Ущільнення вала турбокомпресора

1 Уплотнение вала турбокомпрессора, содер жащее кольцевой уп лотни тельний элемент с на жимной пружиной и вра щающееся упло тнительное кольцо, торцовая поверхность которого снаб жена спиральными канавками, отделенными друг от друга перемычками, а от края кольца, со сторо ны вала, уплотни тельным пояском, отли чающее ся тем, что торцовая повер хность вра щающегося уплотни тель ного кольца снабжена дополнитель ным уплотнительным пояском, отделяющим спи ральные канавки о т края кольца со стороны по лости высокого давления, причем - коэффициент Ку ширины дополнительного уплотнительного пояска составляет 0,10 0,25 и определяется выражением s= Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающи хся валов Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения со спиральными канавками, содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное с нажимными пружинами и на валу вращающееся уплотнительное кольцо, причем торцовая повер хность вра щающегося кольца снабжена упло тнительным пояском и вы - коэффициент Кс ширины нагнетательного кольцевого участка торцовой поверхности, на котором вы поп нен ы спи ра льн ые к ан а вки со ста вляе т 0,35 0,65 и определяется выражением К rv, — d d *~ 3 , где di и d2 - нар ужный и вн утренни й диаметры торцовой уплотнительной поверхности кольца, d4 и сіз - наружный и внутренний диаметры нагнетательного кольцевого участка, на котором выполнены спиральные канавки, кроме того суммарная площадь окружных сечений спиральных канавок и зазора между кольцевым уплотнительным элементом и вращающимся уплотнительным кольцом уменьшается к их периферии, а в кольцевом уплотнительном элементе выполнены каналы подвода рабочей среды, выходные участки которых расположены на уровне наименьшего диаметра спиральных канавок 2 Уплотнение по п 1, отличающееся тем, что вы ходные участки каналов подвода рабочей среды соединены между собой кольцевой канавкой 3 Уплотнение по пп 1, 2, отличающееся тем, что каналы подвода рабочей среды выполнены с дроссельными участками 4 Уплотнение по пп 1, 2. 3, отл ичающееся те м, что , по меньшей мере, в о дном канале подвода рабочей среды установлен перепускной клапан полненными на периферии спиральными канавками, направленными 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 цепом Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является О4 О ю ^ N. см 27450 конструкция уплотнения вала турбокомпрессора принятая в качестве прототипа и содержащая кольцевой уплотнительный элемент с нажимными пружинами и вращающееся уплотнительное кольцо торцовая поверхность которого снабжена уплотнитепьным пояском и выполненными на периферии спиральными канавками, на стенках которых расположены продольные микрогребешки [2] Однако эффективность гашения кольцевых вихрей в такой конструкции уплотнения недостаточно высока, что приводит к нарушению устойчивости газового слоя в торцовом уплотнительном зазоре между кольцевым уплотнительным элементом и вращающимся кольцом, снижению напорности самих спиральных канавок и как следствие снижение надежности уплотнения в целом В основу изобретения поставлена задача усовершенствования уплотнения вала турбокомпрессора, в котором выполнены на торцовой уплотнительиой поверхности вращающе гося кольца наклонные спиральные канавки, изолированные от краев кольца и друг от друга, что позволило обеспечить динамическую устойчивость уплотнительных колец и за счет этого повысить надежность и экономичность уплотнения в целом Указанная техни ческая задача решается тем что в известной конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей кольцевой уплотнительный элемент с нажимной пружиной и вращающееся уплотнительное кольцо, торцовая поверхность которого снабжена со стороны вала уплотнительным кольцевым пояском и выполненными на периферии спиральными канавками, отделенными друг от друга перемычками, согласно изобретению, торцовая поверхность вращающегося кольца снабжена дополнительным уплотнительным пояском, отделяющим спиральные канавки от края кольца со стороны полости высокого давления, причем коэффициент ширины Ку дополнительного уплотнитель ного пояска составляет 0,10 0 25 и определяется выражением и коэффициент «с ширины нагнетательного кольцевого участка, на котором выполнены спиральные канавки, составляет 0,35 0,65 и определяется выражением г — : ----------: > где di іл (12 - нар ужный и вн утренни й диаме тры торцовой уплотнительной поверхности кольца, da и d3 - наружный и внутренний диаметры нагнетательного кольцевого участка, на котором выполнены спиральные канавки кроме того суммарная площадь окружных сечений спиральных канавок и зазора между кольцевым уппотнителоным элементом и вращающемся уплотни тельньм юльцом уменьшае тся к пери ферии, а в кольцевом уплэтьительном элементе выполнены каналы подвода рабочей среды, выходные участки которых расположены на уровне наименьшего диаметра спиральных канавок Кроме то го вы ходные уча стки каналів подвода мо гут быть соединены между собой кольцевой канавкой При этом в каналах подвода могут быть выполнены дроссельные участки а также, по крайней мере в одном канале подвода может быть установлен перепускной клапан Таким образом уплотнение вала турбокомп рессора обладает необходимыми и достаточными для решения поставленной технической задачи следующими существенными отличительными признаками - выполнение спиральных канавок в средней части вращающегося уплотнительного кольца изолированными друг от др уга и от краев кольца уплотнительными перемычками и поясками, при этом коэффициент Ку ширины уплотнительного пояска, отделяющего участок спиральных канавок о т п о л о сти вы сок о го да влен ия , со ста вляе т 0,10 0,25 и определяется выражением к IV,, v — а коэффициент Кс ширины нагнетательного кольцевого участка, на котором выполнены спиральные канавки, составляет 0,35 0,65 и определяется выражением с d ,-d 2 где di и d2 - наружный и внутренний диаметры торцовой уппотнитепьной поверхности кольца, d-i и dj - наружный и внутренний диаметры кольцевого участк.