уплотнение вала турбокомпрессора

Формула изобретения

1. Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее аксиально-подвижное кольцо, установленное в корпусе, и установленное на валу вращающееся уплотнительное кольцо, на торцовой поверхности одного из них имеются уплотнительный и напорный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, отличающееся тем, что по меньшей мере часть спиральных канавок сгруппирована в равномерно расположенные по окружности секции, причем число секций не меньше трех, а окружная протяженность секций на наружном диаметре кольца равна или меньше суммы окружных протяженностей входных участков спиральных канавок, входящих в данную секцию.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что радиальная протяженность перемычек между соседними спиральными канавками в секциях не меньше 1/3 радиальной протяженности напорного участка.

3. Уплотнение по п.2, отличающееся тем, что по меньшей мере в части секций, равномерно расположенных по окружности, радиальная протяженность перемычек между спиральными канавками выполнена монотонно уменьшающейся по направлению вращения кольца.

Описание изобретения к патенту

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

Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения со спиральными канавками, содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное с нажимными пружинами и на валу вращающиеся уплотнительные кольца, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и нагнетательный 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 аксиально-подвижное с нажимными пружинами и на валу вращающееся уплотнительные кольца, 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 поставлена задача путем повышения суммарной несущей способности спиральных канавок напорного участка расширить область применения уплотнения, повысить надежность и обеспечить его работоспособность при малых скоростях вращения вала турбокомпрессора.

Поставленная задача достигается тем, что в известной конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей установленные в корпусе аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вращающееся уплотнительное кольцо, установленное на валу, на торцовой поверхности одного из них имеется уплотнительный поясок и напорный участок, причем на последнем выполнены спиральные канавки, согласно изобретению по меньшей мере часть спиральных канавок сгруппирована в равномерно расположенные по окружности секции, причем число секций не меньше трех. Кроме того, на наружном диаметра кольца окружная протяженность каждой секции равна или меньше суммы окружных протяженностей входных участков спиральных канавок, входящих в данную секцию, а радиальная протяженность h_i перемычек между соседними спиральными канавками в секциях не меньше 1/3 радиальной протяженности h_н напорного участка, причем радиальная протяженность h_i перемычек между спиральными канавками в секциях может быть выполнена уменьшающейся по направлению вращения вала турбокомпрессора.

Таким образом, уплотнение вала турбокомпрессора обладает следующими существенными отличительными признаками:

выполнение по меньшей мере части спиральных канавок сгруппироваными в равномерно расположенные по окружности секции позволит обеспечить более высокое давление газа на этих участках, что способствует образованию дополнительной 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 скоростях вращения вала турбокомпрессора:

выполнение секций, окружная протяженность которых на наружном диаметре кольца меньше суммы окружных протяженностей входных участков спиральных канавок, при этом радиальная протяженность h_i перемычек между соседними спиральными канавкам в секциях меньше чем радиальная протяженность h_н напорного участка, способствует более полному поступлению газа в спиральные канавки, кроме того, уменьшается величина падения давления на входе в спиральные канавки, что способствует повышению их суммарной напорности;

выполнение в секциях перемычек между спиральными канавками с монотонно уменьшающейся радиальной протяженностью h_i+1 и h_i (по направлению вращения) способствует более полному поступлению газа в каждую спиральную канавку, а также уменьшает величину падения давления на входном участке.

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 окружных скоростей.

Заявляемая конструкция уплотнения вала турбомашины 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 окружных скоростей ротора 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...6 различные варианты выполнения спиральных канавок, сгруппированных в секции.

Уплотнение вала турбокомпрессора (фиг. 1) содержит установленные в корпусе 1 аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 2 с нажимной пружиной 3 и установленное на валу 4 вращающееся уплотнительное кольцо 5, на торцовой поверхности которого имеется уплотнительный поясок 6 и напорный участок 7. Напорный участок ограничен диаметрами d₁ и d_к, а уплотнительный поясок - диаметрами d_к и d₂. На напорном участке выполнены спиральные канавки 8, по меньшей мере часть из которых сгруппирована в равномерно расположенные по окружности секции 9, причем число секций не меньше трех (фиг. 2..6). Кроме того, на наружном диаметре d₁ кольца 5 окружная протяженность каждой секции равна или меньше суммы окружных протяженностей входных участков спиральных канавок 8, входящих в данную секцию, а радиальная протяженность h_i перемычек 10 между соседними спиральными канавками в секциях не меньше 1/3 радиальной протяженности h_н напорного участка (фиг. 5), причем радиальная протяженность h_i+1 и h_i перемычек между спиральными канавками в секциях может быть выполнена уменьшающейся по направлению вращения вала турбокомпрессора (фиг. 6). Герметизация по нерабочим поверхностям аксиально-подвижного и вращающегося колец осуществляется вторичными уплотнительными элементами 11 и 12, соответственно.

Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом. В исходном положении кольца 2 и 5 прижаты друг к другу с помощью пружин 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 другую, при этом уплотнительный участок 6 контактирует с уплотнительной торцовой поверхностью ответного кольца и препятствует проникновению газа с 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 10 и уплотнительного участка 6, сжимается. Возникающая при этом результирующая газодинамическая сила увеличивает силу, раскрывающую уплотнительный стык, и при определенной частоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей и уплотнение начинает работать без контакта. При этом кольцо 2 занимает некоторое равновесное положение, образуя с кольцом 5 номинальный уплотнительный зазор.

Увеличение зазора между кольцами 2 и 5 приведет к уменьшению результирующей газодинамической силы и нарушению баланса сил, действующих на аксиально-подвижное кольцо 2, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора. При уменьшении зазора меньше номинального результирующая газодинамическая сила, раскрывающая уплотнительный стык, увеличивается и аксиально-подвижное 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 секции 9 позволит обеспечить более высокое давление газа на этих участках, что способствует образованию дополнительной 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 скоростях вращения вала турбокомпрессора.

Спиральные канавки 8 могут быть так сгруппированы в секциях 9, что их окружная протяженность на наружном диаметре кольца меньше суммы окружных протяженностей входных участков спиральных канавок 8 (фиг. 4 а, б). При этом радиальная протяженность h_i перемычек 10 между соседними спиральными канавками в секциях может изменяться в пределах Такое конструктивное исполнение способствует более полному поступлению газа в спиральные канавки, при этом также уменьшается величина падения давления на входе в спиральные канавки, что способствует повышению их суммарной напорности. Дальнейшее уменьшение радиальной протяженности h_i перемычек между соседними канавками в секциях, т.е. при приводит к уменьшению напорности секции.

Напорный участок 7 может быть выполнен на аксиально-подвижном кольце 2. При этом работа уплотнения будет аналогичной.

Выполнение в секциях перемычек между спиральными канавками с монотонно уменьшающейся радиальной протяженностью h_i+1 > h_i (по направлению вращения - при выполнении напорного участка на вращающемся кольце и против направления вращения вала - при выполнении напорного участка на кольце 2, установленном в корпусе) способствует более полному поступлению газа в каждую спиральную канавку в секции, а также уменьшает величину разрежения на входном участке и тем самым повышает их напорность.

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 номинального 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.