УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА

УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА


RU (11) 2218497 (13) C2

(51) 7 F16J15/34 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 27.05.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001122311/06 
(22) Дата подачи заявки: 2001.08.10 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.08.10 
(43) Дата публикации заявки: 2003.04.20 
(45) Опубликовано: 2003.12.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2007643 C1, 15.02.1924. SU 1753128 A1, 07.08.1992. US 5217233 A, 08.06.1993. US 5722665 A, 03.03.1998. SU 1760214 A1, 07.09.1992. 
(71) Заявитель(и): Открытое акционерное общество "Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе" (UA) 
(72) Автор(ы): Пшик Василий Романович (UA); Роговой Евгений Дмитриевич (UA); Башмачников Виктор Александрович (UA); Левашов Виктор Александрович (UA); Гаранжа Валентин Иванович (UA) 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе" (UA) 
Адрес для переписки: 40004, Украина, г. Сумы, ул. Горького 58, СКБ ХО СПР 

(54) УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов. Уплотнение вала турбокомпрессора содержит установленное в корпусе упорное кольцо с нажимным устройством и упорное кольцо, установленное на валу, а на торцевой поверхности одного из колец имеется уплотнительный поясок и напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, причем угловой шаг между ними больше угла открытия спиральных канавок. По меньшей мере часть спиральных канавок сгруппированы в равномерно расположенные по окружности одинаковые группы, число которых не меньше трех. Угловой шаг между соседними спиральными канавками в группе может быть одинаковым или увеличиваться (уменьшаться) по направлению вращения вала, в результате чего на участках с меньшим угловым шагом между спиральными канавками обеспечивается более высокое давление газа, что способствует образованию окружной волнообразной микродеформации более податливого уплотнительного кольца. При этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды, что обеспечивает устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения и раскрытие уплотнительного зазора при малых частотах вращения вала турбокомпрессора. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов.

Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения со спиральными канавками, содержащая установленное в корпусе упорное кольцо с нажимными пружинами и на валу опорное кольцо, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и напорный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, направленные против вращения вала [1].

Недостатком такой конструкции уплотнения вала является неустойчивость слоя газовой смазки в уплотнительном зазоре между уплотнительными кольцами из-за возникновения обратных течений (кольцевых вихрей) в спиральных канавках и на гладких участках между ними, что вызывает неустойчивость уплотнительных колец. Это приводит к снижению надежности работы уплотнения в целом.

Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное в корпусе упорное кольцо с нажимными пружинами и на валу опорное кольцо, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и напорный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, соединенные прерывистым кольцевым коллектором в группы, с равным количеством канавок [2].

Однако при этом, из-за перетока газа с предыдущих спиральных канавок в последующие, происходит снижение суммарной напорности самих спиральных канавок и, как следствие, снижение надежности уплотнения в целом.

В основу изобретения уплотнение вала турбомашины поставлена задача повысить надежность и расширить область применения уплотнения путем сведения спиральных канавок в равномерно расположенные по окружности группы, что обеспечит повышение несущей способности напорного участка при сохранении той же суммарной напорности.

Поставленная задача достигается тем, что в известной конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей установленные в корпусе упорное кольцо с нажимным устройством и опорное кольцо, установленное на валу, а на торцовой поверхности одного из колец имеется уплотнительный поясок и напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, причем угловой шаг между ними больше угла открытия спиральных канавок, согласно изобретению по меньшей мере часть спиральных канавок сгруппирована в равномерно расположенные по окружности группы, причем число групп не меньше трех, а угловой шаг между соседними спиральными канавками в группе может быть одинаков или монотонно увеличиваться или уменьшаться по направлению вращения вала турбокомпрессора.

Таким образом, уплотнение вала турбокомпрессора обладает следующими существенными отличительными признаками:

- выполнение по меньшей мере части спиральных канавок сгруппированными в равномерно расположенные, по окружности группы позволит обеспечить более высокое давление газа на этих участках, что способствует образованию окружной волнообразной деформации более податливого уплотнительного кольца, при этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды, обеспечивая устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а также, как следствие, раскрытию уплотнительного зазора при малых частотах вращения вала турбокомпрессора;

- выполнение по меньшей мере трех равномерно расположенных по окружности групп спиральных канавок способствует динамической устойчивости уплотнительных колец в широком диапазоне окружных скоростей, так как при этом обеспечивается плоскопараллельность уплотнительного зазора, т. е. будут исключены угловые колебания вращающегося кольца;

- выполнение спиральных канавок в группах с уменьшающимся или увеличивающимся угловым шагом достигают требуемой микродеформации колец различной прочности.

Все это позволяет повысить надежность и экономичность уплотнения в целом за счет обеспечения динамической устойчивости уплотнительных колец и обеспечения требуемого уплотнительного зазора в широком диапазоне частот вращения вала турбокомпрессора.

Заявляемая конструкция уплотнения вала турбокомпрессора с указанной совокупностью признаков обеспечивает повышение надежности и уплотняющей способности уплотнительного узла за счет повышения динамической устойчивости уплотнительных колец, а также поддержания расчетной величины уплотнительного зазора в широком диапазоне частот вращения вала 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 уплотнительного узла, а на фиг.2, 3 и 4 - различные варианты выполнения спиральных канавок, сгруппированных в равномерно расположенные по окружности группы.

