Ущільнення вала для турбомашини

Реферат: Ущільнення вала для турбомашини, технологічна сторона (3) якої може ущільнюватися відносно атмосфери (4) за рахунок ущільнення (7, 13, 17) вала, має ущільнення (7, 13) технологічного газу, що навантажується технологічним газом (10) і замикається з внутрішньої технологічної сторони (3), і атмосферне ущільнення (17), що навантажується повітрям (20), і замикається з боку атмосфери (4), а також вентиляційну камеру (22), яка виконана навколо вала (1) турбомашини і розміщена між ущільненням (7, 13) технологічного газу і атмосферним ущільненням (17), для збирання і відведення витоку технологічного газу, проникаючого через ущільнення (7, 13) технологічного газу, і витоку повітря, проникаючого через атмосферне ущільнення (17), причому вентиляційна камера (22) на своїй розташованій радіально всередині стороні має впускний отвір (23) витоку, а на своїй розташованій радіально зовні стороні випускний отвір (24) витоку, а також насадки (26, 27) між впускним отвором (23) витоку і випускним отвором (24) витоку, причому насадки (26, 27) виконані таким чином, що вентиляційна камера (22) має функцію блокування займання газу витоку на впускному отворі (23) витоку і/або вогнегасну функцію. UA 105655 C2 (12) UA 105655 C2 UA 105655 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується ущільнення валу для турбомашини. Під турбомашиною мається на увазі, наприклад, турбокомпресор, експандер або витискувач-нагнітач. Турбокомпресор має корпус і ротор, який розміщений в корпусі. Ротор має вал, який на своїх поздовжніх кінцях встановлений в опорах поза корпусом. Через це вал на своїх поздовжніх кінцях виступає з корпусу, причому там вал ущільнений по відношенню до корпусу за допомогою ущільнення валу. Тим самим внутрішня сторона турбокомпресора ізольована від атмосфери. Конструкція ущільнення валу зазвичай така, що при розгляді з внутрішньої сторони турбокомпресора спочатку розташований елемент газової ізоляції, а потім елемент масляної ізоляції. Внутрішня сторона турбокомпресора, технологічна сторона, ізолюється за допомогою ущільнення валу від атмосфери і за допомогою масляної ізоляції від зони опори. Ущільнення валу виконане, наприклад, як ковзаюче кільцеве ущільнення з газовим змащенням, яке виконане як тандемне ущільнення. Тандемне ущільнення виконане з двох ковзаючих кільцевих ущільнень з газовим змащенням, які містять відповідне ковзаюче кільце, яке закріплене на корпусі, і зустрічне кільце, яке закріплене на валу. Кожне ковзаюче кільце по відношенню до свого відповідного зустрічного кільця розміщене з утворенням осьового зазору аксіально безпосередньо суміжним способом. Кільця в тандемному ущільненні розміщені таким чином, основним ущільненням технологічна сторона герметизована по відношенню до факельного тиску. За допомогою вторинного ущільнення забезпечується ізоляція від атмосфери, причому вторинне ущільнення додатково передбачене як резервне по відношенню до основного ущільнення при відмові основного ущільнення. Між обома зустрічними кільцями вводиться захисний газ, який застосовується для блокування осьового зазору. Для того, щоб ізолювати зону опори, як елемент масляної ізоляції передбачене, наприклад, третинне ущільнення, яке може бути виконане як лабіринтове ущільнення або вугільне кільцеве ущільнення. Третинне ущільнення навантажується захисним газом, за рахунок чого здійснюється його блокування. Як захисний газ може застосовуватися повітря. При роботі турбокомпресора повітря із захисного газу змішується з технологічним газом, через що може виникнути легкозаймиста суміш, якщо технологічний газ є горючим. Виникнення легкозаймистої газової суміші повинне постійно запобігатися по причинах безпеки, що, наприклад, передбачається