Ущільнення валу

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбокомпрессорах различного назначения для уплотнения вращающихся валов. Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному технико-экономическому эффекту является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа [1] и содержащая установленное герметично в корпусе и разделяющее между собой полости высокого и низкого давления, аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вторичным уплотнением, размещенным в кольцевой проточке корпуса, и закрепленное на валу вращающееся уплотнительное кольцо, на торцовой поверхности которого выполнена уплотнительная перегородка и расположенные на периферии против направления вращения спиральные канавки. Однако такая конструкция уплотнения вала имеет низкую надежность, т.к. не позволяет осуществлять реверсивное направление вращения вала, не обеспечивает хорошее охлаждение сопрягаемых уплотнительных поверхностей аксиально-подвижного и вращающегося уплотнительных колец. В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения надежности работы уплотнения вала при длительной эксплуатации и оптимизация его характеристик путем оптимизации распределения давления в уплотнительном зазоре за счет выбора оптимальной формы спиральных канавок, реализации возможности реверсивного вращения вала, снижения термонагруженности колец трущейся пары. Уплотнение вала содержит установленные герметично в корпусе и разделяющее между собой полости высокого и низкого давления аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вторичным уплотнением, размещенным в кольцевой проточке корпуса, и закрепленное на валу вра щающееся уплотнительное кольцо, на торцовой поверхности которого выполнены уплотнительная перегородка и расположенные на периферии против направления вращения спиральные канавки, согласно изобретению, торцовая поверхность аксиальноподвижного уплотнительного кольца выполнена, по крайней мере, с фасками на одной из ограничивающих цилиндрических поверхностей, а ответная торцовая поверхность вращающегося уплотнительного кольца дополнительно снабжена концентраторами и/или стабилизаторами давления, при этом концентраторы давления могут быть выполнены в виде выступов, размещенных в спиральных канавках, выпуклой стороной обращенных, к противоположной (задней) стороне канавок. Стабилизаторы давления, кроме того могут быть выполнены в виде углублений, расположенных на уплотнительной перегородке вдоль продольных образующих задних стенок спиральных канавок или же стабилизаторы давления могут быть выполнены в виде наклонных проточных каналов, соединяющих донные части спиральных канавок с полостью низкого давления. Наклонные проточные каналы могут быть также связаны между собой кольцевой уравнительной канавкой. Стабилизаторы давления могут быть также выполнены в виде, по крайней мере, двух уравнительных канавок, связанных между собой и донными частями спиральных канавок радиальными перепускными каналами. Стабилизаторы и концентраторы давления могут быть также выполнены в виде совмещенных с основными спиральными канавками дополнительных спиральных канавок, расположенных на торцовой поверхности вращающегося уплотнительного кольца под равным углом с направлением основных спиральных канавок, но направленных в противоположную сторону, причем наружные и донные части основных и дополнительных канавок выполнены с наложением друг на друга. Концентраторы давления также могут быть выполнены в виде наклонных каналов, входная часть которых расположена со стороны внутренней уплотнительной поверхности вращающегося уплотнительного кольца или полости низкого давления. Аксиально-подвижное уплотнительное кольцо снабжено, кроме того, дополнительным центрирующим пояском, выполненным в виде цилиндрического выступа на наружной периферийной поверхности аксиально - подвижного уплотнительного кольца. При этом наружная центрирующая поверхность цилиндрического выступа может быть выполнена в виде части сферы. Цилиндрические выступы, кроме того могут быть снабжены пазами в виде части цилиндра, а в корпусе установлены шти фты, диаметр которых меньше диаметра образующих пазов. Кольцевая проточка в корпусе под вторичное уплотнение аксиально-подвижного уплотнительного кольца может быть выполнена конической или по сфере. Таким образом, предлагаемая конструкция уплотнения вала обладает следующими существенными отличительными признаками: - торцовая поверхность аксиально - подвижного кольца выполнена, по крайней мере, на одной из ограничивающих цилиндрических поверхностей с фасками, что позволяет обеспечить сохранение постоянного уплотнительного зазора по всей части радиуса вне зависимости от того, какая форма уплотнительного зазора ожидается (конфузорная или диффузорная). Это объясняется тем, что конфигурация уплотнительного элемента при нормальных условиях работы (без перекосов) обеспечивает отсутствие осесимметричных деформаций на рабочем режиме, т.