УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов.
Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения, содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное кольцо с нажимными пружинами, а на валу вращающееся уплотнительное кольцо, причем торцовая поверхность последнего снабжена уплотнительным пояском и напорным участком, на котором выполнены напорные канавки (например, в виде ступени Релея) [1].
Недостатком такой конструкции уплотнения вала является сложность обеспечения требуемого минимального уплотнительного зазора при проектировании, что требует экспериментальной отработки каждого нового типоразмера уплотнения. К тому же такие уплотнения проектируются только для одного направления вращения.
Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное кольцо с нажимными пружинами, а на валу вращающееся уплотнительное кольцо, причем торцовая поверхность одного из них снабжена уплотнительным пояском и напорным участком, на котором выполнены напорные канавки с радиусными боковыми стенками [2, 3].
При проектировании возникают затруднения в профилировании напорных канавок уплотнения. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям наибольшую напорность имеют канавки, боковые стенки которых имеют оптимальный входной угол наклона равный α=14°±5° аналогично углу наклона боковых стенок спиральных канавок, которые имеют наибольшую газодинамическую напорность. Однако выбор
формы напорной канавки по одному геометрическому параметру затруднен, что значительно усложняет процесс проектирования и сдерживает широкое промышленное применение таких уплотнений в турбокомпрессорах.
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение надежности и расширение области применения уплотнения вала, за счет обеспечения максимальной напорности и поддержания оптимального рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров, и позволит обеспечить широкое промышленное применение этих уплотнений на турбокомпрессорах.
В предлагаемой конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащее вращающееся и аксиально-подвижное уплотнительное кольцо, причем на периферии торцовой поверхности одного из них выполнены напорные канавки, согласно технического решения боковые стенки которых выполнены по радиусу R, значение которого определяется из неравенства:
уст
а начала этих радиусов R расположены на окружности, диаметр D которой определяется согласно формуле:
причем наименьший диаметр напорного участка определяется из соотношения:
k
1
1
2
D=D-k·(D-D),
где  - коэффициент ширины напорного участка, оптимальное значение которого находится в пределах 0,55÷0,7.
1
2
D и D - наружный и внутренний диаметр рабочей торцовой поверхности уплотнительной пары торцового уплотнения;
0
D - разгрузочный диаметр торцового уплотнения;
k
D - наименьший диаметр напорного участка, на котором выполнены канавки.
Кроме того начала радиусов боковых стенок каждой канавки может быть выполнен не из одной и той же точки установочной окружности, а разнесены между собой на определенный угол φ, величина которого не превышает 10°.
Таким образом, поставленная задача решается следующим путем:
- боковые стенки канавок, выполнение согласно вышеприведенным формулам, имеют оптимальный угол наклона боковой стенки (α=14°±5°), что позволяет обеспечить максимальную динамическую составляющую напорности канавок и, следовательно, устойчивый рабочий зазор в широком диапазоне рабочих параметров;
- выполнение более широким напорного участка (k=0,55...0,7) приводит к повышению как газостатической, так и газодинамической составляющей раскрывающей силы, чем обеспечивается устойчивый уплотнительный зазор в широком диапазоне режимов работы уплотнения;
- выполнение напорных канавок, начала радиусов боковых стенок которых расположены в одной точке установочной окружности, позволит обеспечить их высокую напорность при наиболее простом способе изготовления;
- увеличение угла φ между точками, с которых проводятся радиусы боковых стенок напорных канавок, приведет к увеличению ширины входного участка канавки, а, следовательно, к увеличению количества газа поступающего в канавку, что позволит обеспечить оптимальную величину рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров;
- выполнение симметричных боковых стенок канавок позволяет захватывать одинаковое количество газа как в одном направлении вращения, так и в противоположном, таким образом обеспечивается одинаковая напорность в обоих направлениях вращения вала, что позволяет легко выполнять замену уплотнений (одинаковые кольца для обоих концов вала), а также предотвращает разрушение колец при возможном аварийном вращении вала в противоположную от обычного направления сторону;
- канавка дополнительно имеет, по меньшей мере, одно углубление и/или выступ, контуры которого симметричны боковым стенкам канавки причем начала радиуса боковой стенки внутреннего углубления (выступа) может быть выполнен с одной точки установочной окружности, а точки с которых выполнены радиусы боковых стенок канавок разнесены на определенный угол φ. Ступенчатая донная часть канавки образует зоны повышенного давления на каждой ступеньке, чем обеспечивается повышенная жесткость газового слоя и поддерживается устойчивый уплотнительный зазор;
- выполнение углубления и/или выступа на донной части канавки симметрично боковым стенкам канавки обеспечивает равномерное дополнительное поступление газа при любом направлении вращения вала;
- выполнение канавки с увеличением ее глубины от центра кольца к периферии позволит обеспечить поступление большего количества газа в канавку (на периферии глубина канавки больше) при более интенсивном сжатии газа при перемещении его к центру кольца (за счет уменьшения площади поперечного сечения канавки с уменьшением текущего радиуса).
Все это дает возможность повысить надежность и расширить область применения уплотнения в целом за счет обеспечения требуемой напорности канавок и, следовательно, номинального уплотнительного зазора в широком диапазоне окружных скоростей и рабочих давлений.