в нормативах по вибухобезпечності. Цьому сприяє використання інертного газу як захисного газу, наприклад, азоту. Проте при роботі турбокомпресора нафтохімічної установки використання азоту як захисного газу є високим, так що витрати на постачання азоту і пов'язані з цим кошти є значними. Задачею винаходу є створення ущільнення валу для турбомашини, причому турбомашина може експлуатуватися з економією ресурсів при низьких витратах. Відповідне винаходу ущільнення валу для турбомашини, внутрішня технологічна сторона якої може герметизуватися по відношенню до атмосфери за рахунок ущільнення валу, має ущільнення технологічного газу, яке навантажується технологічним газом і замикається з внутрішньої технологічної сторони, і атмосферне ущільнення, яке навантажується повітрям і замикається з бокуатмосфери, а також вентиляційну камеру, яка виконана навколо валу турбомашини і розміщена між ущільненням технологічного газу і атмосферним ущільненням, для збирання і відведення витоку технологічного газу, проникаючого через ущільнення технологічного газу, і витоку повітря, проникаючого через атмосферне ущільнення, причому вентиляційна камера на своїй розташованій радіально всередині стороні має впускний отвір витоку, а на своїй розташованій радіально зовні стороні - випускний отвір витоку, а також насадки між впускним отвором витоку і випускним отвором витоку, причому насадки розраховані таким чином, що вентиляційна камера має функцію блокування займання газу витоку на впускному отворі витоку, і/або вогнегасну функцію. При оцінці небезпеки замкнутої у вентиляційній камері вибухонебезпечної газової суміші, згідно з нормативами по вибухобезпечності, вирішальне значення має замкнутий об'єм і доступна для охолоджування поверхня. За рахунок наявності насадок у вентиляційній камері згідно з винаходом вона виконується таким чином, що у вентиляційній камері газова суміш має об'єм, який є малим, через що газова суміш, яка знаходиться у вентиляційній камері, не класифікується як легкозаймиста. Крім того, насадками забезпечується збільшена поверхня у вентиляційній камері, за допомогою якої газова суміш у вентиляційній камері додатково охолоджується. Проте якщо все ж займання у вентиляційній камері виникає, то тепло, що виникає за рахунок цього, негайно відводиться від збільшеної поверхні, так що займання відразу ж гаситься. Є переважним, що насадки мають радіально розташовані ребра, за допомогою яких у вентиляційній камері утворюються вентиляційні канали, через які газ витоку може протікати від 1 UA 105655 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 впускного отвору витоку до випускного отвору витоку. Переважним чином вентиляційна камера виконана як циліндрова камера навколо валу, в якій ребра у формі променів продовжуються навколо валу. Окружна протяжність щонайменше деяких з ребер переважно зростає з радіусом, причому ребра переважно виконані таким чином, що по радіусу поперечний переріз вентиляційних каналів є постійним. Як альтернатива є переважним, що окружна протяжність щонайменше деяких з ребер по радіусу є постійною. Ефективно протічний поперечний переріз у впускного отвору витоку переважно приблизно дорівнює ефективно протічному поперечному перерізу у випускного отвору витоку. Крім того, є переважним, що ефективно протічний поперечний переріз у випускного отвору витоку дорівнює або більше ефективно протічного поперечного перерізу підключеного до випускного отвору витоку трубопроводу відведення газу витоку. Ребра на їх радіально внутрішніх сторонах переважно виконані переважно закругленими, так що протікання витоку через вентиляційну камеру здійснюється з малими втратами. Тим самим запобігається додатковий опір течії, що викликається