Уплотнение вала турбокомпрессора (фиг.1) содержит установленное в корпусе 1 упорное кольцо 2 с нажимным устройством 3 и установленное на валу 4 опорное кольцо 5, на торцовой поверхности которого имеется уплотнительный поясок 6 и напорный участок 7. На напорном участке выполнены спиральные канавки 8, отделенные друг от друга перемычками 9, а от полости низкого давления уплотнительным пояском 6. По меньшей мере часть из канавок 8 сгруппирована в равномерно расположенные по окружности группы 10, причем число групп не меньше трех (фиг.2...4). При этом угловой шаг i между соседними спиральными канавками в группе больше угла открытия самих спиральных канавок и может увеличиваться (фиг.3) или уменьшаться (фиг.4) по направлению вращения вала. Герметизация по нерабочим поверхностям упорного 2 и опорного 5 колец осуществляется эластичными уплотнительными элементами 13 и 12.

Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом.

В исходном положении кольца 2 и 5 прижаты друг к другу с помощью пружины 3. Газ, находящийся перед узлами уплотнений, удерживается от перетечек через зазоры между корпусом и кольцом 2, а также между валом 4 и кольцом 5 уплотнительными элементами 12 и 11 соответственно. Сила, раскрывающая уплотнительный стык, меньше газостатической силы, прижимающей уплотнительные кольца 2 и 5 друг к другу, при этом уплотнительный участок 6 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 спиральными канавками 8 и подается к центру торцовых уплотнительных поверхностей колец 2 и 5, где, встречая сопротивление перемычек 9 и уплотнительного участка 6, сжимается, образуя зоны повышенного давления. Возникающая при этом результирующая газодинамическая сила увеличивает силу, раскрывающую уплотнительный стык, и при определенной частоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей. При этом кольцо 2 занимает некоторое равновесное положение, образуя с кольцом 5 оптимальный уплотнительный зазор.

Увеличение зазора между кольцами 2 и 5 приведет к уменьшению результирующей газодинамической силы и нарушению баланса сил, действующих на упорное кольцо 2, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора. При уменьшении зазора меньше оптимального результирующая газодинамическая сила, раскрывающая уплотнительный стык, увеличивается и упорное кольцо начнет смещаться в сторону увеличения зазора, пока не займет равновесное положение.

Выполнение по меньшей мере части спиральных канавок 8 сгруппированными в равномерно расположенные по окружности одинаковые группы 10 позволит обеспечить на участках с малым угловым шагом i между соседними спиральными канавками более высокую напорность, а на участках с большим угловым шагом i - меньшую напорность. Это происходит из-за того, что при малом угловом шаге i между спиральными канавками 8 зоны повышенного давления практически сливаются, что способствует увеличению напорности на этом участке, а с увеличением углового шага i между соседними спиральными канавками - суммарная напорность на этих участках уменьшается. Таким образом по окружности кольца образуются равномерно распределенные участки с переменной напорностью, что способствует образованию окружной волнообразной деформации более податливого уплотнительного кольца, при этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды. Выполнение на напорном участке кольца по меньшей мере трех равномерно расположенных групп исключает угловые колебания кольца и обеспечит устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а также раскрытие уплотнительного зазора при малых скоростях вращения вала турбокомпрессора.

В случае, если напорный участок 7 выполнен на опорном кольце 5, а угловой шаг i между соседними спиральными канавками 8 в группах 10 увеличивается по направлению вращения (фиг.3), то наименьшую напорность имеет начальный участок группы, при этом из-за перетока газа через перемычки 9 с предыдущей спиральной канавки в последующую напорность вдоль группы 10 будет интенсивно возрастать.

Таким образом в каждой из этих групп образуется наибольшая разность напорностей по длине группы, что приведет к наибольшей местной микродеформации упорного кольца 2. Если же по направлению вращения угловой шаг i между соседними спиральными канавками в группе будет уменьшаться (фиг.4), то при этом наибольшую напорность имеет начальный участок группы. Однако из-за перетока газа с предыдущих спиральных канавок в последующие, интенсивность падения напорности будет небольшой, что приведет к меньшей микродеформации упорного кольца 2. Таким образом, комбинируя варианты расположения спиральных канавок в группах, достигается требуемая микродеформация кольца независимо от его прочности.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями, обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности уплотнительного узла, путем поддержания оптимального 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.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США 42124756, М.Кл. F 16 J 15/34, 1979г.

2. Патент РФ 2007643, М.Кл. F 16 J 15/34, 1994г. - прототип. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее установленное в корпусе упорное кольцо с нажимным устройством и опорное кольцо, установленное на валу, а на торцовой поверхности одного из колец имеется уплотнительный поясок и напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, причем угловой шаг между ними больше угла открытия спиральных канавок, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть спиральных канавок сгруппированы в равномерно расположенные по окружности одинаковые группы, причем число групп не меньше трех.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что угловой шаг между соседними спиральными канавками в группе увеличивается или уменьшается по направлению вращения вала.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Насосы и компрессорное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+центробежный -насос".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "насос" будут найдены слова "насосы", "насосом" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("насос!").



Рейтинг@Mail.ru