Заявляемая конструкция уплотнения вала турбомашины с указанной совокупностью признаков обеспечивает повышение надежности и уплотняющей способности уплотнительного узла за счет поддержания требуемой напорности спиральных канавок и расчетной величины рабочего зазора в широком диапазоне окружных скоростей ротора турбокомпрессора и может быть применена в качестве концевых уплотнений на центробежных компрессорах, перекачивающих различные газовые среды в химической, газовой и других областях промышленности.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого уплотнения вала турбокомпрессора,
а на фиг.2÷4 - вид А фиг.1 с различными вариантами напорных участков. На фиг.2 а) и б) - основные геометрические размеры напорного участка и вид канавок с радиусными боковыми стенками; фиг.3 - вид канавки в которой выполнено углубление (или выступ) симметрично боковым стенкам; фиг.4 - вид канавки с переменной глубиной.
Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 1, установленное в корпусе 2, и вращающееся уплотнительное кольцо 3, установленное на валу 4, и имеющие на периферии торцовой уплотнительной поверхности одного из них канавки 5, боковые стенки которых выполнены по радиусу R, оптимальное значение которого выбирается из неравенства:
уст
а начала радиусов R боковых стенок канавок расположены на окружности, диаметр D которой определяется согласно формуле:
причем наименьший диаметр напорного участка определяется из соотношения:
k
1
1
2
D=D-k·(D-D),
где  - коэффициент ширины напорного участка, оптимальное значение которого находится в пределах 0,55÷0,7.
1
2
D и D - наружный и внутренний диаметр рабочей торцовой поверхности уплотнительной пары торцового уплотнения;
0
D - разгрузочный диаметр торцового уплотнения;
k
D - наименьший диаметр напорного участка, на котором выполнены канавки. Канавки 5 отделены друг от друга перемычками 8, а от полости низкого давления уплотнительным пояском 9.
Предварительное поджатие аксиально-подвижного уплотнительного кольца 1 к вращающемуся уплотнительному кольцу 3 осуществляется
пружинами 10, а их герметизация от перетечек по нерабочим поверхностям - уплотнительными элементами 11 и 12, соответственно. Вращающееся кольцо 3 удерживается от проворота относительно вала штифтом 13, а аксиально-подвижное кольцо 1 стопорится от проворота относительно корпуса штифтом 14.
Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом. В исходном положении кольца 1 и 3 прижаты друг к другу с помощью пружин 10. Газ, находящийся перед узлами уплотнений, удерживается от перетечек через зазоры между корпусом и кольцом 1, а также между валом и кольцом 3 уплотнительными элементами 11 и 12, соответственно. Сила, раскрывающая уплотнительный стык, меньше газостатической силы, прижимающей уплотнительные кольца 1 и 3 друг к другу, при этом уплотнительный поясок 9 контактирует с уплотнительной торцовой поверхностью ответного кольца и препятствует проникновению газа из полости высокого давления в полость низкого давления, чем обеспечивается герметизация уплотнительного стыка.
При вращении вала 4 газ захватывается канавками и подается к центру торцовых уплотнительных поверхностей колец 1 и 3, где, встречая сопротивление уплотнительных перемычек 8 и уплотнительного пояска 9, сжимается. Возникающая при этом результирующая газодинамическая сила увеличивает силу, раскрывающую уплотнительный стык, и при определенной частоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей и уплотнение начинает работать без контакта. При этом кольца занимают некоторое равновесное положение.
Увеличение зазора между кольцами 1 и 3 приведет к уменьшению результирующей газодинамической силы и нарушению баланса сил, действующих на аксиально-подвижное кольцо 1, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора.
уст
Выполнение боковых стенок канавок по радиусу R, при условии, если начало этого радиуса расположено на окружности диаметром D, позволит обеспечить их оптимальный угол наклона, а следовательно, с учетом рабочей частоты вращения и параметров газовой среды, их номинальную напорность в
широком диапазоне давлений рабочей среды. Канавки, начала радиусов боковых стенок которых расположены в одной точке установочной окружности, позволит обеспечить их высокую напорность при наиболее простом способе изготовления. При увеличении угла φ между точками, с которых проводятся радиусы боковых стенок напорных канавок, увеличивается ширина входного участка канавки, и, следовательно, увеличивается количество газа поступающего в канавку, что позволит обеспечить оптимальную величину рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров.
Более широкий напорный участок (k=0,55...0,7) приводит к повышению как газостатической, так и газодинамической составляющей раскрывающей силы, чем обеспечивается устойчивый уплотнительный зазор в широком диапазоне режимов работы уплотнения;
Возможно несколько вариантов выполнения канавок (фиг.2÷4). В зависимости от достигаемой цели, канавка может быть дополнительно снабжена углублением (выступом), контуры которых симметричны боковым стенкам канавки. Выполнение канавки ступенчатой (т.е. разной глубины) позволяет обеспечить устойчивую работу уплотнения на различных режимах и на различных средах. При этом, за счет ступенчатого изменения глубины канавки, создаются участки повышенного давления, что увеличивает жесткость несущего газового слоя и делает зазор между вращающимся и аксиально-подвижным кольцами более устойчивым.
Канавки могут быть выполнены различными способами, например, ионным или электроэррозионным травлением с использованием масок, лазерной обработкой, или же канавки могут изготавливаться механическим путем, например, с использованием традиционных методов металлообработки, в частности шлифованием.
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности уплотнительного узла путем поддержания номинального рабочего зазора между уплотнительными кольцами в
широком диапазоне частот вращения, а также в возможности широкого промышленного применения уплотнений такой конструкции в качестве концевых уплотнительных узлов центробежных компрессоров, перекачивающих агрессивные, взрывоопасные, токсичные и другие газы.