Способ бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК F04D29/10 

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к способам и устройствам уплотнений вращающихся валов роторных машин и может быть использовано в вентиляторах, печах аэродинамического и рециркуляционного нагрева, воздуходувках, турбокомпрессорах, газоперекачивающих агрегатах и других нагнетательных машинах и аппаратах.

Широко известны способы уплотнения валов роторных машин и устройства для их осуществления, например, (Патент РФ №2744621, F04D 29/10. Дата регистрации: 12.03.2021) путем установки устройства регулирования давления затворной жидкости. Однако эффективность способа уплотнения снижается при износе уплонительных элементов роторной машины, а так же из-за сложности конструкции, так как последовательно установлены несколько рядов уплотнений.

Известны эжекторные бесконтактные способы уплотнения валов роторных машин (Скаскевич, А.А. Основы герметологии: тексты лекций / А.А. Скаскевич, В.А. Струк. - Гродно: ГрГУ, 2010. - 140 с. ISBN 978-985-515-359-8) путем создания перепада давления технологических сред с помощью эжектора, утечку среды из уплотнения направляют в зону низкого давления, а затем - в сборники, что снижает эффективность способа уплотнения вала роторной машины из-за утечки среды.

Известны способы уплотнения валов роторных машин и устройства для их осуществления (Патент РФ №6109868 А «Система вытяжки воздуха с высоким расходом между ступенями» 29.08.2000, МПК F16J 15/447, F04D 29/547) путем вытяжки сжатого воздуха для герметизации уплотнения по мере его прохождения через кольцевой зазор между корпусом уплотнения и вращательным компонентом - ротором с валом, однако при этом из компрессора извлекается большое количество воздуха через кольцевой зазор между статором и ротором, что снижает эффективность способа уплотнения, а устройство уплотнения содержит множество перегородок в пределах кольцевой щели, что усложняет констукцию уплотнения.

Известно, что при развороте потока образуется каверна, которая способствует понижению давления в зоне ее соприкосновения со стенкой вследствие увеличения скорости за счет уменьшения поперечного сечения потока в этой зоне (Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики: Учебное пособие для вузов по специальности «Гидропривод и гидроавтоматика». М. Машиностроение, 1979 - 232 с).

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2327061 «Способ повышения коэффициента полезного действия компрессора», МПК F04D 29/10. Опубликовано: 20.06.2008 Бюл. №17) путем установки лабиринтно-винтового уплотнения с аэродинамическим потоком, который может создавать обратный поток газа на месте стыка всасывания с проточной частью и цилиндрической расточкой корпуса, перетеканием через зазоры между вращающимся валом и корпусом, на диффузоре, диафрагме и крышке колес между ступенями компрессора, а также в качестве бесконтактного концевого уплотнения на концах вала. Однако, уплотняющая среда подается в уплотнение от внешнего источника давления, что снижает эффективность способа и усложняет конструкцию уплотнения.

