Уплотнение вала Советский патент 1990 года по МПК F16J15/34 

жидкости в зазоре уменьшается к периферии. При вращении уплотнительно- го кольца 2 затворная жидкость отбрасывается к периферии и за счет уменьшения объема зазора ее давление повы- .шается, что приводит к повышению несущей способности жидкостной пленки. 1. з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области уплотнительной техники, а именно к торцовым уплотнениям валов, и может быть использовано для уплотнения вращающихся валов насосов, турбин и компрессоров. Цель изобретения - увеличение надежности уплотнения за счет повышения динамической устойчивости уплотнительного кольца и саморегулирования зазора трения. Поверхность вращающегося уплотнительного кольца 2 снабжена камерами 6 каплевидной формы, сориентированными по направлению вращения, при этом их форма и поперечное сечение подобраны таким образом, что объем затворной жидкости в зазоре уменьшается к периферии. При вращении уплотнительного кольца 2, затворная жидкость отбрасывается к периферии и за счет уменьшения объема зазора ее давление повышается, что приводит к повышению несущей способности жидкостной пленки. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к уплотни- тельной технике, в частности к торцовым уплотнениям валов, и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов, например, в компрессорах, насосах и турбинах, i

Цель изобретения - повышение надежности уплотнения за счет повышения его динамической устойчивости и саморегулирования зазора трения. На фиг. 1 изображено уплотнение вала, разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - расчетная схема определения объемов затворной среда в торцовом стыке; на фиг, 5 - сечение В-В на фиг. 4; на фиг.6 - эпюра распределения давления при расчетном зазоре; на фиг. 7 - эпюра распределения давления с уменьшенным зазором; на фиг. 8 - эпюра распреде- ления давления при увеличении зазора, Уплотнение вала содержит установленное на валу- 1 вращающееся уплот- нителъное кольцо 2 и в корпусе-3 ак- сиалъно подвижное невращающееся уп- лотнительное кольцо 4. На торцовой поверхности 5 вращающегося уплотни- тельного кольца 2 выполнены каплеобразные и сориентированные по направлению вращения вала 1 изолированные камеры 6. В поперечном сечении камеры 6 имеют треугольную форму с постепенно уменьшающейся к периферии глубиной. В уплотнительном кольце 4 выполнены питающие каналы 7, сообщенные с источником затворной среды, например, в виде емкости (не показана), а на торцовой поверхности уплот- нительного кольца 4 выполнена кольцевая канавка 8, расположенная на меньшем радиусе, чем питающие каналы 7, и сообщенная с ними каналами 9. При этом уплотнительное кольцо 4 удерживается от окружного перемещения штифтом 10 и герметизируется по корпусу 3iс помощью вторичных уплотнений 11 и 12. Предварительное поджатие

уплотнительных колец 2 и 4 осуществляется с помощью пружин 13.

Вращающееся уплотнительное кольцо 2 уплотнено вторичным уплотнением 14, а от проворота относительно вала 1 зафиксировано штифтом 15. Вращающееся и невращающееся уплотнительные кольца 2 и 4 установлены с зазором 16, причем суммарная площадь окружного сечения осевого зазора 16с прилегающими камерами 6 уменьшается от центра к периферии уплотнительного кольца 4 и определяется соотношением

5

0

5

0

0

5

21Гг(§ + sin -7 2Fr;4, § + S

и

п.

5

где rt и ri+( - радиусы соответственно i-го и (1+1)-го окружного сечения, считая от центра к периферии; S; и S , V| - площадь окружного

сечения камеры 6 соответственно на i-м и (1+1)-м радиусах; о - величина зазора 16 между уплотнительны- ми кольцами 2 и 4; п - число камер 6.

В случае использования камер 6 с поперечным сечением треугольной формы с постепенно уменьшающейся к периферии уплотнительного кольца 4 глубиной соотношение представляется в виде:

2Нг,ч5 + h-,bin т -и,-# +

+ pMtl bit П,

где bj и b;+ - ширина камер в окружном сечении соответственно на i-м и (1-И)-м радиусах; hj и h j+ - глубина (высота треугольного сечения) камер 6 соответственно на i-м и (i+1)-м радиусах.

Кроме того, вращающееся уплотни- тельное кольцо 2 может быть снабжено лопатками 17, выход которых расположен в полости 18, сообщенный с источником затворной среды., например, в виде емкости (не показана) и с камерой 19 подвода затворной среды.

Уплотнение вала работает следующим образом.