е. момент относительно центра сечения СО равен нулю, однако в процессе эксплуатации в результате износа или периодической притирки торцовой уплотнительной поверхности осевой размер уплотнительного элемента уменьшается на величину S. При этом центр сечения смещается в точку С1, относительно которой возникает момент М1 (его составляющие F1 и F2), приводящий к осесимметричной деформации уплотнительного элемента, перекосу, образованию конфузорного (фиг.3) или (фиг.4) уплотняющего зазора, что, в свою очередь, приводит к интенсивному износу уплотняющего элемента. Выполнение фаски изменяет эпюру давления в зазоре и, таким образом, обеспечивает появление момента М2, смещенного относительно центра сечения С1, противоположного и равного М1. Равенство противоположно направленных моментов обеспечивает их уравновешивание и в результате торцовые уравнительные поверхности остаются параллельными между собой, устраняются перекосы и исключается износ, при этом необходимая величина фаски определяется расчетным путем. В результате происходит увеличение надежности, т.е. из-за сохранения параллельности сопрягаемых поверхностей в зазоре и отсутствия контакта поверхностей за счет автоматического уравновешивания изгибающих моментов, возникающих в процессе эксплуатации из - за износа уплотнительных колец; - ответная торцовая поверхность вращающегося уплотнительного кольца дополнительно снабжена концентраторами и/или стабилизаторами давления, что позволяет усилить демпфирующую роль уплотнительного зазора за счет повышения жесткости газового слоя и позволяет осуществить самоустановку вращающегося уплотнительного кольца в процессе эксплуатации и повысить надежность работы уплотнения при возможных скачках уплотняемого давления и вибрациях вала за счет повышения несущей способности газового слоя; - концентраторы давления выполнены в виде выступов, размещенных в спиральных канавках, выпуклой стороной обращенных к противоположной (задней) стороне канавок, что позволяет сконцентрировать нагнетаемый спиральными канавками газовый поток в узкой части окончания канавок и повысить, тем самым, генерируемое давление; - стабилизаторы давления выполнены в виде углублений, расположенных на уплотнительной перегородке вдоль продольной образующей задней стенки канавок, что позволяет развить зону давления на область уплотнительной перегородки, улучшить условия перетекания газа и охлаждение сопрягаемых поверхностей. При этом повышается надежность работы уплотнения за счет некоторого увеличения протока компримируемого газа и, соответственно, улучшения отвода тепла от уплотнительных колец и предотвращения, тем самым, терморастрескивания и термодеформаций колец; - стабилизаторы давления выполнены в виде проточных каналов, соединяющих полость наклонных каналов с полостью низкого давления, что позволяет за счет небольшого перетекания газа улучши ть условия о хлаждения сопрягаемых поверхностей; - проточные каналы связаны между собой кольцевой уравнительной канавкой, что позволяет сконцентрировать поток газа высокого давления в радиально - кольцевой зоне расчетного диаметра и повысить надежность работы уплотнения за счет создания сплошной зоны давления, имеющего стабильную величину, независимо от угла расположения канавок; - стабилизаторы давления выполнены в виде, по крайней мере, двух уравнительных каналов, связанных между собой радиальными перепускными каналами и донной поверхностью спиральных канавок, что позволяет расширить зону концентрации давления; - стабилизаторы и концентраторы давления выполнены в виде совмещенных с основными спиральными канавками дополнительных спиральных канавок, расположенных на торцовой поверхности вращающегося уплотнительного кольца под равными углами с направлением основных спиральных канавок, но направленными в противоположную сторону, причем наружные и донные части основных и дополнительных спиральных канавок выполнены с наложением друг на друга, что позволяет обеспечить работоспособность уплотнения независимо от направления вращения вала (реверсивное вращение) и увеличения надежности за счет исключения повреждений уплотнительных колец при возможном противовращении вала, а также исключения ошибок при неправильной сборке (ремонте) уплотнений, т.к. вращающиеся уплотнительные кольца могут быть установлены как на правый, так и на левый конец вала, независимо от направления вращения; - концентраторы давления выполнены в виде наклонных каналов, входная часть которых расположена со стороны внутренней уплотнительной поверхности вращающегося уплотнительного кольца или полости низкого давления, что позволяет с помощью создания противоположно направленных генерируемых потоков газа повысить жесткость газового слоя и уменьшить протечку газа в сторону зоны низкою давления и обеспечить оптимизацию расходных характеристик уплотнения; - уплотнение снабжено дополнительным центрирующим пояском, выполненного в виде цилиндрического выступа на наружной поверхности аксиально - подвижного кольца, что