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2181172 «Щелевое уплотнение», МПК F16J 15/44. Опубликовано: 10.04.2002 Бюл. №10) путем использования потока уплотняющей среды, в котором область высокого давления за роторным колесом соединена с кольцевой камерой каналами и радиальными отверстиями, однако известным способом уплонение осуществляется только при вращении вала в одном направлении, что усложняет конструкцию и не обеспечивает герметичности уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен эжекторный бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №121345 «Эжекторное уплотнение вала центробежного насоса», МПК F04D 29/10. Заявлено 3 октября 1958 г), заключающийся в подаче уплотняющей среды эжектирующим потоком в зазор между валом и корпусом путем образования совместно с крышкой корпуса и рабочим колесом дросселирующей щели, диск рабочего колеса снабжен кольцевым выступом, устройство уплотнения содержит корпус с соплом эжектора. Однако сопло эжектора выполнено совместно с диском рабочего колеса и расположено последовательно за дросселирующей щелью, что усложняет конструкцию уплотнения и снижает эффектвность уплотнения вала роторной машины при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2451920 «Экспериментальная установка для исследования модельных ступеней центробежных компрессоров», МПК F04D 29/10. Опубликовано: 27.05.2012 Бюл. №15) в котором полость между уплотнениями соединена трубопроводом с нагнетательной камерой, однако, поток, отбираемый из нагнетательной камеры, подается непосредственно в зазор между валом и корпусом, что не обеспечивается надежное уплотнение при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2441177 «Система обеспечения газом "сухих" газодинамических уплотнений», МПК F04D 29/10. Опубликовано: 27.01.2012 Бюл. №3) путем снижения перепада давления на самом уплотнении, устройство которого содержит трубопровод и регулирующий клапан, выполненный с возможностью снижения перепада давления на самом уплотнении однако, трубопровод осуществляет сброс давления в атмосферу (на свечу), что снижает эффектвность уплотнения вала роторной машины и отстутствие возможности уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2357106 «Система уплотнений турбокомпрессора», МПК F04D 29/10. Опубликовано: 27.05.2009 Бюл. №15) путем установки уравнительных камер с регуляторами перепада давлений и линии подачи газа в камеры отдельным трубопроводом, однако недостаток данного способа уплотнений состоит в низкой эффективности уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2129670 «Бесконтактное уплотнение вала», МПК F04D 29/08, F16J 15/44. Опубликовано: 27.04.1999) путем образования каверн, выполненых в виде радиальных цилиндрических впадин и расположенных под различными углами относительно оси вала. Уплотнение содержит корпус и размещенный с радиальным зазором в цилиндрическом отверстии корпуса вал с одним или несколькими выполненными на его наружной поверхности желобами, образующими с корпусом гидравлический тракт с зонами сужения и расширения потока уплотняющей среды и образованием ряда последовательно размещенных на поверхности вала изолированных друг от друга каверн, которые выполнены в виде радиальных цилиндрических впадин разнящихся формой, и/или объемом, и/или расположенных под различными углами относительно оси вала. Однако, каверны образуются только со стороны нагнетания рабочего колеса, а со стороны низкого давления названные каверны не обеспечивают уплотнения вала роторной машины, что снижает эффективность уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен бесконтактный способ уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2741052 «Электрическая машина с бесконтактным уплотнением подшипника», МПК H02K 5/16, F16C 33/76. Опубликовано: 22.01.2021 Бюл. №3) путем формирования единого уплотнительного канала с по меньшей мере одной кольцевой канавкой на охватывающей уплотнительной цилиндрической поверхности. Однако, по известному способу канавки выполнены винтовыми с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала, а на хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности - с направлением винта, совпадающим с направлением вращения, что не обеспечивает эффективность бесконтактного уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины.

Известен бесконтактный эжекторный способ уплотнения вала роторной машины и устройство для его осуществления (Патент РФ №2066008 «Способ газодинамического уплотнения», МПК F16J 15/44. Опубликовано: 27.08.1996), включающий отвод газа по зазору между валом и корпусом машины, подвод в камеру и отвод газа из камеры осуществляют эжектором, камеру сообщают через регулятор обратной газовой связью с рабочей полостью машины и подводят в камеру дополнительно газ низкого давления для поддержания в камере давления, равного атмосферному. В качестве компрессора использут газ высокого давления, сообщенный с камерой, а выход из эжектора соединен с коллектором низкого давления. Известный способ не дает возможности повысить эффективность уплотнения вала, как со стороны нагнетания рабочего колеса, так и с внешней стороны уплотнения при изменении направления вращения вала, а также имеет сложную конструкцию узла уплотнения вала роторной машины.

Известна система уплотнений турбокомпрессора (Патент РФ №2133879, кл. F04D 29/10, 17/12 от 10.04.96 г. «Система уплотнений турбокомпрессора». Опубликовано: 27.07.99 г. Бюл. №21), содержащая установленные на валу уплотнения, между ступенями которых расположены уравнительные камеры, соединенные между собой уравнительной линией, линию подачи газа в камеру, регулятор давлений, полость задающего давления соединена со всасывающим патрубком, линии отвода утечек с ограничителем расхода и сигнализатор повышения давления. Недостатком данной системы уплотнений является низкая надежность и значительный расход газа через уплотнение.

Известено бесконтактное устройство уплотнения вала роторной машины (Патент РФ №2279598 «Бесконтактное торцовое уплотнение вращающегося вала», МПК F16J 15/44. Опубликовано: 10.07.2006 Бюл. №19) путем снижения перепада давления на самом уплотнении, которое содержит корпус с кольцевыми канавками и установленный в нем вал, кольцевые канавки выполнены концентрично оси вала, уравнительные камеры, соединенные между собой уравнительной линией, линию подачи газа в камеры и ограничитель расхода, выполненный в виде регулятора перепада давления и сигнализаторы повышения давления, причем привод клапана соединен с сигнализаторами повышения давления в линиях отвода утечек, а полость задающего давления регулятора перепада давлений соединена с уравнительными камерами, расположенными между ступенями уплотнения, отдельным трубопроводом., клапан аварийного сброса газа, который соединен с уравнительными камерами между ступенями уплотнений, а также линии отвода утечек после уплотнений. Однако способ не обеспечивает эффективность уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату в качестве прототипа принят бесконтактный эжекторный способ уплотнения вала роторной машины и устройство для его осуществления (Патент РФ №2357106 «Система уплотнений турбокомпрессора» МПК F04D 29/10. Опубликовано: 27.05.2009 г. Бюл. №15), содержащий установленные на валу двухступенчатые уплотнения, между ступенями которых расположены уравнительные камеры, соединенные между собой уравнительной линией, линию подачи газа в камеры между уплотнениями и регулятор перепада давления, а также линии отвода утечек на которых установлены ограничители расхода и сигнализаторы повышения давления, дополнительно установлен клапан аварийного сброса газа, который соединен с уравнительными камерами, привод клапана соединен с сигнализаторами повышения давления, а полость регулятора перепада давлений соединена с уравнительными камерами уплотнения отдельным трубопроводом. Известный способ не дает возможности повысить эффективность уплотнения вала, как со стороны нагнетания рабочего колеса, так и с внешней стороны уплотнения при изменении направления вращения вала роторной машины, а также имеет сложную конструкцию узла уплотнения.

