СИСТЕМА С ГАЗОВЫМ УПЛОТНЕНИЕМ
SYSTEM WITH GAS SEAL

Изобретение относится к системе с газовым уплотнением, статором и проходящим вдоль оси ротором для уплотнения уплотнительного зазора между ротором и статором, включающее в себя вращающееся уплотнительное кольцо ротора и неподвижное уплотнительное кольцо статора, кроме того, включающее в себя вращающийся крепежный элемент, который фиксирует уплотнительное кольцо ротора на роторе в осевом направлении.
Газовые уплотнения являются предпочтительными в виде уплотнения для лопастных машин, в частности компрессоров, которые выполнены в виде турбомашин, при более высоком давлении вследствие сравнительно низкой негерметичности. Например, по сравнению с обычными лабиринтным уплотнением меньшая на порядок негерметичность сухого газового уплотнения создает условия для существенного увеличения коэффициента полезного действия соответствующей турбомашины.
По сравнению с имеющими относительно простую конструкцию лабиринтными уплотнениями современные сухие газовые уплотнения являются сравнительно требовательными с точки зрения условий эксплуатации. Для надежной эксплуатации необходим соответствующим образом подготовленный и очищенный уплотняющий газ. Кроме того, сухие газовые уплотнения для надежной эксплуатации зависят от определенного минимального числа оборотов.
Как правило, в упомянутых вначале газовых уплотнениях вращающееся уплотнительное кольцо ротора и неподвижное уплотнительное кольцо статора обращены друг к другу на проходящей в радиальном направлении плоскости уплотнения в каждом случае уплотнительной поверхностью на уплотнительных кольцах. Для того чтобы принцип уплотнения мог успешно осуществляться, необходимым является то, что уплотнительные поверхности обоих уплотнительных колец точно сработаны и выровнены относительно друг друга, так что при воспроизводимых условиях эксплуатации пленка скольжения уплотняющего газа образовывается между уплотнительными поверхностями, и в соответствии с этим уплотнения могут работать без контакта друг с другом. Как правило, высокие требования точности при всех возможных условиях эксплуатации достигаются только при помощи специального выбора материала. Ввиду этого вращающееся и неподвижное уплотнительное кольцо обычно не выполнены за одно целое с ротором и соответственно статором, причем, как правило, неподвижное уплотнительное кольцо статора также упруго натянуто по сравнению с вращающимся уплотнительным кольцом ротора. Вращающееся уплотнительное кольцо ротора зафиксировано на роторе, для того чтобы не доходило до неконтролируемых относительных движений, в частности в осевом направлении. В обычных уплотнительных системах зачастую доходит до истирания материала в месте осевого контакта между вращающимся уплотнительным кольцом ротора и соответствующим выступом осевого контакта ротора, так как обычные системы делают возможным осевое относительное движение.
Официальное извещение немецкого ведомства по патентам и товарным знакам на обоснованную приоритетом первоначальную заявку DE 10 2012 215887 цитирует документы: DE 69 04 740 U, DE 41 19 768 A1, DE 102010041 208 A1. DE 10 2012 215887 показывает совместное осевое крепление и уплотнение скользящего кольца на роторе. DE 41 19 768 A1 показывает газовое уплотнение с двумя разнонаправленными спиральными пазами, причем скользящее кольцо, будучи упруго подпружинено, вращается с валом, а относящееся к нему ответное кольцо выполнено неподвижным. DE 102010041 208 A1 занимается неподвижным уплотнительным элементом. Исходя из этого, решение, которое предотвращает истирание материала, до сих пор ни известно, ни реализовано.
Поэтому изобретение поставило перед собой задачу вращающееся уплотнительное кольцо ротора упомянутого вначале газового уплотнения фиксировать на роторе против возмущений в осевом направлении таким образом, что истирания материала не может происходить.
Для решения соответствующей изобретению задачи предлагается упомянутая вначале, соответствующая типу система, которая усовершенствована признаками отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Все упоминания направлений, как, например осевое, радиальное, окружное направление или касательное направление, относятся - если это не указано иначе - к указанной в пункте 1 формулы изобретения оси ротора.
Соответствующий изобретению крепежный элемент обеспечивает надежную осевую фиксацию вращающегося уплотнительного кольца ротора на роторе. При этом под ротором подразумевается не только исключительно сплошной цельный вал, но и также подразумеваются вращающиеся составные элементы, например уплотнительного модуля, которые предпочтительно наподобие втулки могут надеваться на ротор и там фиксироваться в осевом направлении.
