ЛАБИРИНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ КОРПУСА КОМПРЕССОРА
LABYRINTH PACKING OF COMPRESSOR CASE

Изобретение относится к области общего машиностроения и может быть использовано при проектировании компрессорной техники, а именно при разработке узлов бесконтактных лабиринтных уплотнений.
Созданию бесконтактных лабиринтных уплотнений в книге В.Б.Шнеппа "Конструкция и расчет центробежных машин" издательства "Машиностроение" 1995 г., УДК 621.515, посвящен раздел 3.5, стр.129-132, в котором раскрыт механизм работы лабиринтных уплотнений, приводятся расчеты и сделаны рекомендации по выбору их параметров, а также рассмотрены различные варианты конструктивного исполнения уплотнений с указанием их достоинств и недостатков. Как показано в книге, действие бесконтактных лабиринтных уплотнений основано на торможении потока утечки газа, перетекающего из области с повышенным давлением в область с более низким давлением. В лабиринте газ поочередно то увеличивает скорость в щелях, то теряет эту скорость почти до нуля в камерах. Газ, проходя последовательно через многократно повторяющиеся участки сужения и расширения лабиринта, теряет свою энергию, затормаживается, уменьшая давление и скорость. Как показал расчет и опыт, наиболее удачными конструктивными исполнениями лабиринтов являются соты в качестве камер расширения вместо канавок потому, что в сотовых ячейках происходит более полная потеря энергии протекающего газа, однако применение сотовых лабиринтов ограничено в связи с их высокой трудоемкостью и стоимостью.
Известно аэродинамическое лабиринтно-винтовое уплотнение, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности статора и ротора, на поверхностях которых выполнены резьбовые канавки, причем указанные канавки статора и ротора имеют противоположное направление (см. патент RU 2193698, опубликован 27.11.2002).
Наиболее близким аналогом является лабиринтно-винтовое уплотнение компрессора, содержащее статор и ротор, на валу ротора с натягом установлена цилиндрическая втулка и закрепленная с возможностью регулировки радиальных зазоров, на поверхности статора закреплена ответная втулка, при этом на обращенных друг к другу поверхностях втулок, роторной и статорной, выполнены резьбовые канавки одного направления (см. патент RU 34677, опубликован 10.12.2003).
Недостатком известных устройств является значительная потеря рабочего газа, протекающего через уплотнение, которая составляет до 9% производительности корпуса сжатия.
Техническим результатом предложенного устройства является уменьшение потерь рабочего газа, перетекающего через уплотнение.
Этот технический результат достигается благодаря тому, что лабиринтное уплотнение корпуса компрессора содержит в месте стыка ротора с корпусом конусную втулку, скрепленную с ротором и обращенную конусной поверхностью с выполненными на ней канавками к сопрягаемой конусной поверхности ответной втулки, установленной в корпусе с возможностью ее перемещения вдоль оси ротора и ее фиксации в требуемом положении, при этом канавки на конической поверхности втулки ротора имеют форму спиралей, оси которых совпадают с осью конуса, а касательная к любой точке каждой спирали образует с направлением ее перемещения при вращении ротора острый угол при виде в плане, каждая спиральная канавка входит в зоне малого диаметра конуса в кольцевую сбеговую канавку, а по большому диаметру - выходит на торец втулки, при этом конус втулки ротора своей вершиной обращен в сторону полости пониженного давления, а на конической поверхности ответной втулки выполнен ряд кольцевых канавок.
Сущность предложенного устройства представлена на фиг.1-7.
На фиг.1 показан общий вид корпуса сжатия с частичным вырывом и обозначенным выносным элементом А узлом лабиринтного уплотнения.
На фиг.2 показан узел лабиринтного уплотнения (вынос А на фиг.1).
На фиг.3 показаны канавки втулок (вынос Ж на фиг.2).
На фиг.4 показан разрез И-И на фиг.3.
На фиг.5 показаны кольцевые канавки втулки корпуса (разрез Б-Б на фиг.2).
На фиг.6 показаны спиральные канавки втулки ротора (разрез В-В на фиг.2).
На фиг.7 показаны детали узла лабиринтного уплотнения в аксонометрическом изображении.