Целью изобретения является повышение эффективности уплотнения вала роторной машины, как со стороны нагнетания рабочего колеса, так и с внешней стороны уплотнения, при изменении направления вращения вала роторной машины, а также упрощение конструкции узла уплотнения.

Технический результат изобретения достигается:

Во-первых тем, что поток высокого давления отбирают из полости нагнетания роторной машины и через силовой вход регулятора давления подают в кольцевую камеру по касательной, где поток высокого давления закручивают в направлении вращения вала роторной машины, коаксиально кольцевому зазору, одновременно с закручиванием потока сужают поперечное сечение кольцевой камеры и увеличивают скорость потока высокого давления на выходе из кольцевой камеры, закрученный поток высокого давления разворачивают в пространство между внешним торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса по направлению к полости нагнетания роторной машины с образованием кольцевой каверны разрежения, с помощью кольцевой каверны разрежения при развороте потока между внутренним торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса создают эжектирующий эффект, который в кольцевом зазоре образует разрежение, препятствующее выходу потока за пределы кольцевого зазора, разрежение из кольцевого зазора подают в уравнительную линию, с помощью которой на регулятор давления подают уравнительный сигнал и снижают подачу высокого давления в кольцевую камеру, понижением высокого давления в кольцевой камере уменьшают разрежение в кольцевом зазоре и снижают подсос с внешней стороны уплотнения через кольцевой зазор во внутреннюю полость роторной машины.

Во-вторых, величину разрежения в кольцевом зазоре регулируют путем подачи уравнительного сигнала через уравнительную обратную связь на управляющий вход регулятора давления, которым через силовой вход регулятора давления регулируют подачу высокого давления в кольцевую камеру, изменяют скорость потока высокого давления на выходе из кольцевой камеры и регулируют величину разрежения в кольцевом зазоре, препятствующую выходу потока за пределы кольцевого зазора и препятствующую подсосу с внешней стороны уплотнения через кольцевой зазор во внутреннюю полость роторной машины.

В третьих, при изменении направления вращения вала на противоположное, поток высокого давления отбирают из полости нагнетания роторной машины и через дополнительный регулятор давления подают в кольцевую камеру по касательной через дополнительный ввод, направленный навстречу основному вводу, поток высокого давления закручивают коаксиально кольцевому зазору в направлении измененного вращения вала роторной машины.

В четвертых, давление и разрежение в кольцевом зазоре регулируют с помощью датчиков давления и разряжения, размещенных в кольцевых концентричных канавках кольцевого зазора, при увеличении разрежения в кольцевом зазоре, датчиком разрежения через блок управления подают сигнал на снижение высокого давления в кольцевой камере, соответственно, уменьшая подсос из свободного пространства за уплотнением в кольцевой зазор, при появлении давления в кольцевом зазоре датчиком давления через блок управления подают сигнал на повышение давления в кольцевой камере, соответственно уменьшая вытекание потока из внутренней полости роторной машины через кольцевой зазор в свободное пространство за уплотнением, так и с внешней стороны уплотнения во внутренную полость роторной машины, таким образом выравнивают давление с внешней стороны уплотнения с давлением в кольцевом зазоре.