Наибольшим преимуществом изобретения является крайне простой согласно изобретению монтаж вращающегося уплотнительного кольца ротора на роторе посредством упругой радиальной деформации крепежного элемента, так что могут создаваться условия для монтажа даже без инструмента. Кроме того, монтаж вращающегося уплотнительного кольца ротора на роторе является обратимым. Одновременно постоянное, радиальное и осевое натяжение вращающегося уплотнительного кольца ротора на роторе обеспечивает радиальное выравнивание вращающегося уплотнительного кольца ротора относительно ротора. Кроме того, возможные возмущения из ротора на уплотнительное кольцо ротора гасятся крепежным элементом за счет пружинящего действия.
Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает то, что деформация крепежного элемента происходит не пластично, а предпочтительно упруго. При этом предпочтительным является то, что деформация крепежного элемента происходит исключительно в области упругой деформации материала крепежного элемента.
Наиболее целесообразно крепежный элемент проходит по всей окружности ротора или вращающегося уплотнительного элемента, так что предотвращаются возможные асимметричности, а также не может возникать дисбаланс.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления крепежный элемент выполнен в виде спирального кольца. Эксперименты показали, что выполненная в виде спирали пружина лучше всего удовлетворяет требованиям к способности радиальной деформации. Спираль крепежного элемента предпочтительно состоит из плоского профиля и наиболее предпочтительно выполнена из стали, в частности из высококачественной стали. Для применений, при которых оказывают влияние агрессивные газы, в частности сероводород, целесообразно, если материал крепежного элемента обладает стойкостью против кислого (кислотного) газа.
Принципиально является целесообразным, если углубления на роторе и на вращающемся уплотнительном кольце ротора проходят по всей окружности так же, как и крепежный элемент, который частично расположен в этих углублениях и скрепляет вращающееся уплотнительное кольцо ротора с ротором наподобие комбинированного геометрического замыкания и клеммового соединения. Предпочтительно система выполнена таким образом, что она включает в себя неподвижный, побочный, уплотнительный элемент, который уплотняет вращающееся уплотнительное кольцо ротора по направлению к ротору на выступе ротора, причем побочный уплотнительный элемент оказывает на вращающееся уплотнительное кольцо ротора осевое усилие предварительного натяжения. При этом целесообразно, если это осевое усилие предварительного натяжения побочного уплотнительного элемента противодействует возвратному усилию, возникающему из упругой деформации крепежного элемента, причем возвратное усилие крепежного элемента против осевого относительного перемещения вращающегося уплотнительного кольца ротора из заданного положения больше, чем усилие предварительного натяжения побочного уплотнительного элемента.
Наиболее предпочтительно крепежный элемент рассчитан таким образом, что возвратное усилие, возникающее из упругой деформации крепежного элемента, превышает сумму из осевого усилия предварительного натяжения побочного уплотнительного элемента и инерционного усилия из возмущения уплотнительного кольца ротора из допустимых осевых эксцентриситетов ротора при эксплуатации (то есть при номинальном числе оборотов).
Предпочтительный усовершенствованный вариант предусматривает, что первое углубление и/или второе углубление ограничено/ограничены в осевом направлении с двух сторон в каждом случае посредством радиального выступа, по меньшей мере, на части окружности. Вследствие этого крепежный элемент удерживает уплотнительное кольцо ротора в заданном осевом положении на роторе.
Дополнительно или в частности альтернативно является целесообразным, если крепежный элемент упруго напряжен или деформирован в заданной области расположения вращающегося уплотнительного кольца ротора и самого ротора относительно друг друга, и упругое возвратное усилие прижимает уплотнительное кольцо ротора к выступу вала или отдельным контактным упорам на валу, или роторе, или втулке вала, так что уплотнительное кольцо ротора находится в положении, которое однозначно задано в осевом направлении этим контактом.
Предпочтительно крепежный элемент является единственным элементом закрепления, который закрепляет уплотнительное кольцо ротора при помощи осевого усилия.
Для предотвращения истирания материала является предпочтительным, что крепежный элемент упруго деформирован в радиальном направлении, если вращающееся уплотнительное кольцо ротора и ротор находятся относительно друг друга в заданной области расположения таким образом, что возникающее из упругой деформации нормальное усилие, действующее по нормали на поверхности углублений, дает в итоге результирующее усилие трения между поверхностями и крепежным элементом, которое передает возникающий в процессе эксплуатации крутящий момент с уплотнительного кольца ротора на ротор.
Наиболее предпочтителен вариант осуществления изобретения, в котором крепежный элемент расположен частично в первом углублении и частично во втором углублении таким образом, что осевое относительное движение за пределы заданной области расположения между вращающимся уплотнительным кольцом ротора и ротором возможно только при радиальной деформации крепежного элемента и, таким образом, что при помощи этой радиальной деформации возможен демонтаж уплотнительного кольца ротора с ротора.