а на котором выполнены спиральные канавки, позволит значительно повысить динамическую устойчивость уплотнения и уменьшить утечку в сторону полости низкого давления, - выполнение различного числа каналов подвода даст возможность подвести нужное коли чество газа в спиральные канавки чем обеспечи вается необходимый уплотнительный зазор между кольцевым уплотнительным элементом и вращаю щемся уплотнитепьным кольцом, -выполнение кольцевой канавки, соединяющей выходные участки каналов подвода позволит обеспечить более равномерный подвод газа в спиральные канавки, - наличие дроссельны х уча стков, а также перепускных клапанов позволит значительно рас ширить область применения уплотнения в сторону высоких оборотов - турбокомпрессора при сохра нении величины уплотнитепьного зазора. - суммарная площадь окружного сечения канавок и зазора между кольцевым уплотнитель ным элементом и вращающимся уплотнительным кольцом выполнена уменьшающейся к их перифе рии, что позволяет стабилизировать течение газа в зазоре, при этом выполняется условие п h0 г, + п h, b, >a h 0 r1 + i + n h ) + 1 b l 4 i | при b, >Ьн1 и(или) h ,>hlt1 И,, ширины дополнительного уплотнительного пояска, отделяющего участок спиральных канавок от полости высокого давления, составлял 0,10 0 ,25 и определялся выражением. а коэффициент Кс ширины нагнетательного кольцевого участка, на котором выполнены спиральные канавки, составлял 0,35 0,65 и определялся выражением где di и 0*2 - наружный и внутренний диаметры торцовой уплотнительной поверхности кольца, d* и d3 - наружный и внутренний диаметры кольцевого участка, на котором выполнены спиральные канавки. При этом суммарная площадь окружных сечений канавок и рабочего зазора ho между кольцевым уплотнительным элементом и вращающимся уплотнительным кольцом (в диапазоне 0 b , t1 и (или )п,гп | +1 где ho h, и h,n - рабочий зазор между уппотнительными кольцами и глубина канавки на t-ом и 1+1 текущи х радиусах, bi и b,+i - ширины канавок, г, и г,.і - текущие радиусы, п - количество канавок Таким образом, газ на участке спиральных канавок находится в сужающемся зазоре, что 27450 обеспечивает устойчивость газового слоя в торцовом зазоре и следовательно, динамическую устойчивость кольцевого уплотнительного элемента и вращающегося уплотнительного кольца Увеличение зазора приводит к падению напорности спиральных канавок 4 и, в целом, к уменьшению эпюры распределения давления на торцовой уплотнительной поверхности, что приводит к нарушению силового равновесия и перемещения кольцевого уплотнительного элемента 1 под действием рабочего давления в полости 10 и нажимной пружины 13 в сторону уменьшения зазора При увеличения скорости вращения вала 8 напорность спиральных канавок 4 увеличивается и в то же время увеличивается количество газа, перекачиваемое ими, что привело бы к увеличению упло тняющего зазора Однако при установке в канапах подвода 2 дроссельных участков 11, изза увеличения количества газа, проходя щего через них, их сопротивление увеличивается, а давление на выходных участках каналов подвода 2 и, следовательно, на входе в спиральные канавки 4 будет уменьшаться, что в свою очередь приведет к уменьшению суммарной напорности спиральных канавок 4 и, следовательно, к уменьшению уплотнительного зазора, т е это дает возможность удерживать оптимальную величину уплотнительного зазора между кольцевым уппотнительным элементом и вращающимся колы_рм 3 в широком диапазоне окружHbfx скоростей вала турбомяшины Дальнейшее увеличение скорости вращения вала 8 может привести, из за слишком большого падения давления на дроссельных участках 11, к неустойчивому течению газа в уппотнительном зазоре между кольцами 1 и 3 (помпаж) Поэтому а некоторых каналах подвода 2 устанавливаются перепускные клапаны 12, которые открываются при определенной разности между давлениями в полости 10 и на входе в спиральные канавки 4 При открытии клапанов 12 увеличивается поступление газа а спиральные канавки 4, а следовательно неустойчивых режимов удается избежать Следует отметить, что предлагаемый уппотнительный узел более экономичный, так как на уплотнительном пояске 7 дросселируется только давление Рр, а за смет подпора, создаваемого спиральными канавками 4, обеспечивается циркуляция газа из полости 10 через канапы подвода 2 в спиральные канавки 4 и далее через дополнительный упяотнитепьный поясок 6 в ту же полость 10 Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности путем повышения динамической устойчивости уплотнения, а также в расширении области применения уплотнений Фиг. 1 27450 в 6 1 З 7 8 1 9 11 2 10 Фи г . 2 А-А 3 Фиг. З 6 7 5 Фиг. 4 27450 2 ? I 2 Фиг. 5 1 11 Фиг. 6 Рр • Рр Г Фиг. 7 Фиг. 8 Тираж 50 екэ Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122 )3-72 -89 (0312 2)2-5 7-03 6 і