В пятых, отборник потока высокого давления установлен в нагнетательном патрубке роторной машины и соединен со входом регулятора давления, узел уплотнения в виде кольца с центральным отверстием, которое совместно с валом образует кольцевой зазор, коаксиально кольцевому зазору внутри узла уплотнения расположена кольцевая камера, соединенная отводом с выходом регулятора давления, отвод расположен по касательной к кольцевой камере, причем регулятор давления и ввод кольцевой камеры соответствуют прямому направлению вращения вала; кольцевая камера содержит внутреннюю полость с наружной и внутренней конусными стенками, за счет которых проходное сечение кольцевой камеры уменьшается в направлении выходного кольцевого сопла для увеличения скорости потока высокого давления за торцом кольцевой камеры, наружная конусная стенка выходного кольцевого сопла сопряжена радиусным переходом с наружным торцом кольцевой камеры и со стороны полости нагнетания роторной машины имеет пространство между диском рабочего колеса и стенкой корпуса роторной машины, а внутренняя конусная стенка сопряжена радиусным переходом с внутренним торцом кольцевой камеры, которая через торцовый зазор между внутренним торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса заканчивается кольцевым зазором, при этом между наружным торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса расстояние превышает величину торцового зазора; управляющий вход регулятора давления через усилитель соединен с сигнализаторами понижения и повышения давления, причем сигнализатор понижения давления содержит датчик разрежения, а сигнализатор повышения давления содержит датчик давления, датчики разрежения и давления связаны попарно с каждой кольцевой концентричной канавкой кольцевого зазора, причем пара датчиков разрежения и давления в концентричной канавке соединена отдельным каналом через блок сравнения и преобразования разрежения в избыточное давление через усилитель с управляющим входом регулятора давления, и по крайней мере, одна кольцевая концентричная канавка расположена ближе к рабочему колесу, а другая кольцевая концентричная канавка расположена ближе к свободному пространству за пределами уплотнения.

В шестых, отборник потока высокого давления, установленный в нагнетательном патрубке роторной машины соединен со входом дополнительного регулятора давления, кольцевая камера соединена с дополнительным отводом, соединенным с выходом дополнительного регулятора давления, дополнительный отвод расположен по касательной к кольцевой камере и направлен навстречу основному отводу; дополнительный управляющий вход дополнительного регулятора давления через усилитель соединен с сигнализаторами понижения и повышения давления, причем сигнализатор понижения давления содержит датчик разрежения, а сигнализатор повышения давления содержит датчик давления, датчики разрежения и давления связаны попарно с каждой кольцевой концентричной канавкой кольцевого зазора, причем дополнительная пара датчиков разрежения и давления в концентричной канавке соединена отдельным каналом через блок сравнения и преобразования разрежения в избыточное давление через дополнительный усилитель с управляющим входом дополнительного регулятора давления.

Описание рисунков:

Фиг. 1. Общий вид устройства для осуществления способа бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины.

Фиг. 2 - Фрагмент узла уплотнения при вращении вала по часовой стрелке, разрез по сечению А-А.

Фиг. 3 - Фрагмент узла уплотнения при вращении вала против часовой стрелки, разрез по сечению А-А.

Способ бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины поясняется на примере устройства для его осуществления, показанного на фиг. 1.

Устройство для осуществления способа бесконтактного эжекторного уплотнение вала роторной машины содержит рабочее колесо 1 с диском 2, которым колесо 1 крепится на валу 3 с возможностью вращения приводом (на чертеже не показан). Корпус роторной машины содержит стенку 4, входной патрубок 5 для подачи сжимаемой среды А в рабочее колесо 1 и выходной патрубок 6 для отвода компремированной среды В потребителю.

На корпусе 4 закреплен узел уплотнения 7 в виде кольца с центральным отверстием 8, которое совместно с валом 3 образует кольцевой зазор 9. Коаксиально кольцевому зазору 9 внутри узла уплотнения 7 расположена кольцевая камера 12 с наружным торцом 10 и внутренним торцом 11. Узел уплотнения 7 на входе в кольцевую камеру 12 содержит основной ввод 13 и дополнительный ввод 14, направленные навстречу друг другу для закручивания потока при входе в кольцевую камеру 12 по касательной, как показано стрелками на фиг. 2 и на фиг. 3. Кольцевая камера 12 имеет внутренную конусную стенку 15 и наружную конусную стенку 16, которые направлены в сторону диска 2 рабочего колеса 1 и на выходе образуют кольцевое сопло 17 с закругленными кромками 18, 19, при этом кромка 18 сопряжена с торцом 11, а кромка 19 сопряжена с торцом 10. Торцовый зазор С между диском 2 и торцем 10 соединяет кольцевой зазор 9 с пространством Е между диском 2 и стенкой 4. Заборник 20 трубкой 21 через основной регулятор давления 22 и трубку 23 соединен с основным вводом 13, а трубкой 24 через дополнительный регулятор давления 25 и трубку 26 соединен с дополнительным вводом 14 потока высокого давления в кольцевую камеру 12. На фиг. 1 основной регулятор давления 22 показан открытым, а дополнительный регулятор давления 25 показан закрытым. Уравнительная линия состоит из кольцевых концентричных канавок 27 и 28, расположенных в центральном отверстии 8 кольцевого зазора 9. Канавка 28 расположена ближе к внутреннему торцу 10, а канавка 27 расположена ближе к свободному пространству D за пределами уплотнения.