позволяет, тем самым, ограничить радиальное перемещение кольца в пределах расчетных значений и обеспечить осевую концентричность расположения аксиально-подвижного и вращающегося уплотнительных колец, необходимую для стабилизации распределения давления в угловы х сечениях; - центрирующая поверхность выполнена в виде части сферы, что позволяет аксиальноподвижному кольцу свободно совершать угловые перемещения относительно центра его поперечного сечения и, тем самым, повысить надежность данного конструктивного решения за счет устранения возможности закусывания по центрирующим поверхностям; - цилиндрические выступы снабжены пазами в виде части цилиндра, а в корпусе установлены штифты, диаметр которых меньше диаметра образующих пазов, что позволяет ограничить радиальные перемещения и вращательное движение кольца относительно центральной оси вращения вала, при этом повышение надежности работы уплотнения за счет уменьшения ударных нагрузок на детали уплотнения в начале вращения вала при запуске машины или резком изменении скорости вращения, а также за счет дополнительного центрирования колец относительно друг др уга; - кольцевая проточка в корпусе под вторичное уплотнение аксиально-подвижного уплотнительного кольца выполнена конической, что позволяет уменьшить протечку уплотняемой среды; - кольцевая проточка в корпусе под вторичное уплотнение аксиально-подвижного уплотнительного кольца выполнена по сфере, что позволяет уменьшить протечки перекачиваемого газа. Таким образом, все существенные признаки настоящего технического решения направлены на решение поставленной задачи, а именно, повышение надежности и долговечности работы уплотнения, сохранения работоспособности на различных режимах и при реверсе (обратном вращении), оптимизации перетечек газа. Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез уплотнения; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1; на фиг.3 - эпюра распределения сил в уплотнительном зазоре при выполнении фаски на внутреннем диаметре уплотнительного элемента; на фиг.4 - эпюра распределения сил в уплотнительном зазоре при выполнении фаски на наружном диаметре уплотнительного элемента; на фиг.5 - конструкция уплотнения со стабилизаторами давления в виде углублений, размещенных на уплотнительной перегородке; на фиг.6 - то же, вариант исполнения; на фиг.7 - конструкция уплотнения со стабилизаторами давления в виде наклонных проточных каналов; на фиг.8 - конструкция уплотнения со стабилизаторами давления, связанными между собой кольцевой уравнительной канавкой; на фиг.9 - конструкция уплотнения со стабилизаторами давления в виде двух уравнительных канавок; на фиг.10 - конструкция уплотнения с реверсивными парами стабилизаторов и концентраторов давления; на фиг.11 - конструкция уплотнения со стабилизаторами давления в виде наклонных каналов, входной частью связанных с полостью низкого давления; на фиг.12 аксиально-подвижное кольцо с дополнительной центрирующей поверхностью; на фиг.13 аксиально-подвижное кольцо с дополнительной центрирующей поверхностью в виде части сферы; на фиг.14 - узел стопорения аксиально-подвижного уплотнительного кольца; на фиг.15 сечение Б - Б на фиг.14; на фиг.16 - узел установки вторичного уплотнения со стороны аксиально-подвижного кольца: на фиг.17 - то же, вариант исполнения. Уплотнение вала, согласно изобретению, содержит установленное герметично в корпусе 1 и разделяющее между собой полости высокого 2 и низкого 3 давления аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 4 с нажимной пружиной 5 и вторичным уплотнением 6, размещенным в кольцевой проточке 7 корпуса 1, и закрепленное на валу 8 вращающееся уплотнительное кольцо 9, на торцовой поверхности 10 которого выполнена уплотнительная перегородка 11 и расположенные на периферии против направления вращения вала 8 спиральные канавки 12, при этом торцовая поверхность 13 аксиально-подвижного уплотнительного кольца 4 выполнена, по крайней мере, с фасками 14 на одной из ограничивающих цилиндрических поверхностей 15, а ответная торцовая поверхность 10 вращающегося уплотнительного кольца 9 дополнительно снабжена концентраторами 16 и/или стабилизаторами 17 давления. Концентраторы давления 16 могут быть выполнены в виде выступов 18, размещенных в спиральных канавках 12, выпуклой стороной обращенных к задней стенке канавки 12. Стабилизаторы давления 17 могут быть выполнены в виде углублений 19, расположенных на уплотнительной перегородке 11 вдоль продольных образующих задних стенок спиральных канавок 12. Кроме того, стабилизаторы давления 17 могут быть выполнены в виде наклонных проточных каналов 20, соединяющих донные части спиральных канавок 12 с полостью низкого давления 3, при этом наклонные проточные каналы 20 могут быть связаны между собой кольцевой уравнительной канавкой 21. Стабилизаторы давления 17 могут быть также выполнены в виде, по крайней мере, двух уравнительных канавок 21, связанных между собой и донными частями