Далее изобретение описано более подробно при помощи частного примера осуществления, ссылаясь для наглядности на чертеж. На чертеже:
фиг. 1 показывает схематичное изображение продольного разреза по соответствующей изобретению системе с газовым уплотнением,
фиг. 2 показывает схематичное изображение окружного отрезка соответствующего изобретению крепежного элемента.
Фиг. 1 показывает схематичное изображение продольного разреза по соответствующей изобретению системе с газовым уплотнением GS. Газовое уплотнение GS включает в себя статор S и ротор R. Основными элементами статора S являются: неподвижное уплотнительное кольцо SSR статора, упругий элемент EEL и конструктивный элемент GAS корпуса. Важными элементами ротора R являются: вал SH, опорная втулка CS, гайка SN вала и вращающееся уплотнительное кольцо RSR ротора. Опорная втулка CS проходит вдоль оси X соосно с валом SH и при помощи гайки SN вала зафиксирована в осевом направлении на валу SH, упираясь в не изображенный выступ вала. Уплотнение SO уплотняет остающийся зазор между валом SH и опорной втулкой CS. Опорная втулка CS имеет выступающий в радиальном направлении выступ SD с осевой контактной поверхностью CSF. Осевая контактная поверхность CSF имеет выемку SSD, которая служит для установки неподвижного побочного уплотнительного элемента SSE. Неподвижный побочный уплотнительный элемент SSE прилегает к контактной поверхности SSF вращающегося уплотнительного кольца RSR ротора. Побочный уплотнительный элемент SSE прижимается в осевом направлении контактной поверхностью SFS вращающегося уплотнительного кольца RSR ротора при помощи усилия предварительного натяжения упругого элемента EEL и крепежного элемента FE между опорной втулкой CS и вращающимся уплотнительным элементом RSR. При этом в положении простоя доходит также до осевого контакта между вращающимся уплотнительным кольцом RSR ротора и неподвижным уплотнительным кольцом SSR статора на плоскости SP уплотнения, к которой обращены уплотнительные поверхности SSF вращающегося уплотнительного кольца RSR ротора и неподвижного уплотнительного кольца SSR статора.
Крепежный элемент FE расположен в области зазора GP между опорной втулкой CS ротора R и вращающимся уплотнительным кольцом RSR ротора. Зазор GP имеет радиальную высоту GH зазора. Вращающееся уплотнительное кольцо RSR ротора на радиальной относительно ротора R указывающей вовнутрь поверхности SRS уплотнительного кольца снабжено первым углублением SRD, а на противоположной стороне ротор R или опорная втулка CS снабжена вторым углублением RSD, причем в этих углублениях SRD, RSD крепежный элемент FE расположен в каждом случае в радиальном направлении частично. Углубления SRD, RSD, также как и крепежный элемент FE, проходят в окружном направлении. Во время эксплуатации вращающееся уплотнительное кольцо RSR ротора находится в осевом заданном положении, и из этой заданной области расположения оно может перемещаться посредством осевого относительного движения между вращающимся уплотнительным кольцом RSR ротора и опорной втулкой CS или оставшейся частью ротора R только при радиальной деформации крепежного элемента FE за счет его в каждом случае частичного, радиального расположения в углублениях SRD или RSD. Эта деформация крепежного элемента FE происходит исключительно упруго при возникновении возвратного усилия BF, направленного соответственно против этого относительного движения, причем радиальные составляющие усилий деформации крепежного элемента FE воспринимаются вращающимся уплотнительным кольцом RSR ротора посредством кольцевой формы вращающегося уплотнительного кольца RSR ротора. Углубления согласованы вместе с крепежным элементом FE таким образом, что осевое усилие предварительного натяжения из крепежного элемента FE постоянно напрягает неподвижное побочное уплотнение SSE, будучи противоположным осевому усилию ASF предварительного натяжения из неподвижного побочного уплотнительного элемента SSE.
Фиг. 2 на схематичном изображении показывает окружной отрезок крепежного элемента FE. Крепежный элемент FE выполнен в виде проходящей в окружном направлении спирали из полосовой стали. Материал обладает стойкостью против кислого (кислотного) газа.
Изображенная на фиг. 2 спиральная структура крепежного элемента FE имеет то дополнительное преимущество, что осуществляется не только осевая фиксация вращающегося уплотнительного кольца RSR ротора на роторе R, но и фиксация в окружном направлении. При нагрузке вращающегося уплотнительного кольца RSR ротора крутящим моментом, который подходит для того, чтобы изменять положение в окружном направлении по отношению к ротору R, предварительное натяжение в радиальном направлении на крепежном элементе FE обеспечивает то, что края плоского профиля или края скрученного в спираль профиля из полосовой стали в каждом случае опираются на ротор R и соответственно вращающееся уплотнительное кольцо RSR ротора и таким образом предотвращают относительное движение.