ребрами, і обумовлене цим небажане підвищення тиску. Число і форма ребер переважним чином вибираються таким чином, що ребра підходять для охолодження витоку у вентиляційній камері. Переважним чином ущільнення технологічного газу виконане у вигляді ковзаючого кільцевого ущільнення з газовим змащенням, і/або атмосферне ущільнення виконане у вигляді лабіринтового ущільнення або вугільного кільцевого ущільнення. Ковзаюче кільцеве ущільнення з газовим змащенням переважним чином виконане в тандемному розташуванні, причому ковзаюче кільцеве ущільнення з газовим змащенням має основне ущільнення, що навантажується технологічним газом і блокується з внутрішньої технологічної сторони, і вторинне ущільнення, що розташоване у напрямі до атмосфери за основним ущільненням і оберігає його, причому між вторинним ущільненням і атмосферним ущільненням поміщена вентиляційна камера. Крім того, є переважним, що насадки мають дротяне обплетення. Далі переважна форма виконання відповідного винаходу ущільнення валу пояснюється за допомогою прикладених схемних креслень, на яких зображено: Фіг. 1 - поздовжній переріз форми виконання ущільнення валу, і Фіг. 2 - поперечний переріз вентиляційної камери форми виконання ущільнення валу по фіг. 1. Як видно з фіг. 1, турбокомпресор містить вал 1 турбокомпресора і корпус 2 турбокомпресора, причому вал 1 турбокомпресора на своєму показаному поздовжньому кінці проходить через корпус 2 турбокомпресора. Внутрішній робочий простір турбокомпресора представлений технологічною стороною 3, тоді як поза турбокомпресором панує атмосфера 4. На внутрішній технологічній стороні турбокомпресора при його роботі існує більш високий тиск, ніж атмосферний тиск, так що вал 1 турбокомпресора по відношенню до корпусу 2 турбокомпресора герметизований від технологічної сторони 3 до атмосфери 4. Герметизація забезпечується лабіринтовим ущільненням 5, яке передбачене з технологічної сторони, і ковзаючим кільцевим ущільненням 6 з газовим змащенням, яке вбудоване між лабіринтовим ущільненням 5 і атмосферою 4. Ковзаюче кільцеве ущільнення 6 з газовим змащенням містить основне ущільнення 7, яке розміщене безпосередньо за лабіринтовим ущільненням 5 і виконане з можливістю герметизації тиску, який існує там. Основне ущільнення 7 має зустрічне кільце 8, яке змонтоване на валу 1 турбокомпресора і ковзаюче кільце 9, яке вбудоване в корпус 2 турбокомпресора. Зустрічне кільце 8 і ковзаюче кільце 9 розміщені аксіально з приляганням одне до одного, причому зустрічне кільце 8 розміщене між лабіринтовим ущільненням 5 і ковзаючим кільцем 9. При роботі турбокомпресора зустрічне кільце 8 обертається разом з валом 1 турбокомпресора, так що існує відносний рух між зустрічним кільцем 8 і ковзаючим кільцем 9. Тим самим при роботі турбокомпресора повинен створюватися осьовий зазор між зустрічним кільцем 8 і ковзаючим кільцем 9, так що зустрічне кільце 8 не знаходиться у контакті з ковзаючим кільцем 9. Осьовий зазор створюється за рахунок навантаження основного ущільнення 7 технологічним газом, який подається до основного ущільнення 7 радіально за допомогою передбаченого в корпусі 2 турбокомпресора трубопроводу 10 для продувного технологічного газу. Внаслідок наявності осьового зазору технологічний газ проникає у формі витоку і збирається в камері 11 витоків вище по потоку від основного ущільнення 7. Зібраний в камері 11 витоків газ витоку відводиться, наприклад, у факел через факельний трубопровід 12, який відповідно передбачений в корпусі 2 турбокомпресора. Тиск, наявний в камері 11 витоків або у факельному трубопроводі 12, герметизує вторинне ущільнення 13, яке розміщене на протилежній лабіринтовому ущільненню 5 стороні основного ущільнення 7. Вторинне ущільнення 13 