Канавка 27 каналом 29 и трубкой 30, а канавка 28 каналом 31 и трубкой 32 соединены со входом блока управления 33. Выход блока управления 33 трубкой 34 через усилитель 35 соединен с управляющим входом 36 основного регулятора давления 22, а трубкой 37 через усилитель 38 соединен с управляющим входом 39 дополнительного регулятора давления 25. Стрелкой 40 покзан разворот потока высокого давления из кольцевой камеры 12 через кольцевое сопло 17 в зону Е между торцом 11 и диском 2. Стрелкой 41 покзано движение эжектируемого потока из кольцевого зазора 9 в торцовый зазор С между диском 2 и торцем 10, а стрелкой 42 покзано движение потока в кольцевой зазор 9 из зоны D за уплотнением.

Направление вращения рабочего колеса 1 с валом 3 по часовой стрелке (Фиг. 2) и против часовой стрелки (Фиг. 3) отслеживается автоматически датчиками направления вращения, которые связаны с блоком управления 33 (на чертежах и в описании принцип работы датчиков направления вращения и их связь с блоком управления 33 не показаны).

Рассмотрим работу бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины на газообразной рабочей среде в первом режиме при ващении вала ротора по часовой стрелке и во втором режиме при ващении вала ротора против часовой стрелки. В обоих режимах газообразная рабочая среда поступает из зоны А через всасывающий патрубок 5, при вращении вала 2 ротора в зоне В сжимается рабочим колесом 1 и компремированная среда через выходной патрубок 6 подается потребителю (не показан). Часть потока компремированной среды из зоны В заборником 20 под высоким давлением подается в трубки 21 и 24.

Первый режим работы. Вал 2 ротора вращается по часовой стрелке (фиг. 2), дополнительный регулятор давления 25 остается закрытым, поэтому поток через трубку 26 и дополнительный ввод 14 в кольцевую камеру 12 не поступает. При первом цикле основной регулятор давления 22 открыт, поток высокого давления через трубку 23 и основной ввод 13 поступает в кольцевую камеру 12 по касательной и закручивается по часовой стрелке (фиг. 2), проходя между конусными стенками 15 и 16, поперечное сечение потока уменьшается и закрученный поток высокого давления сжимается. При сжатии скорость потока на выходе из кольцевого сопла 17 увеличивается, проходя закругленные кромки 18 и 19, поток высокого давления разворачивается по направлению стрелки 40 в пространство Е между стенкой 4 и диском 2 рабочего колеса 1 и на выходе соединяется с потоком В. При развороте потока в зону Е между торцем 10 и диском 2 коаксиально кольцевому зазору 9 образуется кольцевая каверна разрежения, которая создает эжектирующий эффект в торцовом зазоре С по направлению стрелки 41, в кольцевом зазоре 9 появляется разрежение, которое через концентричную кольцевую канавку 28, канал 31 и трубку 32 в блоке управления 33 создает первый отрицательный сигнал, второй отрицательный сигнал поступает в блок управления 33 через концентричную кольцевую канавку 27, канал 29 и трубку 30. Блоком управления 33 оба сигнала суммируются и через трубку 34, усилитель 35 и управляющий вход 36 основного регулятора давления 22 подается сигнал на его частичное закрывание, При дальнейшем снижении давления в кольцевой камере 12, когда давление в пространстве Е превысит давление на выходе кольцевого зазора 17, в зоне C и в кольцевом зазоре 9 давление также возрастает до тех пор, пока оно не превысит давление в зоне D за уплотнением и не создаст давление в кольцевой концентричной канавке 27, в канале 29 и в трубке 30, которое подает положительный сигнал на блок управления 33 и не создаст первый положительный сигнал, второй положительный сигнал поступает в блок управления 33 через кольцевую концентричную канавку 28, канал 31 и трубку 32. Когда блоком управления 33 оба сигнала суммируются и через трубку 34, усилитель 35 и вход 36 основного регулятора давления 22 подается сигнал на его частичное открывание, за счет которого на выходе 23, в основном вводе 13 и в кольцевой камере 12 давление вновь повысится, скорость потока в кольцевом сопле 17 возрастет, то наступает второй цикл появления эжектирующего эффекта в торцовом зазоре С.

