ТАНДЕМНОЕ УПЛОТНЕНИЕ С АКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ЗАЗОРОВ
TANDEM SEALING WITH ACTIVE ELECTROMAGNETIC GAP ADJUSTMENT

Изобретение относится к области концевых уплотнений, в частности к уплотнению роторов для предотвращения утечки рабочей среды из корпусов сжатия центробежных компрессоров и насосов в окружающее пространство, и может использоваться в центробежных компрессорных машинах для обеспечения долговечности узлов уплотнения, следовательно, для повышения надежности работы компрессора.
1
Известно уплотнение для предотвращения утечек сжимаемого газа, в котором упорный диск образует с невращающимся графитовым кольцом торцовую уплотнительную щель (Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М: Машиностроение. 1995, стр.146). Область высокого давления отделяется резиновым уплотнительным кольцом О-образного сечения. Прижатие колец друг к другу обеспечивается пружинами. На диске выполнены спиральные канавки глубиной 5-6 мкм, с малым углом β на наружном диаметре. При вращении на тыльных стенках канавок возникают аэродинамические силы, которые захватывают очищенный затворный газ из полости Б с давлением и перемещают его к центру, преодолевая центробежные силы и сопротивления трения. Газодинамическое давление в канавках возрастает до некоторого значения и образует зазор (3-5 мкм) между вращающимся и невращающимся кольцами. Упорный диск изготавливается из высоколегированной стали с твердосплавным покрытием на основе карбида вольфрама. Спиральные канавки изготавливаются физико-химическим методом, ионным травлением. Кольцо изготавливают из графита со специальной пропиткой.
Техническими недостатками данного уплотнения являются:
- отсутствие гарантированного зазора между кольцами во время начала вращения, а следовательно, присутствие кратковременного трения между ними, что приводит к износу;
- высокие требования, предъявляемые к материалам и технологии выполнения спиральных канавок на упорном диске;
- увеличение величины утечки затворного газа через уплотнение в случае загрязнения затворного газа, к газовой подъемной силе, обеспечивающей зазор в паре уплотнения, добавляются гидравлические силы от присутствия примесей в газе.
Известно также устройство для регулирования зазора в торцовых уплотнениях (патент RU №2176044 от 20.11.2001 г.), которое содержит вращающееся кольцо, установленное на роторе, невращающееся кольцо, установленное в корпусе, датчик для измерения зазора между невращающимся и вращающимся кольцами, якорь электромагнитной системы, электромагниты, регулятор токов электромагнитов и блок задания требуемого зазора. Работа известного устройства заключается в активном регулировании зазора между вращающимся и невращающимся кольцами с помощью системы автоматического регулирования, образованной датчиком зазора, электромагнитами и регулятором токов.
Недостатком известного устройства является недостаточная надежность уплотнения в случае выхода из строя пары уплотнения, а также сложность обеспечения микрозазоров (5-7 мкм) в уплотняемой паре при осевых перемещениях и биениях вращающегося диска, обуславливаемых температурными и изгибными колебаниями ротора компрессора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание уплотнения, устраняющего указанные недостатки данного известного устройства.
Данный технический результат достигается за счет применения в уплотнении сдвоенной (тандемной) системы активного электромагнитного регулирования зазора в уплотняемой паре. Тандемное уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазоров содержит корпус, установленное на валу упорное кольцо и подпружиненные к нему с двух сторон подвижные в осевом направлении кольца, образующие с упорным кольцом пары уплотнений, систему активного электромагнитного регулирования зазоров, включающую по меньшей мере по одному контуру регулирования каждого из зазоров между упорным и подвижными кольцами, каждый указанный контур включает датчик зазора и электромагнит, в каждом контуре регулирования датчик зазора связан с обмоткой электромагнита через усилитель сигнала, причем статор каждого электромагнита соединен с корпусом, подвижное кольцо каждой пары уплотнений соединено с подвижным ярмом соответствующего электромагнита и с подвижной частью соответствующего датчика зазора между этим подвижным ярмом и корпусом.
Дополнительно конструкция неподвижной части каждого датчика зазора может быть выполнена с возможностью измерения в осевом направлении зазора между упорным диском и корпусом.