виконане аналогічно основному ущільненню 7, причому вторинне ущільнення 13 2 UA 105655 C2 5 10 15 20 25 30 35 має зустрічне кільце 14, сполучене з валом 1 турбокомпресора, і сполучене з корпусом 2 турбокомпресора стаціонарне ковзаюче кільце 15. Зустрічне кільце 14 і ковзаюче кільце 15 прилягають одне до одного, як зустрічне кільце 8 і ковзаюче кільце 9 основного ущільнення 7, з утворенням осьового зазору. Вище по потоку від вторинного ущільнення 13 утворена камера 16 витоків, в якій збирається проникаючий через вторинне ущільнення 13 газовий витік. Для ізоляції атмосфери 4 від камери 16 витоків між вторинним ущільненням 13 і атмосферою 4 передбачене третинне ущільнення 17, яке складається з лабіринтового ущільнення 18 з внутрішньої технологічної сторони і лабіринтового ущільнення 19 з боку атмосфери. Між лабіринтовими ущільненнями 18, 19 передбачений трубопровід 20 для продувного повітря, через який протікає повітря для продування лабіринтових ущільнень 18, 19. Повітря, яке подається через трубопровід 20 повітряного продування, розподіляється по валу 1 турбомашини, так що повітря проходить як через лабіринтове ущільнення 18 з внутрішньої технологічної сторони, так і через лабіринтове ущільнення 19 з боку атмосфери. Частина повітря, яка проходить через лабіринтове ущільнення 18 з внутрішньої технологічної сторони, тече в камеру 21 витоку, яка, як камера 16 витоків вторинного ущільнення 13, сполучається з вентиляційною камерою 22. Вентиляційна камера 22 розташована як кільцева камера між вторинним ущільненням 13 і третинним ущільненням 17, причому в розташованій радіально всередині частині вентиляційної камери 22 передбачений впускний отвір 23 витоку, через який у вентиляційну камеру 22 з камери 21 витоку третинного ущільнення 17 тече повітря, а з камери 16 витоків вторинного ущільнення 13 - технологічний газ. На розташованій радіально зовні стороні вентиляційної камери 22 передбачений випускний отвір 24 витоку, з яким сполучений вентиляційний трубопровід 29. Вентиляційна камера 22 має в своїй внутрішній порожнині велику кількість ребер 26, 27, які у формі променів орієнтовані радіально від впускного отвору 23 витоку до випускного отвору 24 витоку. Ребра 26, 27 продовжуються також в осьовому напрямі, так що ребрами у вентиляційній камері 22 сформована велика кількість вентиляційних каналів 25 між ребрами 26, 27. Як показано на фіг. 2, у вентиляційній камері 22 передбачено вісім ребер 26, 27, які розміщені рівномірно розподіленим чином по колу. По горизонталі і по вертикалі орієнтовані всього чотири ребра 26 однакової товщини, а по діагоналі орієнтовані всього чотири ребра 27, що розширюються. Радіальні характеристики товщини ребер 26, 27 вибрані таким чином, що повний об'єм вентиляційних каналів 25 у вентиляційній камері 22 настільки малий, що, згідно з нормами по вибухобезпечності, газова суміш, яка знаходиться у вентиляційних каналах 25, а саме газова суміш з повітря і технологічного газу, не може бути класифікована як легкозаймиста. При цьому враховується, що поперечний переріз випускного отвору 24 витоку узгоджений з поперечним перерізом вентиляційного трубопроводу 29, а поперечний переріз впускного отвору 23 витоку дорівнює поперечному перерізу випускного отвору 24 витоку. Тим самим запобігається існування у вентиляційній камері 22 нерегулярних і, тим самим, надмірно схильних до втрат умов протікання. Крім того, біля впускного отвору 23 витоку на ребрах 26, 27 передбачені вхідні заокруглення 28, щоб опір потоку ребер 26, 27 був по можливості низьким. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Ущільнення вала для турбомашини, внутрішня технологічна сторона (3) якої герметизована відносно атмосфери (4) ущільненням (7, 13, 17) вала, що містить навантажуване технологічним газом (10) і замкнуте з внутрішньої технологічної сторони (3) ущільнення (7, 13) технологічного газу і навантажуване повітрям (20) і замкнуте з боку атмосфери (4) атмосферне ущільнення (17), а також виконану навколо вала (1) турбомашини, розміщену між ущільненням (7, 13) технологічного газу і атмосферним ущільненням (17) вентиляційну камеру (22) для збору і відведення витоку технологічного газу, який проникає через ущільнення (7, 13) технологічного газу, і витоку повітря, яке проникає через атмосферне ущільнення (17), причому вентиляційна камера (22) на своїй розташованій радіально всередині стороні має впускний отвір (23) витоку, а на своїй розташованій радіально зовні стороні має випускний отвір (24) витоку, а також насадки (26, 27) між впускним отвором (23) витоку і випускним отвором (24) витоку, причому насадки (26, 27) виконані у формі радіально орієнтованих ребер, якими вентиляційна камера (22) поділена на простягнуті від впускного отвору (23) до випускного отвору (24), стосовно газу витоку протизаймисті і/або вогнегасні вентиляційні канали (25). 2. Ущільнення вала за п. 1, яке відрізняється тим, що вентиляційна камера (22) виконана як циліндрова кільцева камера навколо вала (1), в якій ребра (26, 27) у формі променів простягнуті навколо вала (1). 3 UA 105655 C2 5 10 15 20 25 30 3. Ущільнення вала за п. 2, яке відрізняється тим, що окружна протяжність щонайменше деяких з ребер (27) переважно зростає із збільшенням радіуса. 4. Ущільнення вала за п. 3, яке відрізняється тим, що ребра (27) виконані таким чином, що по радіусу поперечний переріз вентиляційних каналів (25) є постійним. 5. Ущільнення вала за будь-яким з пп. 2, 3, яке відрізняється тим, що окружна протяжність щонайменше деяких з ребер (26) по радіусу є постійною. 6. Ущільнення вала за будь-яким з пп. 2-4, яке відрізняється тим, що ефективно протічний поперечний переріз впускного отвору (23) витоку приблизно дорівнює ефективно протічному поперечному перерізу у випускного отвору (24) витоку. 7. Ущільнення вала за п. 6, яке відрізняється тим, що ефективно протічний поперечний переріз випускного отвору (24) витоку дорівнює або більше ефективно протічного поперечного перерізу підключеного до випускного отвору (24) витоку трубопроводу (29) відведення газу витоку. 8. Ущільнення вала за будь-яким з пп. 1-6, яке відрізняється тим, що ребра (26, 27) на їх радіально внутрішніх сторонах мають закруглення (28), так що протікання газу витоку через вентиляційну камеру (22) здійснюється з малими втратами. 9. Ущільнення вала за будь-яким з пп. 1-8, яке відрізняється тим, що число і форма ребер (26, 27) вибрані за умовою достатнього протизаймистого охолодження газу витоку у вентиляційній камері (22). 10. Ущільнення вала за будь-яким з пп. 1-9, яке відрізняється тим, що газове ущільнення (7, 13) виконане у вигляді ковзаючого кільцевого ущільнення з газовим змащенням, і/або атмосферне ущільнення (17) виконане у вигляді лабіринтового ущільнення або вугільного кільцевого ущільнення. 11. Ущільнення вала за п. 10, яке відрізняється тим, що ковзаюче кільцеве ущільнення з газовим змащенням виконане в тандемній конфігурації, причому ковзаюче кільцеве ущільнення з газовим змащенням має основне ущільнення (7), навантажене технологічним газом і блоковане з внутрішньої технологічної сторони, і резервне вторинне ущільнення (13), яке розташоване у напрямі до атмосфери за основним ущільненням (7), причому між вторинним ущільненням (13) і атмосферним ущільненням (17) розміщена вентиляційна камера (22). 12. Ущільнення вала за будь-яким з пп. 1-10, яке відрізняється тим, що насадки мають дротяне обплетення. 4 UA 105655 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5