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.
Недостатком известного решения является большой расход уплотняющего газа, необходимый для нормальной работы торцовых газодинамических уплотнений
Известна система уплотнений вала компрессора (патент №96194, МПК F04D 29/10, опубл. 20.07.2010), 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 известной системы является большой расход уплотняющего газа. В лабиринтном уплотнении для предотвращения контакта поверхностей радиальный зазор, образованный поверхностями гребней лабиринтного уплотнения и вала, должен превышать несоосность и биения вала относительно корпусной детали. Обычно радиальный зазор составляет (0,3…0,5) мм.
Для исключения проскока в торцовое газодинамическое уплотнение через зазор лабиринтного уплотнения жидкой фазы и мехпримесей из проточной части ЦБК расходу плотняющего 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
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 нм/ч, на две стороны ЦБК 1000 нм/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.
Недостатком известного щелевого уплотнения с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом, подвижным в радиальном направлении, обеспечивающем компенсации несоосности и биений вала относительно корпусных деталей является то, что за счет выполнения плавающего уплотнительного кольца в цельном виде минимальный обеспечиваемый технологическими соображениями радиальный зазор обычно составляет (0,05-0,1) мм.
Технический результат предлагаемой полезной модели - снижение расхода уплотняющего газа достигается тем, что уплотнение вала компрессора, содержащее последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, торцовое газодинамическое уплотнение, включающее канал подвода уплотняющего газа и каналы отвода утечек, барьерное уплотнение с каналом подвода барьерного газа, при этом между лабиринтным и торцовым газодинамическим уплотнениями установлено щелевое уплотнение с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом, состоящим из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной сегментов, выполненных с возможностью плотного прилегания к поверхности невращающегося вала компрессора и имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа, причем канал подвода уплотняющего газа размещен между щелевым уплотнением и торцовым газодинамическим уплотнением.
В полезной модели применено известно щелевое уплотнение с невращающимся плавающим (подвижном в радиальном направлении) уплотнительным кольцом, выполненным из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной сегментов, имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа (каталог конструкций 15.1, Бургманн, уплотнения CSR)
Достоинством известного щелевого уплотнения с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом, выполненным из отдельных, стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной минимум трех сегментов, имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа, является следующее:
1) плавающее невращающееся уплотнительное кольцо, имеющее подвижность в радиальном направлении, обеспечивает компенсацию несоосности и биений вала относительно корпусных деталей, и радиальный зазор щели может быть уменьшен до минимума, определяемого технологическими соображениями;
2) плавающее невращающееся уплотнительное кольцо, выполненное из отдельных минимум трех сегментов, стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной из-за возможности наличия зазора в стыках сегментов, позволяет выполнить сегменты с полным прилеганием внутренней (рабочей) поверхности к поверхности вала (радиальный зазор 0 мкм);
3) наличие на внутренней (рабочей) поверхности сегментов по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавок в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа, исключает при вращении вала контактирование внутренней рабочей поверхности сегментов с поверхностью вала за счет возникновения при вращении вала газодинамической силы, действующей в радиальном направлении на внутреннюю поверхность сегментов, и сегменты всплывают над поверхностью вала образуя радиальный зазор (3-7 мкм).
Полезная модель представлена на чертежах
фиг.1 - общий вид уплотнения одного из концов вала компрессора;
фиг.2 - вид плавающего уплотнительного кольца щелевого уплотнения в разрезе.
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 7 и каналы отвода утечки 8, барьерное уплотнение 9 с каналом подвода барьерного газа 10. Между лабиринтным уплотнением 5 и торцовым газодинамическим уплотнением 6 с каналом подвода уплотняющего газа 7 установлено щелевое уплотнение 11 с плавающим уплотнительным кольцом 12, выполненным из зафиксированных от проворота штифтами 18 отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной 14 минимум трех сегментов 15, имеющих на внутренней рабочей поверхности со стороны подвода уплотняющего газа 7 по окружности, микроканавки 16 в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа 7. Внутренний диаметр кольца 12 равен диаметру вала 1 в месте нахождения кольца 12 (в сечении А-А). При этом между торцовыми поверхностями мест стыковки сегментов друг к другу выполнены зазоры 17.
3
Использование уплотнения по заявляемой полезной модели позволяет снизить необходимый расход уплотняющего газа более чем в 10 раз при соблюдении условий обеспечения скорости уплотняющего газа в щели не менее 10 м/с. Касательно приведенного выше примера расход уплотняющего газа снизится до (50 ÷ 100) нм/ч. Кроме этого, также более чем в 10 раз уменьшаются затраты на подготовку (подогрев и очистку) уплотняющего газа.
Описание работы устройства
Уплотняющий газ с давлением, превышающим давление уплотняемого газа в компрессоре, подается в канал 7. Далее часть его поступает в торцовое газодинамическое уплотнение 6, где в виде протечек через уплотнительные ступени отводится через каналы 8, а часть поступает в компрессор через щелевое уплотнение 11 с плавающим кольцом 12, выполненным из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной 14 минимум трех сегментов 15, и лабиринтное уплотнение 5.
При невращающемся вале (стоянке компрессора) внутренние рабочие поверхности сегментов за счет усилия браслетной пружины 14 и силы, возникающей от давления уплотняющего газа на наружные поверхности сегментов, плотно прижаты к поверхности вала 1. Радиальный зазор между поверхностью вала 1 и внутренними рабочими поверхностями сегментов 15, образующих кольцо 12 равен 0 и протечка уплотняющего газа в сторону лабиринтного уплотнения 5 осуществляется только через зазоры 17 в стыках между сегментами 15.
При вращении вала, за счет микроканавок 16, возникает газодинамическая подъемная сила, которая воздействует на сегменты 15 уплотнительного кольца 12, заставляя их «всплывать» над поверхностью вала на 3-7 мкм, исключая их взаимный контакт и образуя кольцевой зазор между поверхностью вала 1 и внутренними поверхностями сегментов 15. При этом величина расхода уплотняющего газа обеспечивается из условия создания скорости уплотняющего газа не менее 10 м/с в зазоре, образованном внутренними рабочими поверхностями стянутых вместе браслетной пружиной 14 отдельных сегментов 15 кольца 12 и поверхностью вала 1, а также в зазорах по стыкам 17.