Ущільнення вала турбокомпресора

1 Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее аксиально-подвижное и вращающееся уплотнительные кольца, на рабочей торцевой поверхнбсти последнего выполнены наклонные микрокарманы, а в аксиально-подвижном кольце выполнены каналы подвода рабочей среды, отличающееся тем что каналы подвода сгруппированы в равномерно расположенные по окружности секции, причем число секций меньше числа микрокарманов 2 Уплотнение вала турбокомпрессора по п 1, отличающееся^ тем, что расстояние между секциями больше шага наклонных микрокарманов 3 Уплотнение вала по пп 1 и 2, отличающееся тем что каналы подвода в секциях выполнены уменьшающимися от центральных отверстий каждой секции в окружном направлении к соседним секциям 4 Уплотнение вала по пп 1, 2 и 3, отличающееся тем, что выходные участки этих каналов в каждой секции или, по меньшей мере, в нескольких равномерно распределенных по окружности секциях соединены между собой кольцевой канавкой 5 Уплотнение вала по пп 1, 2, 3 и 4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из каналов подвода в каждой или в нескольких равномерно расположенных по окружности секциях снабжен дроссепьным участком 6 Уплотнение вала по пп 1, 2, 3, 4 и 5, отличающееся тем, что, по меньшей мере, в одном из каналов подвода в каждой или в нескольких равномерно расположенных по окружности секциях установлен перепускной клапан О Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное кольцо в котором выполнены каналы подвода и вращающееся уплотнительное кольцо, на рабочей поверхности которого выполнены наклонные микрокарманы, а на периферии - спиральные канавки [1] Однако такое уплотнение эффективно работает только при определенной частоте вращения При увеличении частоты вращения поток рабочей среды вызывает увеличение торцового зазора между уплотнительными кольцами, за счет увеличения количества рабочей среды, перекачиваемой наклонными микрокарманами, что приводит к увеличению утечек и, как следствие, к снижению эко номичности Кроме того из-за дискретной подачи среды в микрокарманы может нарушиться динамическая устойчивость уплотнительных колец, чем снижается надежность уплотнения в целом Изобретение направлено на повышение надежности и расширяет область применения уплотнения вала за счет обеспечения динамической устойчивости торцовой пары, путем более равномерного и в оптимальном количестве подвода среды в наклонные микрокарманы в широком диапазоне окружных скоростей ротора и позволит расширить промышленное применение этих уплотнений на турбокомпрессорах различного назначения В конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей аксиально-подвижное и вращающееся уплотнительные кольца, причем на торцовой рабочей поверхности вращающегося кольца выполнены наклонные микрокарманы, а в аксиально-подвижном кольце выполнены каналы подвода рабочей среды, согласно изобретению, ю 00 со см да 27385 каналы подвода сгруппированы в равномерно расположенные по окружности секции, причем число секций меньше числа микрокарманов, а выходные участки каналов подвода в каждой секции или по меньшей мере в двух равномерно расположенных по окружности секциях могут быть соединены между собой кольцевой канавкой Кроме того, каналы подвода в секциях выполнены монотонно уменьшающимися от центральных отверстий каждой секции в окружном направлении к соседним секциям, а также, по меньшей мере один из каналов подвода в каждой секции или в нескольких равномерно расположенных по окружности секциях может быть снабжен дроссельным участком и (или) перепускным клапаном К тому же расстояние между секциями может быть больше шага микрокарманов Таким образом поставленная задача решается следующим путем - выполнение каналов подвода, сгруппированными в равномерно расположенные по окружности секции, позволит обеспечить более длительный и равномерный подвод рабочей среды в отдельные микрокарманы, что обеспечит на этих участках более высокое давление рабочей среды Это вызовет дополнительную волнообразную деформацию более податливого уплотнительного кольца, что способствует образованию в уплотнительном зазоре нескольких микроклиньев рабочей среды, обеспечивая устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а значит и повысит надежность уплотнения, - выполнение каналов подвода уменьшающимися от центральных каналов каждой