется, а лишь затем по уплотнительному каналу 26 вдоль периферийной стенки камеры 4 поступает к выпускному отверстию 13. При этом на входе в уплотнительный канал 26 поток газа могут поворачивать с помощью скоса 28 в тангенциальном направлении, что увеличивает его абсолютную окружную скорость и повышает тем самым степень уплотнения.

Поскольку площадь впускных отверстий 12 превышает площадь выпускных отверстий 13, не весь поступивший в полости 6 газ успевает выйти через выпускные отверстия 13 и скапливается в периферийной части камеры 4, уплотняясь под действием центробежных сил и инерционного давления со стороны вновь поступающих порций газа. По мере увеличения массы скопившегося в камере 4 вещества возрастает сила давления на периферийные слои газа и, как следствие, увеличивается его расход через выпускные отверстия 13. При определенной скорости вращения камеры 4 наступает динамическое равновесие между количествами поступающего в камеру 4 и исходящего из нее вещества. Поскольку площадь впускных отверстий 12 превышает площадь выпускных отверстий 13, из камеры 4 выходит более плотное вещество.

В результате такого воздействия на выходе из камеры 4 уплотнителя газ имеет более высокую плотность, чем во входном канале 8. Кроме того, при вращении вместе с камерой 4 газ приобретает повышенную кинетическую энергию. Из камеры 4 газ поступает в коллектор 24, где продолжает по инерции вращаться по окружности в кольцевом канале с минимальным торможением. Уплотненный газ по мере потребности из коллектора 24 через выходной канал 14 поступает в соединительный канал 15.

Попав в соединительный канал 15, газ тормозится, что приводит к дополнительному повышению его давления и температуры при поступлении к потребителю 16.

Вращение вала 3 осуществляется за счет энергии сжатого газа, подводимого к рабочему колесу 21 турбины от источника 23. Вращение газообразной среды вместе с камерой 4 осуществляют от рабочего колеса 21 газовой турбины, расположенного на одном валу 3 с камерой 4 уплотнителя. Для этого через лопатки рабочего колеса 21 турбины пропускают газ от внешнего источника 23 газа с повышенным давлением.

Особенность предлагаемого устройства состоит в том, что увеличение степени уплотнения газа достигается за счет того, что весь газ, подаваемый в камеру уплотнительного устройства, заставляют проходить около периферийной стенки камеры, где он подвергается наибольшему уплотнению.

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно двигателестроения, в частности к устройствам осуществления рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, компрессорной технике, в том числе оборудованию для газокомпрессорных станций. Способ уплотнения газообразной среды включает подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между разделительными стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через выпускные отверстия, выполненные около разделительных стенок в периферийной части камеры, последующую подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю. Уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки с периферийной частью камеры со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу вдоль периферийной стенки камеры к выпускному отверстию. Рабочая камера уплотнителя выполнена в виде полой оболочки, установленной на валу, размещена в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабжена входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры. Площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий. Внутренняя полость каждой секции снабжена экранирующей стенкой, образующей вместе с периферийной частью камеры уплотнительный канал для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием секции камеры, снабженный входным отверстием, выполненным в экранирующей стенке около разделительной стенки секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя. Повышается степень уплотнения газообразной среды, КПД, мощность и экономичность уплотнителя. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ уплотнения газообразной среды, включающий подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя, через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между разделительными стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через выпускные отверстия, выполненные около разделительных стенок в периферийной части камеры, последующую подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю, отличающийся тем, что уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки с периферийной частью камеры со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу вдоль периферийной стенки камеры к выпускному отверстию.2. Рабочая камера уплотнителя для осуществления способа по п.1, выполненная в виде полой оболочки, установленной на валу, размещенная в полости корпуса уплотнителя с возможностью вращения относительно оси вала, снабженная входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, разделительными стенками, образующими каналы изолированных секций, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий, отличающаяся тем, что внутренняя полость каждой секции снабжена экранирующей стенкой, образующей вместе с периферийной частью камеры уплотнительный канал для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием секции камеры, снабженный входным отверстием, выполненным в экранирующей стенке около разделительной стенки секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.3. Камера по п.2, отличающаяся тем, что вход уплотнительного канала снабжен скосом, поверхность которого обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.4. Камера по п.3, отличающаяся тем, что поверхность скоса выполнена плоской.5. Камера по п.3, отличающаяся тем, что поверхность скоса выполнена изогнутой, причем вогнутая сторона поверхности обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.