ЩЕЛЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к области машиностроения, а конкретно к уплотнениям вращающихся деталей турбомашин и может быть использовано, например, в уплотнениях центробежного насоса.
Известно уплотнение вращающихся деталей турбомашин, содержащее уплотнительную втулку, установленную в корпусе турбомашины, и рабочее колесо. В уплотняющей втулке выполнены гребни, перпендикулярно которым установлены спрямляющие ребра. Спрямляющие ребра могут быть установлены как по всей длине уплотнения, так и только перед первым по направлению протечек гребнем (Авторское свидетельство №385114, кл. F16j 15/44, F04D 29/16., 1971 год).
Установка спрямляющих ребер перед первым по направлению протечек гребням не оказывает достаточно эффективного влияния на уменьшение утечек через известное уплотнение, так как вследствие малой закрутки потока о неподвижные стенки, рабочее тело при движении вдоль стенки корпуса беспрепятственно попадает в полость между ребрами и далее на вход в лабиринтное уплотнение.
В качестве прототипа принято щелевое уплотнение вращающихся деталей турбомашины, представляющих собой радиальный зазор, образованный поверхностью уплотняющей втулки, установленной в корпусе турбомашины, и рабочим колесом (Ломакин А.А. "Центробежные и осевые насосы". М. - Л., Машиностроение. 1966, см. стр. 160).
В процессе работы турбомашины, за счет абразивного воздействия взвесей, содержащихся в перекачиваемой жидкости, величина зазора увеличивается, а эффективность уплотнения турбомашины падает, за счет того, что имеют место большие утечки рабочего тела через него.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в разработке эффективного бесконтактного щелевого уплотнения турбомашины с минимальными утечками.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности щелевых уплотнений, путем уменьшения утечек, и, следовательно, КПД турбомашины.
Технический результат достигается тем, что в щелевом уплотнении турбомашины в виде радиального зазора между корпусом и рабочим колесом, новым является то, что на уплотняющей поверхности рабочего колеса выполнены выемки.
Выемки выполнены в форме сферических сегментов, с отношением их глубины к диаметру не менее 0,3 и расположены в шахматном порядке.
Значение отношения величины зазора к диаметру выемки в плане не более 0,3. Плотность расположения не менее 0,4. Количество рядов выемок по длине уплотняющей поверхности не менее 3.
на фиг. 1 изображен продольный разрез турбомашины;
на фиг. 2 представлена фотография уплотнительной части рабочего колеса центробежного насоса КМ 20/30-С-У2 ГОСТ 22247-96 с нанесенными выемками;
на фиг. 3 представлены характеристики центробежного насоса КМ 20/30-С-У2 ГОСТ 22247-96, полученные экспериментально.
Турбомашина (фиг. 1), содержит рабочее колесо 1, вал 2, корпус 3, щелевое уплотнение 4 в виде радиального зазора между корпусом 3 и рабочим колесом 1. На уплотняющей поверхности рабочего колеса 1 выполнены выемки 5 в форме сегмента сферы, с отношением их глубины к диаметру не менее 0,3, расположенные в шахматном порядке с плотностью расположения не менее 0,4, количество рядов выемок по длине уплотняющей поверхности не менее 3, а значение отношения величины зазора к диаметру выемки не более 0,3 и узкого радиального зазора между корпусом 3 и рабочим колесом 1.
При работе турбомашины в зазоре между корпусом 3 и рабочим колесом 1 под действием перепада давления происходит утечка рабочего тела в полости с более низким давлением. Устранить или минимизировать утечку позволяет щелевое уплотнение 4 с нанесенными выемками 5 на уплотняющую поверхность рабочего колеса 1. В щелевом уплотнении используется эффект образования трехмерных смерчеобразных вихревых структур в выемках, имеющих форму сегмента сферы, и газодинамических тел над ними (Щукин А.В., Козлов А.П., Агачев P.C., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов / Под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. 143 с).
В результате проведенных экспериментов над центробежным насосом КМ 20/30-С-У2 ГОСТ 22247-96, на рабочем колесе (фиг. 2) которого переднее щелевое уплотнение было выполнено с выемками, были получены напорные характеристики (фиг. 3). Напорные характеристики испытанного насоса на номинальной частоте вращения ротора (n=3000 об/мин), обозначенные треугольными значками, для вариантов гладкой поверхности и поверхности с выемками идентичны (здесь и далее: темные значки - гладкая поверхность; светлые значки - поверхность с выемками), однако на повышенных частотах вращения ротора: при n=3700 об/мин (круглые значки) и n=4300 об/мин (квадратные значки) линии, описывающие опытные точки, расслаиваются. В среднем наличие выемок на уплотнительной части рабочего колеса позволяет увеличить напор насоса на 5…6%, за счет снижения утечек жидкости через переднее щелевое уплотнение.
2
x
z
x
z
Плотность расположения выемок определялась по формуле f=πd/(3.464 t t), где t и t - продольный и поперечный (по окружности) шаги выемок, a d - их диаметр в плане.
Количество рядов и порядок расположения выемок должны обеспечивать взаимное перекрытие, образующихся над ними газодинамических тел. В результате проведенных экспериментов оптимальным расположением было выбрано шахматное расположение минимум с 3-мя рядами.
Отношение глубины выемки к ее диаметру не менее 0,3 обеспечивает отрывной характер обтекания и образования в ней смерчеобразных вихревых структур.
Величина зазора должна обеспечивать замыкание газодинамического тела образующегося над выемкой на противоположную стенку, это достигается при отношении величины зазора к диаметру выемки не более 0,3.
Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает более надежное уплотнение рабочего колеса, за счет минимизации утечки рабочего тела, что существенно повышает КПД турбомашины и способствует постоянству его параметров в течение срока эксплуатации.