секции в окружном направлении к соседним секциям позволит обеспечить более плавное повышение и понижение давления в микрокарманах, чем значительно улучшается динамика уплотнения в целом, - выполнение кольцевой канавки, соединяющей выходные участки каналов подвода в каждой или в нескольких секциях, позволит обеспечить более полный и равномерный подвод рабочей среды в каждый из микрокарманов, что обеспечивает наиболее длительный подвод рабочей среды в микрокарманы и, следовательно, наибольшее давление в микрокармане, - расстояние Ц между секциями больше шага Ц спиральных микрокарманов, а поэтому только часть микрокарманов могут быть одновременно сообщены с полостью высокого давления, что позволяет обеспечить надежное закрытие уплотнения при стояночном режиме, - наличие дроссельных участков, и (или) перепускных клапанов позволит значительно расширить область применения уплотнения в сторону высоких оборотов турбокомпрессора при сохранении требуемой величины уплотнительного зазора, за счет подачи оптимального количества рабочей среды в микрокарманы Все это в целом позволяет повысить надежность и экономичность уплотнения в целом за с ^ т обеспечения динамической устойчивости уплотнительных колец и обеспечения требуемого уплотлительного зазора в широком диапазоне окружных скоростей Заявляемая конструкция уплотнения вала турбомашины с указанной совокупностью призна ков обеспечивает повышение надежности и уплотняющей спосрбности уплотнительного узла за счет динамической устойчивости уплотнительных колец и 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 в других областях промышленности Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг 1 и 2 показаны продольные разрезы уплотнительного узла с самими каналами подвода и с кольцевой канавкой, соединяющей выходные участки этих каналов фиг 3, 4 и 5 - вид А и Б, соответственно фиг 1 и 2, на фиг 6 и 7 - варианты установки в каналах подвода ' дроссельных участков и (или) перепускных клапанов, соответственно Уплотнение вала турбокомпрессора содержит аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 1, в котором выполнены каналы подвода 2 и вращающееся уплотнительное кольцо 3, установленное на валу 4 и имеющее на торцовой уплотнительной поверхности микрокарманы 5 Число секций меньше числа микрокарманов, а расстояние Ц между секциями больше шага микрокарманов U, поэтому только часть микрокарманов, равномерно расположенных по окружности, могут быть одновременно сообщены с полостью высокого давления В Выходные участки каналов подвода в каждой секции или по меньшей мере в нескольких равномернр расположенных по окружности секциях, могут быть соединены между собой кольцевыми канавками 6 (фиг 2, 46 и 5а, 56) Диаметры каналов подвода могут быть выполнены уменьшающимися от центральных каналов подвода каждой секции в окружном направлении к соседним секциям (фиг 4а и 46) Кроме того, по меньшей мере один из каналов подвода в каждой секции или по меньшей мере в нескольких равномерно расположенных по окружности секциях могут быть снабжены дроссельными участками 7 и (или) перепускными клапанами 8 Количество секций, в которые сгруппированы каналы подвода, меньше числа микрокарманов Предварительное поджатие аксиальноподвижного кольца к вращающемуся кольцу осуществляется нажимными пружинами 9 Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом В исходном положении кольца 1 и 3 прижаты друг к другу с помощью нажимных пружин При этом только часть микрокарманов соединены каналами подвода с полостью высокого давления В Таким образом сила, раскрывающая уплотнительный стык, значительно меньше силы, прижимающей кольца 1 и 3, чем обеспечивается надежное закрытие уплотнительного стыка при стоянке турбокомпрессора При вращении вала через каналы 2, сгруппированные в секции, рабочая среда последовательно подводится в микрокарманы причем одновременно могут быть запитаны только часть микрокарманов, равномерно распределенных по окружности Осредненное, за период между двумя впрысками, давление в каждом из микрокарманов 27385 тем больше, чем меньше уплотнительный зазор между кольцами 1 и 3 и чем больше частота вращения вала Возникающая при этом результирующая газостатодимамическая сила, раскрывающая уплотнительный стык, превысит газостатическую гилу, прижимающую кольца 1 и 3, и при определенной чдстоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей и уплотнение начинает работать без контакта Равномерное расположение на рабочих поверхностях уплотнительных колец микрокарманов и секций с каналами подвода обеспечивает равномерное по окружности осевое смещение аксиально-подвижного кольца При этом уплотнительные кольца занимают некоторое равновесное положение Увеличение зазора между кольцами 1 и 3 приведет к уменьшению осредненного давления в микрокарманах и нарушению баланса сил, действующих на аксиально-подвижное уплотнительное кольцо, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора При этом осредненное давление в микрокарманах начнет возрастать пока не восстановится силовое равновесие Таким образом гидростатическая сила, раскрывающая стык, зависит от величины уплотнительного зазора между кольцами 1 и 3, причем гидростатическая жесткость отрицательна, что обеспечивает устойчивость статического равновесия аксиально-подвижного кольца Выполнение каналов подвода, сгруппированными в секции, позволяет более длительное время подводить рабочую среду в отдельные микрокарманы, чем обеспечивается более плавное повышение и снижение давления в них до его максимального значения Выполнение каналов подвода от центра каждой секции в окружном направлении к соседним секциям уменьшающимися, обеспечивает еще более плавное повышение и снижение давлений в микрокарманах, что благотворительно влияет на динамику уплотнения Соединение выходных участков каналов подвода в каждой или по меньшей мере в нескольких равномерно расположенных по окружности секциях кольцевой канавкой 6 способствует более полному заполнению микрокарманов, так как при этом каналы подвода могут быть выполнены достаточно большим диаметром и, следовательно, по ним будет поступать достаточное количество рабочей среды (фиг 4в) В зонах между секциями давление между уплотнительными кольцами меньше чем против каналов подвода Это вызовет дополнительную волнообразную деформацию более податливого уплотнительного кольца (обычно аксиально-подвижного), что способствует образованию в уплот нительном зазоре нескольких, равномерно распределенных по окружности микроклиньев рабочей среды чем обеспечивается динамическая устойчивость уплотнения в широком диапазоне частот вращения При увеличении скорости вращения вала повышается осредненное давление в микрокарманах, что приводит к увеличению уплотнительного зазора, а следовательно, и расхода рабочей среды через уплотнение Однако при установке дроссельных участков 7 по меньшей мере в одном канале подвода в каждой или нескольких равномерно распределенных по окружности секциях, из-за увеличения количества рабочей среды, проходящей через них, сопротивление этих дросселей увеличится, а, следовательно, давление на выходных участках каналов подвода и в микрокарманах будет уменьшаться Это приведет к уменьшению осредненного давления между уплотнительными кольцами 1 и 3 и, как следствие, к уменьшению уплотнительного зазора, т е это дает возможность удерживать оптимальную величину уплотнительного зазора в широком диапазоне окружных скоростей валов турбомашины Дальнейшее увеличение скорости вращения вала может привести, из-за слишком большого падения давления на дроссельных участках 7, к неустойчивому течению рабочей среды в уплотнительном зазоре между кольцами 1 и 3 Поэтому в одном или нескольких каналах подвода в каждой или в нескольких равномерно распределенных по окружности секциях устанавливаются перепускные клапаны 8 При определенной разности между давлением в полости В и на входе в микрокарманы, эти клапаны 8 открываются, увеличивая поступление рабочей среды в микрокарманы, что обеспечивает дальнейшую устойчивую работу уплотнительного узла 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 и поддержания номинального рабочего зазора между уплотнительными кольцами в широком диапазоне частот вращения, а также в обеспечении его уплотняющей способности при невращающемся вале, т е в расширении области применения уплотнения, а также в возможности широкого промышленного применения в качестве концевых уплотнительных узлов центробежных компрессоров, перекачивающих агрессивные, взрывоопасные, токсичные и другие газы г" 8 І L 9 [ L 'ІИф 9Q21Z 27385 б) 5) Фиг. 4 S' D s-s SQUZ 27385 2 1 / \ Ш 7 , / кх> < K/OOOCKX. Фиг. 6 Фиг. 7 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2 - 5 7 - 0 3