Реверсивне газостатодинамічне ущільнення

1. Реверсивне газостатодинамічне ущільнення що має корпус, в якому встановлено два кільця, що утворюють створюючі дроселюючу газ щілину, одне з яких аксіально рухоме і обернуте до щілини гладкою поверхнею, а інше обертається разом з ротором і на поверхні, що створює пару тертя, крім замкнутого кільцевого ущільнювального пояска, має ділянку регулярного мікрорельєфу, створену модулями різної геометрії, наприклад, рівномірно розміщеними по коловій периферії ділянки і рівновіддаленими один від одного клиноподібними скосами змінної глибини, що безперервно зменшується в межах ділянки за ходом витоку ущільнювального середовища, сполучених або не сполучених між собою, яке відрізняється тим, що кожний скіс забезпечений газодинамічними підсилювачами розклинювальної сили, наприклад, у вигляді гостровершинних двогранних клиноподіб U 2 (19) 1 3 М.Б., Хисамеев И.Г., Галиев P.M. Бесконтактные уплотнения роторов центробежных и винтовых компрессоров, Казань; ФЗН, 1998г.,с.128, рис.3.12] є реверсивними, але технологічно складні, виготовляються електроерозійним травленням за допомогою спеціальних масок, лазерної техніки чи гравірувальним каменем. Наявність на них тупикових місць (куточки профілів), як у випадку з трапецевидними чи Г-подібними канавками стимулює закоксовування мікрорельєфу механічними домішками в технологічному пазу, ущільнення поступово набуває газодинамічного дебалансу, стимулюється перекіс пари тертя, інтенсивне нагрівання і термоудар. Зарубіжні конструкції не здатні до самоочищення при роботі завдяки недосконалому профілю канавок. Електроерозійне травлення профілів на твердих сплавах зумовлює низьку чистоту поверхні дна та стінок, внаслідок чого значні дисипативні втрати від тертя газу викликають додаткове перегрівання кілець, втрату еластичності і ресурсу гумових допоміжних ущільнювачів. Вказані недоліки мають вирішальне значення, тому запропонована і захищена патентом нова вітчизняна конструкція, яка найбільш близька за технічною суттю та практичному результатові до заявляємо!" тепер [Деклараційний патент на корисну модель №3243, F16J15/40 "Реверсивне торцеве ущільнення", 15.10.2004, бюл. №10]. Домінуюча ідея конструкції ущільненняпрототипу полягає у скороченні часу на виготовлення та забезпечення при цьому належної точності, що складає проблему технологічності при надійному забезпеченні ефекту розклинювання пари тертя з утворенням дроселюючої газ щілини. Екзотичні технології виготовлення замінено простим шліфуванням, але це зумовило модифікацію самого профілю створюючого розклинюючу силу. Для ущільнення неважливо як створено гарантовану щілину між нерухомим та рухомим кільцями, важливо щоб витрати газу і тепловий стан були задовільними. З цією метою запропоновано торцеве ущільнення газостатичного типу, в якому спрощена форма базових модулів мікрорельєфу. За відсутності тупикових куточків на профілях вона самоочищується дією відцентрових сил при обертанні ротора, що вигідно вирізняє конструкцію. В ущільненні взятому за прототип, як і в тому що пропонується, мікрорельєф виконаний у вигляді рівномірно розташованих по коловій периферії ділянки і рівновіддалених клиновидних скосів змінної глибини, що безперервно зменшується в межах ділянки за ходом витоку ущільнюваного середовища. Клиноподібність скосів зумовлює конфузорний вигляд робочої щілини на локальних секторах робочого кільця що обертається. Така форма наповнює епюру тиску газу і робить її локально випуклою, що і забезпечує створення розклинювальної сили як інтегралу по поверхні S кільця, оберненої до дроселюючої щілини Fc p(r, )dS s 12387 4 де r - радіальна координата, - кутова координата, р - функція тиску газу. Сила Fc утворюється за рахунок «протискування» газу, що і зумовлює назву Fc - газостатична. Частота обертання мало впливає на її значення. Газодинамічні ущільнення зарубіжних виробників орієнтовані на домінуючу роль газодинамічної складової від обертання ротора («підшипникової природи»), Як показують розрахунки та практика, тільки статична складова сили Fс в широких діапазонах перепаду тиску може бути недостатньою, значення робочих температур кілець пари зосереджуються в діапазоні 90...120°С, а це недопустимо, бо знижується ресурс вузла. Допустимі витоки середовища значно перевищують фактичні, так що маємо великий резерв підвищення надійності ущільнення за рахунок збільшення витоку газу і пониження за рахунок цього робочої температури. (Надмірна економічність на шкоду тепловому режимові). Фізично це можна реалізувати шляхом додаткового розкривання ущільнення, тобто збільшення робочої щілини поміж кільцями пари тертя - нарощуванням розклинювальної сили. З цією метою пропонується реверсивне газостатодинамічне