Уплотнение вала Советский патент 1993 года по МПК F16J15/16 

Изобретение относится к уплотнитель- ной технике и может быть использовано в конструкциях концевых уплотнений валов турбомашин различного назначения, в частности компрессоров,насосов и турбин.

На фиг.1 показано уплотнение вала, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Уплотнение вала содержит размещенные в корпусе 1 аксиально подвижное 2 с нажимной пружиной 3 и на валу 4 вращающееся 5 уплотнительные кольца, последнее из которых выполнено с уплотнительным пояском 6 и спиральными канавками 7, расположенными под острым углом к направлению вращения вала 4 установлено на валу

4 со средством поджатия 8 и зафиксировано от окружного проворота. Средство поджатия 8 выполнено в виде, по меньшей мере, трех опорных элементов 9Х установленных в выполненных в валу 4 радиальных сверлениях 10 и поджатых к внутренней поверхности 11 вращающегося кольца 5 посредством пружинных элементов 12, причем опорные элементы 9 выполнены со сферической поверхностью контакта. Опорные элементы могут быть зафиксированы от выпадания посредством установленных герметично в теле вала 4 гаек 13 с центральными отверстиями 14, поверхностью которого образовано коническое седло 15 для onqpHoro элемента 9.

00

ю ю ч

Ј

Уплотнение вала работает следующим образом.

При работе турбомашины, например, центробежного компрессора высокого давления, уплотняемая газовая среда поступает в камеру корпуса 1 над аксиально-подвижным 2 и вращающимся 5 уплотнительными кольцами. При вращении вала 4 спиральный канавки 7 воздействуют на газовую среду, передавая ей кинетическую энергию от вращающегося вала 4 и повышая ее давление на некоторую величину, превышающую давление в камере корпуса 1 над уплотнительными кольцами 2 и 5, чго приводит к раскрытию торцового стыка между последними с образованием зазора, который позволяет предотвратить касание колец 2 и 5 между собой минимизировать величину утечки газовой среды. Кроме того, газовая среда при движении к центру встречает сопротивление уплотнительного пояска б, что также уменьшает утечку газовой среды.

Таким образом, на уплотнительные коь- ца 2 и 5 в процессе работы воздействуют следующие силы: газодинамическая сила, вызванная действием спиральных канавок 7 на газовую среду, сила давления газовой среды, окружающей уплотнительные кольца 2 и 5 и сила упругости нажимной пружины.

Указанные силовые факторы позволяют установить стабильную величину торцового уплотнительного зазора, близкую к 3 мкм. При изменении режимов эксплуатации возможно изменение величины уплотнительного зазора в сторону его уменьшения или увеличения. Соответственно изменяются и силы в уплотнительном слое газовой среды. Но, в обоих случаях результирующая сила остается постоянной и равновесие быстро восстанавливается при поддержании расчетной величины уплотнительного зазора. То есть, в данной конструкции уплотнения вала, даже сравнительно небольшое изменение величины уплотнительного зазора приводит к появлению значительных неуравновешенных сил, стремящихся вернуть кольца 2 и 5 в первоначальное положение. При этом уплотнение становится нечувствительным к колебаниям давления и другим механическим воздействиям, например, осевым усилениям, поскольку между уплотнительными кольцами 2 и 5 нет прямого контакта.

Уплотнение вала обладает самоцентрирующейся способностью, так как при угловом отклонении уплотнительного кольца 2 относительно вращающегося кольца 5, на кольцо 2 действует крутящий момент, восстанавливающий параллельность ответных поверхностей уплотнительных колец 2 и 5. При этом за счет установки вращающегося кольца 5 на опорных элементах 9 со сферической поверхностью контакта и возможности углового перемещения относительно оси симметрии.

В процессе эксплуатации опорные элементы 9 поджимаются к внутренней поверхности 1 1 вращающегося кольца 5 посредством пружинных элементов 12, например, в виде тарельчатых или витых пружин, что создает дополнительный стабилизирующий момент, действующий на

кольцо 5.

В предпочтительном варианте вращающееся уплотнительное кольцо может быть из твердых сплавов, например, из карбида вольфрама, т.е. из материала с минимальными деформациями в процессе работы. Аксиально-подвижное кольцо 2 может быть изготовлено из материала - графита. Возможен вариант изготовления пары уплотнительных колец 2 и 5, одно из которых

выполнено из карбида кремния, а второе - из нитрита кремния.

Выполнение спиральных канавок 7 на торцовой поверхности уплотнительного кольца 5 может быть осуществлено ионным

травлением посредством использования масок, наносимых наторцовую поверхность кольца 5 или лазерной обработкой.

Формула изобретения

1. Уплотнение вала, содержащее размещенные в корпусе аксиально-подвижные с нажимной пружиной и на валу вращающиеся уплотнительные кольца, последнее из которых выполнено с уплотнительным

пояском и спиральными канавками, расположенными под острым углом к направлению вращения вала, снабжено средством поджатия и зафиксировано от окружного проворота, отличающееся тем, что

средство поджатия выполнено в виде по меньшей мере трех опорных элементов, установленных в валу радиальных сверлениях и поджатых к внутренней поверхности вращающегося кольца посредством пружинных элементов, причем опорные элементы выполнены со сферической поверхностью контакта.

2. Уплотнение по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что опорные элементы зафиксированы от выпадания посредством установленных герметично в теле вала гаек с центральными отверстиями, поверхностью каждого из которых образовано коническое седло для опорного элемента.

11

Фиг. 1

Использование: для уплотнения валов компрессоров, насосов, турбин. Сущность изобретения: в корпусе размещены аксиально-подвижные с нажимной пружиной и на валу вращающиеся уплотнительные кольца, Последнее кольцо выполнено с уп- лотнительным пояском и спиральными канавками, расположенными под острым углом к направлению вращения вала, снабжено средством поджатия и зафиксировано от окружного проворота. Средство поджатия выполнено в виде опорных элементов, установленных в выполненных в валу радиальных сверлениях и поджатых к внутренней поверхности вращающегося кольца пружиненными элементами. Опорные элементы выполнены с сферической поверхностью контакта, зафиксированы от выпадания установленными герметично в теле вала гайками с центральными отверстиями, поверхностью каждого из к-рых образовано коническое седло для опорного элемента. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. Ё