Второй режим работы бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины осуществляется при вращении вала 2 ротора против часовой стрелки (фиг. 3), основной регулятор давления 22 остается закрытым, поток через трубку 23 и основной ввод 13 в кольцевую камеру 12 не поступает. При первом цикле дополнительный регулятор давления 25 открыт и поток высокого давления через трубку 26 и дополнительный ввод 14 подается в кольцевую камеру 12 по касательной и закручивается против часовой стрелки (фиг. 3), проходя между конусными стенками 15 и 16, поперечное сечение потока уменьшается и закрученный поток высокого давления сжимается. При сжатии скорость потока на выходе из кольцевого сопла 17 увеличивается, проходя закругленные кромки 18 и 19, поток высокого давления разворачивается по направлению стрелки 40 в пространство Е между стенкой 4 и диском 2 рабочего колеса 1 и на выходе соединяется с потоком В. При развороте потока в зону Е между торцем 10 и диском 2 коаксиально кольцевому зазору 9 образуется кольцевая каверна разрежения, которая создает эжектирующий эффект в торцовом зазоре С по направлению стрелки 41, в кольцевом зазоре 9 появляется разрежение, которое через кольцевую концентричную канавку 28, канал 31 и трубку 32 в блоке управления 33 создает первый отрицательный сигнал, второй отрицательный сигнал поступает в блок управления 33 через кольцевую концентричную канавку 27, канал 29 и трубку 30. Блоком управления 33 оба сигнала суммируются и через трубку 37, усилитель 38 и управляющий вход 39 дополнительного регулятора давления 25 подается сигнал на его частичное закрывание. При дальнейшем снижении давления в кольцевой камере 12, когда давление в пространстве Е превысит давление на выходе кольцевого зазора 17, в зоне С и в кольцевом зазоре 9 давление также возрастает до тех пор, пока оно не превысит давление в зоне D за уплотнением и не создаст давление в кольцевой концентричной канавке 27, в канале 29 и в трубке 30, которое подает положительный сигнал на блок управления 33 и не создаст первый положительный сигнал, второй положительный сигнал поступает в блок управления 33 через кольцевую концентричную канавку 28, канал 31 и трубку 32. Когда блоком управления 33 оба сигнала суммируются и через трубку 37, усилитель 38 и управляющий вход 39 дополнительного регулятора давления 25 подается сигнал на его частичное открывание, за счет которого на выходе 26, в дополнительном вводе 14 в кольцевой камере 12 давление вновь повысится, скорость потока в кольцевом сопле 17 возрастет, то наступает второй цикл появления эжектирующего эффекта в торцовом зазоре С.

Таким образом, автоматическое чередование циклов разрежения и давления в кольцевом зазоре 9 препятствует выходу потока через кольцевой зазор 9 за пределы зоны D с внешней стороны роторной машины и входу потока из зоны D через торцовый зазор С во внутренную полость роторной машины.

Проведенный анализ уровня техники показал, что в известных способах бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины и в устройствах для его осуществления не используются следующие факторы:

- отбор потока высокого давления из полости нагнетания роторной машины, его подача по касательной и его закручивание в кольцевой камере коаксиально кольцевому зазору по направлению вращения вала роторной машины;

- одновременно с закручиванием потока высокого давления сужение поперечного сечения кольцевой камеры для увеличения скорости потока высокого давления на выходе из кольцевой камеры;

- разворот закрученного потока высокого давления в пространство между внешним торцом камеры и диском рабочего колеса по направлению к полости нагнетания роторной машины с образованием кольцевой каверны разрежения и эжектирующего эффекта в кольцевом зазоре, препятствующего выходу потока за пределы кольцевого зазора;

- уменьшение и увеличение подачи потока высокого давления в кольцевую камеру для регулирования в кольцевом зазоре разрежения и подсоса с внешней стороны уплотнения через кольцевой зазор во внутреннюю полость роторной машины и регулирования в кольцевом зазоре давления и вытекания рабочей среды через кольцевой зазор за пределы рабочего пространства роторной машины;

- эжектирующий эффект, образующийся при развороте потока в пространство между внешним торцом камеры и диском рабочего колеса по направлению к полости нагнетания роторной машины, препятствует вытеканию рабочей среды через кольцевой зазор за пределы рабочего пространства роторной машины;

- регулирование величины разрежения эжектирующего потока и за счет этого управление величиной разрежения в кольцевых концентричных канавках уравнительной линии, которые соединяют через блок управления с управляющими входами основного и дополнительного регуляторов давления и располагают на разных участках кольцевого зазора;

- уплотнение вала роторной машины при изменении направления его вращения путем подачи потока высокого давления через дополнительный регулятор давления в кольцевую камеру по касательной через дополнительный ввод, направленный навстречу основному вводу и закручивания потока высокого давления коаксиально кольцевому зазору в направлении вращения вала роторной машины.