а
б
Лабиринтное уплотнение устанавливается в месте стыка ротора 2 с корпусом 1 (выносной элемент А, фиг.1) и содержит конусную втулку 3, скрепленную с ротором 2 и обращенную конусной поверхностью Д к сопрягаемой конусной поверхности Е ответной втулки 5, установленной в корпусе 1. Втулка 5 связана с корпусом 1 через регулирующее кольцо 6 и фиксируется в требуемом положении крепежными деталями 7. Герметизация стыка втулки 5 с корпусом 1 обеспечивается уплотнительными кольцами 8, размещенными в кольцевых гнездах, выполненных на цилиндрической поверхности ответной втулки 5 (фиг.2, 7). На конической поверхности Д втулки 3 выполнены канавки 4 в виде спиралей, оси которых совпадают с осью конуса, а касательная "" к любой точке Г каждой спирали образует с направлением ее перемещения "", при вращении ротора 2, острый угол α, при виде в плане (фиг.6). Каждая спиральная канавка 4 конусной втулки 3 входит в зоне малого диаметра конуса в кольцевую "глухую" сбеговую канавку 9, а по большому диаметру выходит на торец К втулки 3, причем конус втулки 3 своей вершиной обращен в сторону полости пониженного давления Р (фиг.2). На конической поверхности Е втулки 5, установленной в корпусе 1, выполнен ряд кольцевых канавок 10.
Устройство работает следующим образом. Перед пуском установки производят сборку лабиринтного уплотнения в следующей последовательности.
1. Устанавливают конусную втулку 3 на ротор 2, например, напрессовкой.
2. Устанавливают конусную втулку 5 в корпус 1, например в крышку, предварительно установив в кольцевые гнезда втулки 5 уплотнительные кольца 8 и регулирующее кольцо 6 в расточку крышки корпуса 1 с заведомо увеличенной толщиной h кольца 6 (фиг.2).
3. Закрепляют втулку 5 с крышкой корпуса 1 крепежными деталями 7.
4. Производят замер фактического кольцевого зазора S между втулками 3 и 5.
5. Производят демонтаж втулки 5 и осуществляют доработку кольца 6 по размеру h для обеспечения требуемого зазора S.
6. Производят окончательную сборку втулки 5.
1
1
б
г
При работе компрессора перед лабиринтным уплотнением возникает повышенное давление (P>P) (фиг.2), при этом из зоны повышенного давления P через лабиринт устремляется рабочий газ, который проходит последовательно через сужающие каналы высотой S (зазор между втулками 3 и 5) и полости кольцевых канавок 10 (фиг.3), при этом постепенно теряя свою энергию, а следовательно, скорость и давление. Одновременно часть газа попадает в полости спиральных канавок 4, которые во время работы компрессора вращаются вокруг оси ротора 2. Рабочий газ под действием центробежных сил и составляющей силы от наклона спирали на угол α от направления "" (фиг.6) отклоняется по направлению "" в сторону большого диаметра конусной втулки 3, при этом в кольцевом зазоре S по малому диаметру втулки 3 давление рабочего газа уменьшается, а следовательно, уменьшается перепад давления относительно полости низкого давления Р, что способствует уменьшению утечек газа через уплотнение.
Приведенные в устройстве отличительные признаки обусловлены следующими соображениями.
г
1. В части ориентации спиральных канавок 4 на конусной втулке 3. Рабочий газ, попадая из кольцевого зазора S в полость спиральной канавки 4, меняет свое направление на сравнительно небольшую величину - острый угол α (направление ""), изменение направления струи происходит плавно, при этом сила торможения газа незначительна и не приводит к значительным потерям мощности на валу.
2. Изменение направления струи рабочего газа за счет указанного наклона α спиральных канавок 4 в сочетании с центробежной силой отбрасывает рабочий газ в канавках 4 за кромку К втулки 3, создавая при этом пониженное давление в зоне сбеговой канавки 9.
1
3. Предусмотренная в устройстве сбеговая канавка 9 отсекает выход спиральных канавок 4 в полость пониженного давления Р, тем самым препятствует подсосу газа из полости пониженного давления Р в полость с повышенным давлением P.
Таким образом, выполнение лабиринтного уплотнения корпуса компрессора из двух втулок с сообщенными конусными поверхностями, на которых выполнены кольцевые и спиральные канавки, обеспечивает уменьшение потерь протекающего через него рабочего газа путем снижения скорости поступающего в уплотнение рабочего газа, понижения его энергии и давления, устраняя возможность прохода рабочего газа из зоны с большим давлением в зону с меньшим давлением.