Предлагаемое уплотнение показано на чертеже.
Уплотнение тандемного типа содержит вращающееся упорное кольцо 2, насаженное на вал 1, и невращающиеся подвижные в осевом направлении кольца 3, 4. Последние имеют возможность перемещаться в необходимых пределах за счет притяжения установленных по обе стороны от упорного кольца 2 электромагнитов, каждый из которых образован подвижным ярмом 10 и статором 7 с обмотками 11, которые расположены в неподвижном корпусе 12 уплотнения и являются исполнительными устройствами контура системы активного электромагнитного регулирования зазоров. Подвижное кольцо 3 или 4 конструктивно совмещено с подвижным ярмом 10 соответствующего электромагнита и с ротором соответствующего датчика 8 зазора между подвижным ярмом 10 и корпусом 12 уплотнения.
Чувствительным элементом каждого контура системы активного электромагнитного регулирования зазора является датчик 8 зазора. В контурах системы автоматического электромагнитного регулирования зазоров предусмотрены усилители 9, преобразующие сигналы датчиков 8 в токи электромагнитов, автоматически поддерживающие заданные зазоры (5-7 мкм), что обеспечивается соответствующей настройкой контуров. Усилители 9 конструктивно выполнены каждый в виде электронного блока управления, размещаемого вне конструкции уплотнения.
В предлагаемом уплотнении применены датчики 8 зазоров, измеряющие в осевом направлении зазоры между торцами упорного кольца 2 и корпусом 12 уплотнения, а также между корпусом 12 уплотнения и торцами подвижных ярм 10. Наличие информационных сигналов о вышеуказанных зазорах позволяет предусмотреть в системе активного электромагнитного регулирования возможность введения корректирующих управлений при тепловых и вибрационных осевых перемещениях упорного диска. В общем случае система активного электромагнитного регулирования зазоров может содержать более одного контура регулирования с каждой стороны уплотнения, при этом может обеспечиваться параллельность стабилизации каждого из невращающихся подвижных колец относительно вращающегося упорного кольца.
При выключении системы активного электромагнитного регулирования зазоров невращающиеся кольца 3 и 4 прижимаются к упорному диску 2 с помощью пружин 5 и 6, чем обеспечивается запирание области высокого давления машины в стояночных режимах.
Уплотнение работает следующим образом. Перед запуском компрессора в работу включается система активного электромагнитного регулирования зазора и подается в область высокого давления затворный газ. При этом активизируются контуры системы, и электромагниты притягивают подвижные кольца 3 и 4, образуя с упорным кольцом 2 заданные настройкой зазоры. Чистый затворный газ, подаваемый в уплотнение, проходит через первую ступень уплотнения и идет на факел по линии утечек после первого каскада. Оставшийся затворный газ проходит через вторую ступень уплотнения и выбрасывается в атмосферу. Контуры системы активного электромагнитного регулирования зазора обеспечивают стабилизацию зазоров, осуществляя необходимое изменение токов электромагнитов и, следовательно, сил притяжения при отклонениях сигналов датчиков 8 зазоров от заданного значения.
Таким образом, предлагаемое тандемное уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазоров существенно уменьшает утечку рабочего газа из области высокого давления машины при зазоре 5-7 мкм в каждой паре уплотнения и обеспечивает при этом характеристики, сравнимые с характеристиками известных сухих газодинамических уплотнений. При этом достигается поставленная задача, а именно:
- исключается возможность возникновения сухого трения при вращении, а следовательно, износа элементов пар уплотнения, что приводит к увеличению ресурса и надежности работы уплотнения;
- при изготовлении не требуется применения сложных технологий (получение спиральных канавок на упорном диске), дорогостоящих материалов и оборудования;
- загрязнение затворного газа не приводит к изменению характеристик уплотнения, т.к. требуемая для работы уплотнения величина зазора может изменяться за счет введения корректирующей обратной связи по величине расхода газа в линиях утечек газа;
- двойной контур системы уплотнения обеспечивает надежную работу уплотнения в случае выхода из строя одной из ступеней пары трения.