Таким образом, известными способами и устройствами не удается повысить эффективность уплотнения при изменении направления вращения валов роторных машин, а также не удается упростить конструкцию узлов уплотнения валов роторных машин.

Сравнением известного уровня техники установлено, что представленные аналоги и прототипы по совокупности признаков, не являются тождественными всем признакам заявляемого технического решения, которые бы обеспечивали качественное бесконтактное эжекторное уплотнение кольцевого зазора при изменении направления вращения вала роторной машины, что соответствует критериям «новизна».

Результаты поиска известных технических решений показали, что отличительные признаки заявленного способа и его реализации не следуют явным образом из представленных аналогов, прототипа и известных технических решений в смежных областях техники. Из известного уровня техники также не выявлено существенных признаков, необходимых для достижения заявляемого технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение дает возможность повысить эффективность бесконтактных эжекторных уплотнений при изменении направления вращения валов роторных машин и упростить конструкцию узлов их уплотнения.

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к способам и устройствам уплотнений вращающихся валов роторных машин. Поток высокого давления отбирается из полости нагнетания роторной машины и через регулятор давления подается в кольцевую камеру. Поток закручивается и сужается, увеличивается скорость потока на выходе из кольцевой камеры. Поток разворачивается по направлению к полости нагнетания с образованием разрежения, которое препятствует выходу потока за пределы зазора. Через кольцевые канавки зазора подается уравнительный сигнал на регулятор давления. Изменяется величина разрежения в кольцевом зазоре, что препятствует выходу потока за пределы кольцевого зазора и подсосу с внешней стороны уплотнения вала через зазор во внутреннюю полость роторной машины. При изменении направления вращения вала на противоположное поток высокого давления через дополнительный регулятор давления подают в кольцевую камеру по касательной через дополнительный ввод, направленный навстречу основному вводу. Поток высокого давления закручивается коаксиально кольцевому зазору в направлении измененного вращения вала роторной машины. Управляющие входы основного и дополнительного регуляторов давления через усилители соединены с сигнализаторами. Сигнализатор понижения давления содержит датчик разрежения. Сигнализатор повышения давления содержит датчик давления. Технический результат - повышение эффективности уплотнения вала роторной машины при изменении направления вращения вала, упрощение конструкции узла уплотнения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины, заключающийся в том, что поток высокого давления из полости нагнетания через регулятор давления подают в камеру высокого давления, которую соединяют с эжектором, обратной связью осуществляют подвод в камеру дополнительного потока через уравнительную линию с сигнализаторами давления и линию подачи потока в камеру высокого давления, управляющую полость регулятора давления соединяют с уравнительными камерами отдельным каналом, отличающийся тем, что поток высокого давления отбирают из полости нагнетания роторной машины и через силовой вход регулятора давления подают в кольцевую камеру по касательной, где поток высокого давления закручивают в направлении вращения вала роторной машины коаксиально кольцевому зазору, одновременно с закручиванием потока сужают поперечное сечение кольцевой камеры и увеличивают скорость потока высокого давления на выходе из кольцевой камеры, закрученный поток высокого давления разворачивают в пространство между внешним торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса по направлению к полости нагнетания роторной машины с образованием кольцевой каверны разрежения, с помощью кольцевой каверны разрежения при развороте потока между внутренним торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса создают эжектирующий эффект, который в кольцевом зазоре образует разрежение, препятствующее выходу потока за пределы кольцевого зазора, разрежение из кольцевого зазора подают в уравнительную линию, с помощью которой на регулятор давления подают уравнительный сигнал и снижают подачу высокого давления в кольцевую камеру, понижением высокого давления в кольцевой камере уменьшают разрежение в кольцевом зазоре и снижают подсос с внешней стороны уплотнения через кольцевой уплотняемый зазор во внутреннюю полость роторной машины.

2. Способ бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины по п. 1, отличающийся тем, что величину разрежения в кольцевом зазоре регулируют путем подачи уравнительного сигнала через уравнительную обратную связь на управляющий вход регулятора давления, которым через силовой вход регулятора давления регулируют подачу высокого давления в кольцевую камеру, изменяют скорость потока высокого давления на выходе из кольцевой камеры и регулируют величину разрежения в кольцевом зазоре, препятствующую выходу потока за пределы кольцевого зазора и препятствующую подсосу с внешней стороны уплотнения через кольцевой зазор во внутреннюю полость роторной машины.