При вращении вала 1 затворная среда от источника с давлением, несколько превышающим давление уплотняемого газа, подается в камеру 19, а из нее по питающим каналам 7 в камеры 6 и по каналам 9 в кольцевую канавку 8. Поскольку число питающих каналов 7 меньше числа камер 6, а размеры кольцевой канавки 8 и каналов 9 невелики, то усилие от давления затворной среды недостаточно для раскрытия торцового стыка. С началом вращения вала 1 при совмещении питающего канала 7 и камеры 6 давление в ней повышается до максимума. При прохождении камерой 6 участка торцовой поверхности между питающими каналами 7 давление уменьшается со скоростью, зависящей от плотности затворной среды, величины зазора 16 и других факторов. Одновременно затворная среда, попавшая в камеры 6, под действием центробежной силы устремляется к периферии вращающегося уплотните льного кольца 2, преодолевая сопротивление конфузорной щели зазора 16.

Кроме того, боковые поверхности карманов выполнены так, что при вращении кольца стенки карманов действуют на затворную среду, как лопатки центробежного насосного или компрессорного колеса, при этом создается перепад давления, под действием которого жидкость устремляется от центра к периферии.

Форма и поперечное сечение камер 6 подобраны таким образом, что объем затворной среды с увеличением диаметра уменьшается. Этим обеспечивается динамическая устойчивость вращающегося уплотнительного кольца 2. При вращении в уплотнительном стыке между уплотнительными кольцами 2 и 4 действуют гидростатические и гидродинамические силы, стремящиеся раскрыть уплотнительный стык. В то же время на аксиально подвижное уплотнитель- ное кольцо 4 действуют силы, стремящиеся закрыть этот стык. К этим

0

5

0

силам относятся гидростатическая 1сила от давления затворной среды в камере 19 и сила сжатия пружин 13. а также гидростатическая сила от давления уплотняемой среды.

При работе уплотнения вала с расчетным уплотнительным зазором 16 равновесие обеспечивается условием, когда результирующая от рассмотренных выше сил равна нулю.

В случае изменения соотношения сил, действующих на аксиально подвижное уплотнительное кольцо 4, которое приводит к уменьшению уплотнительного зазора 16, силы в уплотннтельном стыке за счет увеличения обеих составляющих - гидродинамической и гидростатической - возрастают, что приводит к увеличению зазора 16 и восстановлению утраченного силового равновесия. А в случае увеличения осевого зазора 16 силы в уплотнительном стыке

5 уменьшаются под действием гидростатической силы от давления затворной среды в камере 19, гидростатической силы от давления уплотняемой среды и силы сжатия пружин 13, что, в свою очередь, приводит к уменьшению осевого уплотнительного зазора 16 до расчетной величины. Изменение расчетной величины осевого уплотнительного зазора 16 приводит к неравновесию сил, действующих на аксиально подвижное уплотнительное кольцо 4 и стремящихся восстановить расчетную величину зазора 16, что гарантирует отсутствие контакта между вращающимся и аксиально подвижным уплотнительными кольцами 2 и 4.

Ввиду дискретности подвода затворной среды в камеры 6 аксиально подвижное уплотнительное кольцо 4 подверс жено слабым высокочастотным импульсам, препятствующим развитию облитерации в зазоре 16 и значительно повышающим статическую и динамическую устойчивость работы уплотнения.

Повышению надежности способствует также саморегулирование величины зазора 16, обеспечивающееся за счет дискретных импульсов давления, создающих в момент соединения камер 6 с питающими каналами 7 гидростатическую силу, разжимающую уплотнительные кольца 2 и 4- При этом осредненное давление между подводами затворной среды в каперы 6 тем больше, чем

0

5

0

0

5

меньше осевой зазор 16 и чем больше частота вращения вала 1.

Устойчивая работа уплотнения вала имеет место в случае, если элементарный объем затворной среды, заключенный между ушготнительными кольцами 2 и 4, в сумме с элементарными объемами камер 6 с треугольной формой сечения при приращении радиуса уменьшается согласно соотношению,

.2Tir;« § + j h(b, n § +

1

h; 4 ч Ьц( n,

определяемому по расчетной схеме (фиг. 4).

Формула Изобретения

Фиг.2

0

S

0

5

ления каналами, выполненными в невращающемся уплотнительном кольце, о т- личающееся тем, что, с целью повышения надежности путем повышения динамической устойчивости уплотнения, поверхность трения невращающегося уплотнительного кольца снабжена кольцевой полостью с наружным диаметром меньшим, чем диаметр расположения изолированных камер, сообщенной с областью повышенного давления, а изолированные камеры выполнены каплевидной формы и сориентированы по направлению вращения, при этом суммарная площадь окружного сечения изолированных камер и зазора между уплотнительными кольцами уменьшается к периферии уплотнительных колец.

6-5

Фиг.З

фиг. 5

Фиг. 6

Фиг.7

Фиг.8