Уплотнение вала компрессора

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована для герметизации вращающихся валов в конструкциях центробежных компрессоров (ЦБК), в частности в системах уплотнений газоперекачивающих агрегатов.
Известна система уплотнений вала компрессора (патент РФ № 2254677, опубл. 27.06.2015, МПК F04D 29/10), включающая установленные на концах вала подшипники и концевые уплотнения, в каждое из которых входят последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, узел торцовых газодинамических уплотнений и узел барьерных уплотнений. При этом перед барьерным уплотнением устанавливается маслоотбойник, дополнительно отсекающий концевое уплотнение от подшипника.
Из описания полезной модели по патенту №96194, МПК F04D 29/10, опубл. 20.07.2010, известна система уплотнений вала компрессора, включающая установленные на концах вала подшипники и концевые уплотнения, в каждое из которых входят последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, узел торцовых газодинамических уплотнений, включающий канал подвода уплотняющего газа и каналы отвода утечки, и узел барьерных уплотнений, включающий канал подвода барьерного газа (принят за прототип).
Недостатком известных решений является большой расход уплотняющего газа, необходимый для нормальной работы торцовых газодинамических уплотнений.
Для исключения проскока в торцовое газодинамическое уплотнение через зазор лабиринтного уплотнения жидкой фазы и мехпримесей из проточной части ЦБК расход уплотняющего газа должен быть таким, чтобы обеспечивалась скорость уплотняющего газа в зазоре лабиринтного уплотнения не менее 10 м/с. В лабиринтном уплотнении для предотвращения контакта поверхностей радиальный зазор обычно составляет 0,3…0,5 мм.
3
3
3
3
Например, в ЦБК средней мощностью 16 МВт с уплотняемым давлением 5,2 МПа, диаметром вала 180 мм и радиальным зазором щели лабиринтного уплотнения 0,35 мм, необходимый расход уплотняющего газа на одну сторону ЦБК составляет не менее 500 нм³/ч, на две стороны ЦБК 1000 нм³/ч при величине протечки через одно торцовое газодинамическое уплотнение не более 6 нм/ч, через два - 12 нм/ч. Как правило, уплотняющий газ берется с нагнетания ЦБК, т.е. производительность ЦБК при номинальной производительности порядка 1185000 нм/ч уменьшается на величину расхода уплотняющего газа - на 1000 нм/ч, что составляет 0,084% от номинальной производительности (уменьшается КПД ЦБК).
В основе технического решения на полезную модель является задача повышения эффективности работы системы уплотнений вала компрессора за счет снижения расхода уплотняющего газа при обеспечении сохранения условий нормальной работы узла торцовых газодинамических уплотнений.
Из справочника «Уплотнения и уплотнительная техника» под общей редакцией А.И. Голубева и Л.А. Кондакова, Москва «Машиностроение» 1986, раздел «Щелевые уплотнения» и из описания изобретений по АС 922387 МПК F16J 15/453 «Плавающее уплотнительное кольцо щелевого уплотнения», опубл. 23.04.82. Бюллетень №15 и по патенту №2105216 МПК F16J 15/44, F04D 29/12 «Плавающее уплотнительное кольцо щелевого уплотнения», опубл. 20.02.1998 известно щелевое уплотнение с невращающимся плавающим (подвижном в радиальном направлении) уплотнительным кольцом, самоцентрирующимся за счет наличия на его внутренней (несущей) поверхности со стороны подвода уплотняющего газа размещенных по окружности микроканавок в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа.
Достоинствами известного щелевого уплотнения с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом является:
1) обеспечение в несколько раз меньшего чем в лабиринтном уплотнении радиального зазора между поверхностью вала и внутренней поверхностью невращающегося плавающего уплотнительного кольца, так как плавающее невращающееся кольцо, имеющее подвижность в радиальном направлении, обеспечивает компенсацию несоосности и биений вала относительно корпусных деталей. С учетом свободной в радиальном направлении установки плавающего кольца, радиальный зазор уменьшается до минимума, определяемого технологическими соображениями (обычно 0,05÷0,1 мм);
2) исключение контактирования внутренней поверхности плавающего уплотнительного кольца с валом (плавающее уплотнительное кольцо выполнено самоцентрирующимся). На внутренней (несущей) поверхности плавающего уплотнительного кольца со стороны подвода уплотняющего газа по окружности имеются микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа. При вращении вала за счет микроканавок возникает газодинамическая составляющая несущей способности и кольцо всплывает над поверхностью вала (самоцентрируется относительно поверхности вала), тем самым исключая контактирование кольца с валом (уменьшается износ кольца при работе).
Технический результат предлагаемой полезной модели - снижение расхода уплотняющего газа достигается тем, что уплотнение вала компрессора, содержит последовательно расположенные от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, узел торцовых газодинамических уплотнений, включающий канал подвода уплотняющего газа, каналы отвода утечек и узел барьерных уплотнений с каналом подвода барьерного газа, между лабиринтным уплотнением и торцовым газодинамическим уплотнением установлено известное щелевое уплотнение с невращающимся плавающим самоцентрирующимся уплотнительным кольцом, причем канал подвода уплотняющего газа размещен между щелевым уплотнением и торцовым газодинамическим уплотнением.
3
Использование такого уплотнения позволит снизить необходимый расход уплотняющего газа в 4-6 раз при соблюдении условий обеспечения скорости уплотняющего газа в щели не менее 10 м/с. Касательно приведенного выше примера расход уплотняющего газа снизится до 150 ÷ 250 нм/ч. Кроме этого, также в 4÷6 раз уменьшаются затраты на подготовку (подогрев, сепарацию и очистку) уплотняющего газа.
На фиг.1 показано устройство уплотнения одного из концов вала компрессора. В состав уплотнения вала входят последовательно расположенные от рабочего колеса 4 компрессора 1 к подшипникам 2 лабиринтное уплотнение 5, торцовое газодинамическое уплотнение 6, включающее канал подвода уплотняющего газа 10 и каналы отвода утечки 11, барьерное уплотнение 7 с каналом подвода барьерного газа 12. Между лабиринтным уплотнением 5 и торцовым газодинамическим уплотнением 6 с каналом подвода уплотняющего газа 10 установлено щелевое уплотнение 8 с зафиксированным от проворота плавающим самоцентрирующимся уплотнительным кольцом 9, имеющим на внутренней (несущей) поверхности со стороны подвода уплотняющего газа, микроканавки 13 в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа 10.
Описание работы устройства
Уплотняющий газ с давлением, превышающим давление уплотняемого газа в компрессоре, подается в канал 10. Далее часть его поступает в торцовое газодинамическое уплотнение 6, где в виде протечек через уплотнительные ступени отводится через каналы 11, а часть поступает в компрессор через щелевое уплотнение 8 с плавающим кольцом 9 и лабиринтное уплотнение 5. При этом величина расхода уплотняющего газа обеспечивается из условия создания скорости уплотняющего газа в щели, образованной внутренней (несущей) поверхностью кольца 9 и поверхностью вала не менее 10 м/с. При вращении вала, за счет микроканавок 13, создается газодинамическая подъёмная сила, которая воздействует на кольцо, заставляя его «всплывать» относительно поверхности вала, исключая их взаимный контакт.