3. Способ бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины по п. 1, отличающийся тем, что при изменении направления вращения вала на противоположное поток высокого давления отбирают из полости нагнетания роторной машины и через дополнительный регулятор давления подают в кольцевую камеру по касательной через дополнительный ввод, направленный навстречу основному вводу, и поток высокого давления закручивают коаксиально кольцевому зазору в направлении измененного вращения вала роторной машины.

4. Способ бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины по п. 1, отличающийся тем, что давление и разрежение в кольцевом зазоре регулируют с помощью датчиков давления и разрежения, размещенных в кольцевых концентричных канавках кольцевого зазора, при увеличении разрежения в кольцевом зазоре датчиком разрежения через блок управления подают сигнал на снижение высокого давления в кольцевой камере, соответственно уменьшая подсос из свободного пространства за уплотнением в кольцевой зазор, при появлении давления в кольцевом зазоре датчиком давления через блок управления подают сигнал на повышение давления в кольцевой камере, соответственно уменьшая вытекание потока из внутренней полости роторной машины через кольцевой зазор в свободное пространство за уплотнением, таким образом, выравнивают давление с внешней стороны уплотнения с давлением в кольцевом зазоре.

5. Устройство бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины, включающее рабочее колесо с диском, корпус с нагнетательным патрубком, кольцевой зазор между корпусом и валом роторной машины, кольцевые концентричные канавки, выполненные концентрично оси вала, пространство между стенкой корпуса и диском рабочего колеса, узел уплотнения, уравнительные камеры с уравнительными линиями, регуляторы давления, линии подачи потока в камеры с отдельным трубопроводом, отличающееся тем, что содержит отборник потока высокого давления, установленный в нагнетательном патрубке роторной машины и соединенный со входом регулятора давления, узел уплотнения в виде кольца с центральным отверстием, которое совместно с валом образует кольцевой зазор, коаксиально кольцевому зазору внутри узла уплотнения расположена кольцевая камера, соединенная отводом с выходом регулятора давления, отвод расположен по касательной к кольцевой камере, причем регулятор давления и ввод кольцевой камеры соответствуют прямому направлению вращения вала; кольцевая камера содержит внутреннюю полость с наружной и внутренней конусными стенками, за счет которых проходное сечение кольцевой камеры уменьшается в направлении выходного кольцевого сопла для увеличения скорости потока высокого давления за торцом кольцевой камеры, наружная конусная стенка выходного кольцевого сопла сопряжена радиусным переходом с наружным торцом кольцевой камеры и со стороны полости нагнетания роторной машины имеет пространство между диском рабочего колеса и стенкой корпуса роторной машины, а внутренняя конусная стенка сопряжена радиусным переходом с внутренним торцом кольцевой камеры, которая через торцовый зазор между внутренним торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса заканчивается кольцевым зазором, при этом между наружным торцом кольцевой камеры и диском рабочего колеса расстояние превышает величину торцового зазора; управляющий вход регулятора давления через усилитель соединен с сигнализаторами понижения и повышения давления, причем сигнализатор понижения давления содержит датчик разрежения, а сигнализатор повышения давления содержит датчик давления, датчики разрежения и давления связаны попарно с каждой кольцевой концентричной канавкой кольцевого зазора, причем пара датчиков разрежения и давления в концентричной канавке соединена отдельным каналом через блок сравнения и преобразования разрежения в избыточное давление через усилитель с управляющим входом регулятора давления, и по крайней мере одна кольцевая концентричная канавка расположена ближе к рабочему колесу, а другая кольцевая концентричная канавка расположена ближе к свободному пространству за пределами уплотнения.

6. Устройство бесконтактного эжекторного уплотнения вала роторной машины по п. 5, отличающееся тем, что отборник потока высокого давления, установленный в нагнетательном патрубке роторной машины, соединен со входом дополнительного регулятора давления, кольцевая камера соединена с дополнительным отводом, соединенным с выходом дополнительного регулятора давления, дополнительный отвод расположен по касательной к кольцевой камере и направлен навстречу основному отводу; дополнительный управляющий вход дополнительного регулятора давления через усилитель соединен с сигнализаторами понижения и повышения давления, причем сигнализатор понижения давления содержит датчик разрежения, а сигнализатор повышения давления содержит датчик давления, датчики разрежения и давления связаны попарно с каждой кольцевой концентричной канавкой кольцевого зазора, причем дополнительная пара датчиков разрежения и давления в концентричной канавке соединена отдельным каналом через блок сравнения и преобразования разрежения в избыточное давление через дополнительный усилитель с управляющим входом дополнительного регулятора давления.