спиральных канавок 12 радиальными перепускными каналами 22. Стабилизаторы 17 и концентраторы 16 давления могут быть также выполнены в виде совмещенных с основными спиральными канавками 12 дополнительных спиральных канавок 23, расположенных на торцовой поверхности 10 вращающегося уплотнительного кольца 9 под равным углом с направлением основных спиральных канавок 12, но направленных в противоположную сторону, причем наружные и донные части основных 12 и дополнительных канавок 23 выполнены с наложением друг на др уга. Концентраторы давления 16 могут быть выполнены в виде наклонных каналов 24, входная часть которых расположена со стороны внутренней уплотнительной поверхности вращающегося уплотнительного кольца 9 или полости 3 низкого давления. Аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 4 может быть снабжено дополнительным центрирующим пояском 25, выполненным в виде цилиндрического выступа 26 на наружной периферийной поверхности аксиально-подвижного кольца 4. Наружная центрирующая поверхность 27 цилиндрического выступа 26 может быть выполнена в виде части сферы. Цилиндрический выступ 26 может быть снабжен пазами 28 в виде части цилиндра, а в корпусе 1 могут быть установлены штифты 29, диаметр которых меньше диаметра образующи х пазов 28. Кольцевая проточка 30 в корпусе 1 под вторичное уплотнение 6 аксиально-подвижного уплотнительного кольца 4 может быть выполнена конической. Кольцевая проточка 30 в корпусе 1 под вторичное уплотнение 6 аксиальноподвижного уплотнительного кольца 4 может быть также выполнена по сфере. Уплотнение вала работает следующим образом. При работе турбомашины, например центробежного компрессора высокого давления перекачиваемый газ, находящийся в полости 2 высокого давления поступает в спиральные канавки 12, выполненные на торцовой поверхности 10 вращающегося уплотнительного кольца 9. При вращении вала 8 спиральные канавки 12 воздействуют на газовую среду и повышают ее давление, что приводит к созданию уплотнительного слоя газовой среды с большей плотностью, чем ее параметры в полости 3 корпуса 1 под уплотнительными кольцами 4 и 9. Кроме того, компримируемый газ при движении к центру встречает сопротивление донной части спиральных канавок 12, вернее сопротивление уплотнительной перегородки 11. Указанные силовые факторы позволяют установить и поддерживать стабильную величину торцового уплотнительного зазора порядка 3мкм или близкую к ней на основе равенства гидростатических сил, действующи х на наружные поверхности уплотнительных колец 4 и 9, усилия от нажимной пружины 5 и гидродинамической уравновешивающей силы, возникающей за счет воздействия спиральных канавок 12 на газовую среду. Газовая среда при этом разделяет между собой уплотнительные поверхности 10 и 13 колец 4 и 9 и при минимальной утечке исключает их контакт между собой. При изменении режимов эксплуатации возможно изменение величины уплотнительного зазора в сторону его уменьшения или увеличения. В этом случае соответственно изменяются силы в уплотнительном слое газовой среды. В обоих случаях результирующая сил остается постоянной или близкой к ней и, таким образом, независимо от условий эксплуатации равновесие сил быстро восстанавливается, восстанавливая тем самым расчетную величину уплотнительного зазора. То есть, сравнительно небольшое изменение уплотнительного зазора приводит к появлению значительных неуравновешенных сил, стремящихся вернуть аксиально-подвижное кольцо 4 в первоначальное положение и восстановить первоначальную величину уплотнительного зазора. При этом уплотнение становится нечувствительным к колебаниям давления и другим механическим воздействиям, таким как осевое перемещение, поскольку между уплотнительными кольцами 4 и 5 нет прямого контакта. Уплотнение обладает самоцентрирующей способностью, так как при условии отклонения уплотнительного кольца 4 относительно вращающегося кольца 9, на кольцо 4 действует крутящий момент, восстанавливающий параллельность ответных поверхностей 10 и 13 уплотнительных колец 4 и 9. В предпочтительном варианте вращающееся уплотнительное кольцо 9 изготовляется из твердых сплавов, например из карбида вольфрама или металлокерамики, т.е. из материала с минимальными деформациями в процессе работы. Аксиально-подвижное кольцо 4 изготовляется из материалов менее стойких, например из силицированного графита. Возможен вариант изготовления пары уплотнительных колец 4 и 9, одно из которых выполнено из карбида кремния, а второе - из нитрида кремния. Выполнение спиральных канавок 12 на торцовой поверхности 10 вращающегося уплотнительного кольца 9 может быть осуществлено несколькими способами, например ионным травлением с использованием масок, наносимых на торцовые поверхность 10 вращающегося уплотнительного кольца 9, лазерной обработкой поверхности 10 или же спиральные канавки 12 могут быть выполнены механическим путем, например, с использованием традиционных методов металлообработки, в частности фрезерования.