ущільнення відцентрової машини що має корпус в якому встановлено два кільця створюючі дроселюючу газ щілину, одне з яких аксіальне рухоме і обернуте до щілини гладкою поверхнею, а інше обертається разом з ротором і на поверхні що створює пару тертя, крім замкнутого кільцевого ущільнювального пояска, має ділянку регулярного мікрорельєфу створену модулями різної геометрії, наприклад, рівномірно розміщеними по коловій периферії ділянки і рівновіддаленими один від іншого клиноподібними скосуми змінної глибини, що безперервно зменшуються в межах ділянки за ходом витоку ущільнювального середовища, сполучених або несполучених між собою, яке відрізняється тим, що з метою підвищення надійності кожний скіс забезпечений газодинамічними підсилювачами розклинювальної сили, наприклад, у вигляді гостровершинних двогранних клиноподібних канавок змінної глибини сполучених з порожниною клиноподібного скосу так, що найбільша їх глибина у зоні сполучення не перевищує місцевої глибини скосу, а гострі вершини останніх орієнтовані протилежно і симетрично відносно осьової січної площини проведеної через центр мас кільця та геометричний центр кожного скосу відповідно. При цьому газодинамічні підсилювачі виконуються одноярусними, двоярусними чи кількаярусними, кривизна їх профілів співпадає або протилежна з кривизною кільця, а найбільша глибина канавок підсилювачів однакова або різна для кожного з ярусів відповідно, при цьому кути нахилу даних поверхонь скосів на ділянці мікрорельєфу кільця однакові і визначаються за умови: 0 max залежно від модифікації ущільнення. 5 Суттєвими ознаками, що забезпечують досягнення технічного результату - підвищення надійності у порівнянні з аналогами і прототипом є: - забезпечення скосів газодинамічними підсилювачами розклинювальної сили, наприклад, у вигляді гостровершинних двогранних клиноподібних канавок змінної глибини, сполучених з порожниною клиноподібного скосу так, що найбільша їх глибина у зоні сполучення не перевищує місцевої глибини скосу, а гострі вершини останніх орієнтовані протилежно і симетрично відносно осьової січної площини проведеної через центр мас кільця та геометричний центр кожного скосу відповідно при цьому; - газодинамічні підсилювачі виконані одноярусні, двоярусні чи кількаярусні; - кривизна контурів газодинамічних підсилювачів співпадає з кривизною кільця чи їй протилежна; - найбільша глибина канавок підсилювачів однакова або різна для кожного з ярусів відповідно, при цьому кути нахилу даних поверхонь скосів на ділянці мікрорельєфу кільця однакові і визначаються за умови: 0 max залежно від модифікації конструкції ущільнення. Зазначені ознаки є новими, технічно здійснюваними і мають винахідницький рівень, тобто забезпечують ущільненню якісно новий рівень - підвищення надійності, іншими словами, відповідають критеріям патентоздатності, являються необхідними та достатніми для вирішення поставленого завдання. Наявність газодинамічних підсилювачів описаної форми і профілю та їх розташування забезпечує участь нової за змістом фізичної сили, що виникає в газовому шарі поміж кільцями газодинамічної, модуль якої пропорційний частоті обертання ротора. Для неї необхідний додатковий «несучий клин», тобто свій окремий профіль, який пропонується формулою. Тепер газодинамічна сила, по аналогії з газостатичною, складає відповідний паритет з останньою і значно впливає на загальне врівноваження аксіальне рухомого кільця ущільнення, що збільшить робочу щілину. Внаслідок цього витік газу зростає, а температура падає. Одноярусність та двоярусність є кількісною характеристикою описаного ефекту, чим зручно скористатись залежно від частоти обертання та розмірів скосу. Якщо частота обертання ротору низька, слід виконувати двоярусні чи кількаярусні газодинамічні підсилювачі, якщо висока навпаки. Ефект змінюється залежно розмірів (об'ємів) порожнини газодинамічних підсилювачів. При більших об'ємах ефект підсилення відчутніший. Крім того, ознаки п.4 формули дають конструкторові поле для вибору ступені збалансованості ущільнення осьовою силою і зменшення деформацій кільця, бо вібрації глибини канавок дають можливість змінювати і значення і точку рівнодіючої розклинювальної сили в парі тертя. Живлення газодинамічних підсилювачів з порожнини скосу зумовлене тим, що шар газу завжди буде надійно захоплюватись і нагнічуватись в клиноподібний підсилювач як із завжди наповненого 12387 6 своєрідного резервуара, а змінна глибина (до периферії зменшується) створює конфузорність течії, повноту епюри тиску і високу розклинюючу здатність такого клину (по аналогії з газостатикою), крім того, всі механічні домішки в газі не накопичуються а викидаються з профілю. Загалом, доходим висновку, що конструктивні ознаки підсилювачів є впровадженням відповідних положень теорії газового змащення підшипника органічно поєднаного з ущільненням завдяки конструктивній реалізації мікрорельєфу. Симетричність газодинамічних підсилювачів є обов'язковою за умови реверсивності, тобто тотожних властивостей ущільнення при обох напрямах обертання ротору відцентрової машини. Заявления зворотної кривизни контурів газодинамічних підсилювачів мотивується тим, що останні будуть виконувати роль структур зворотнього нагнічування газу, що покращує економічність ущільнення [Фалалеев С.В., Чегодаев Д.Е. Торцовые бесконтактные уплотнения двигателей летательных аппаратов: Основы теории и проектирования. - М.; изд. МАИ, 1998г. 276с.]. В Табл.1 показано приклади можливих профілів скосів з підсилювачами. Вони не охоплюють всіх можливих рішень, наведені лише для з'ясування сутності технічної пропозиції і вибрані не з апріорних міркувань, а об'єднані одним мотивом простотою реалізації штатним шліфувальним інструментом на координатному поворотному столі, з однієї або двох установок, що забезпечує високу технологічність та швидкість виготовлення. Точність виготовлення визначається точністю операції шліфування, що дає високий клас чистоти поверхні. Далі показано приклад реалізації корисної моделі з посиланнями на малюнки: На Фіг.1 дано схематичне зображення ущільнення згідно з корисною моделлю. На Фіг.2 показано несполучені клинові скоси з газодинамічними підсилювачами. На Фіг.3 показано сполучені клинові скоси з газодинамічними підсилювачами. На Фіг.4 показано аксонометричне зображення одноярусного підсилювача. На Фіг.5 показано аксонометричне зображення двоярусного підсилювача. На Фіг.6 показано аксонометричне зображення підсилювачів з прямолінійним контуром клинового скосу. Реверсивне газостатодинамічне ущільнення Фіг.1, містить в собі корпус, в якому встановлено два ущільнюючі кільця 1, 2 звернуті одне до одного поверхнями, створюючими дроселюючу щілину, кільце 1 встановлене в корпусі з можливістю аксіального переміщення і обернуте до дроселюючої щілини гладкою поверхнею, кільце 2 встановлене з можливістю обертання разом з ротором і обернуте до дроселюючої щілини поверхнею, на якій виконаний замкнутий ущільнюючий кільцевий поясок та ділянка регулярного мікрорельєфу, що прилягає до порожнини ущільнюваного середовища. Мікрорельєф, Фіг.2, 3, 4, 5, 6 виконаний у вигляді рівномірно розміщених по коловій периферії ділянки рівновіддалених клинових скосів, які ма 7 12387 ють змінну глибину за ходом витоку середовища забезпечених газодинамічними підсилювачами розклинювальної сили у вигляді гостровершинних двогранних клиноподібних канавок змінної глибини сполучених з порожниною скосу так, що найбільша їх глибина у зоні сполучення не перевищує місцевої глибини скосу, а гострі вершини орієнтовані протилежно і симетрично відносно осьової січної площини проведеної через центр мас кільця та геометричний центр кожного скосу відповідно. Підсилювачі газодинамічної сили можуть бути або одноярусні Фіг.4, Табл.1, або двоярусні Фіг.5,6, Табл.1. Клиновидні скоси можуть мати контур обмежений прямими лініями Фіг.6, Табл.1. Аксонометричні зображення 4, 5, 6 дають чітку уяву про змінний клиновидний профіль та глибину гостровершинних канавок підсилювачів, яка зменшується від порожнини скосу до периферії. Альбом варіантів, Табл.1 дає схематичне зображення можливих варіантів реалізації корисної моделі і пояснює сутність прямої та зворотної кривизни підсилювачів розклинювальної сили. 8 Ущільнення працює так. В стані монтажу кільця 1 та 2 Фіг.1 пари притиснуті одне до іншого. З ростом тиску газу за рахунок «протискування» його в радіальному напрямі через клиновидні скоси, контактний тиск між кільцями зменшується. З'являється мікрощілина в парі тертя, газ починає витікати. Як тільки починається обертання ротору, до газостатичної розклинювальної сили Fc додається газодинамічна Рд від дії підсилювачів за рахунок колової складової швидкості газу в щілині. Результуюча сила відтискає одне кільце від іншого. Підвищення частоти обертання ротора підсилює Рд, а газостатична залишається, практично, незмінною, бо вона визначається перепадом тиску. Таким чином, чим більша швидкість обертання, тим більша розклинююча сила. Починає збільшуватись розмір щілини між кільцями, газостатична складова сили зменшується, а газодинамічна майже незмінна. Росте витік газу, падає температура зумовлена тертям. Наступає рівновага між силою зовнішнього навантаження та розклинюючою. При вибігові ротора схема роботи повторюється в зворотному напрямі. Таблиця 1 Альбом варіантів газодинамічних підсилювачів 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 12387 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601