уплотнение вала турбокомпрессора
Классы МПК: | F04D29/12 в виде уплотнительных колец F16J15/34 со скользящим кольцом, прижимаемым к поверхности, приблизительно перпендикулярной продольной оси |
Автор(ы): | Пшик Василий Романович (UA), Сухиненко Владимир Евгеньевич (UA), Роговой Евгений Дмитриевич (UA), Опилат Виктор Григорьевич (UA), Гаранжа Валентина Ивановна (UA) |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество "Сумское машиностроительное научно- производственное объединение им.М.В.Фрунзе" (UA) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-04-10 публикация патента:
27.07.1999 |
Изобретение может быть использовано для уплотнения вала турбомашин различного назначения. Уплотнение вала турбокомпрессора содержит аксиально-подвижное кольцо с нажимным устройством и вращающееся уплотнительное кольцо. На торцовой уплотнительной поверхности одного из колец выполнены спиральные канавки. Радиусы рабочих и нерабочих кромок канавок, радиус окружности, на которой расположены указанные радиусы, и угол между точками, из которых проводят рабочие и нерабочие кромки одной и той же спиральной канавки, рассчитываются по формулам. Использование изобретения повышает надежность уплотнения за счет поддержания номинального рабочего зазора между уплотнительными кольцами в широком диапазоне частот вращения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее аксиально-подвижное кольцо с нажимным устройством и вращающееся уплотнительное кольцо, причем на торцевой уплотнительной поверхности одного из них выполнены спиральные напорные канавки, отличающееся тем, что рабочие и нерабочие кромки спиральных канавок выполнены по радиусу Rc, определяемому выражением:![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-17t.gif)
причем начала радиусов Rc рабочих и нерабочих кромок спиральных канавок расположены по окружности, радиус r которой определяется согласно формуле
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-18t.gif)
а угол
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/947.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-19t.gif)
где Rн и Rв - наружный и внутренний радиусы участка уплотнительного кольца, на котором выполнены спиральные канавки;
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
n - число спиральных канавок. 2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что начала радиусов Rc нерабочих кромок спиральных канавок расположены на окружности, радиус rн которой определяется по формуле
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-20t.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относиться к уплотнительной технике и может быть использовано 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 микроканавками на периферии кольца (например, в виде ступенек Релея) [1]. Недостатком такой конструкции уплотнения вала является сложность обеспечения требуемого минимального уплотнительного зазора при проектировании, что требует экспериментальной отработки каждого нового типоразмера уплотнения. 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 спиральными канавками [2]. При проектировании возникают затруднения в профилировании спиральных канавок уплотнения. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям наибольшую напорность имеют уплотнения, кромки спиральных канавок которых спрофилированы по спирали Архимеда. Технологически такой профиль выполнить трудно, потому его заменяют дугами окружности, что вносит незначительную погрешность в расчет [3]. Однако и этот способ затруднен, что значительно усложняет процесс проектирования и сдерживает широкое промышленное применение таких уплотнительных узлов в центробежных компрессорах. Предлагаемое изобретение направлено 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 известной конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей вращающееся и аксиально-подвижное уплотнительное кольцо, причем на периферии торцовой поверхности одного из них выполнены спиральные канавки, согласно изобретению боковые рабочие и нерабочие кромки спиральных канавок выполняются по радиусу R2, определяемому выражением:![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-2t.gif)
причем начала радиусов Rc рабочих и нерабочих кромок спиральных канавок расположены на окружности, радиус r которой определяется согласно формуле:
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-3t.gif)
а угол
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/947.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-4t.gif)
где Rн и Rв - наружный и внутренний радиусы участка уплотнительного кольца, на котором выполнены спиральные канавки;
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
n - число спиральных канавок. Кроме того, начала радиусов Rс нерабочих кромок спиральных канавок могут быть расположены на окружности, радиус rн которой определяется по формуле:
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-5t.gif)
Таким образом поставленная задача решается следующим путем:
- выполнение рабочих кромок спиральных канавок согласно вышеприведенных формул позволит обеспечить их максимальную напорность,
- выполнение нерабочих кромок спиральных канавок при расположении начала радиуса Rс на той же окружности, что и рабочие кромки позволит обеспечить высокую напорность спиральной канавки при наиболее простом способе изготовления,
- изменяя угол
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/947.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-6t.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-7t.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-8t.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-9t.gif)
позволит обеспечить наибольшую напорность спиральной канавки за счет расширения его входного участка, при более интенсивном сужении ширины спиральной канавки с уменьшением текущего радиуса. Все это дает возможность повысить надежность и расширить область применения уплотнения в целом за счет обеспечения требуемой напорности спиральных 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 уплотнения вала трубокомпрессора, а на фиг. 2 и 4 вид А фиг. 1 с различными вариантами размещения окружностей, на которых расположены начала радиусов Rс боковых рабочих и нерабочих кромок спиральных канавок. 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 спиральные канавки 5, боковые рабочие 6 и нерабочие 7 кромки которых выполнены по радиусу Rс, определяемому выражением:
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-10t.gif)
причем начала радиусов Rс рабочих и нерабочих кромок спиральных канавок расположены на окружности, радиус r которой определяется согласно формуле:
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-11t.gif)
а угол
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/947.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-12t.gif)
где Rн и Rв - наружный и внутренний радиусы участка уплотнительного кольца, на котором выполнены спиральные канавки;
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
n - число спиральных канавок. Спиральные канавки 5 отделены друг от друга перемычками 8, а от полости низкого давления уплотнительным пояском 9. Ширина ln перемычек 8, в зависимости от рабочей частоты вращения ротора 4 и от параметров газовой смазки, может быть меньше, равна или больше ширины lс спиральных канавок 5. 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. Кроме того, начала радиусов Rс нерабочих кромок 7 спиральных канавок 5 могут быть расположены на окружности, радиус rн которой определяется по формуле:
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-13t.gif)
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 спиральными канавками и подается к центру торцовых уплотнительных поверхностей колец и 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. Выполнение боковых рабочих и нерабочих кромок спиральных канавок по радиусу Rс, при условии если начала этих радиусов расположены на окружности с радиусом r, позволит обеспечить с учетом рабочей частоты вращения и параметров газовой среды их номинальную напорность в широком диапазоне давлений рабочей среды. Изменяя угол между точками, с которых производятся радиусы рабочих и нерабочих кромок спиральных канавок:
- от
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-14t.gif)
- до
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-15t.gif)
- а также до
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133880/2133880-16t.gif)
позволит обеспечить их оптимальную напорность и, следовательно, оптимальную величину рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров. При расположении начала радиусов Rс нерабочих кромок спиральных канавок на окружности с радиусом rн обеспечивается расширение входного участка спиральных канавок при более интенсивном сужении ее ширины с уменьшением текущего радиуса. В этом случае наибольшее количество газа поступает в спиральную канавку, где происходит его интенсивное сжатие, при этом обеспечивается максимальная напорность спиральных канавок, а также бесконтактная работа уплотнительной пары при минимальной частоте вращения ротора турбомашины. Выполнение углов наклона рабочей кромки спиральных канавок на входе и на выходе в диапазоне
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133010/945.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133011/946.gif)
![уплотнение вала турбокомпрессора, патент № 2133880](/images/patents/338/2133027/177.gif)
1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник./Л.А.Кондаков, А.И. Голубев, В. Б.Овандер и др. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с. (стр. 271, рис. 8, 39). 2. Патент США N 4212475, М. кл. F 16 J 15/34, 1979 г. 3. Газовые опоры трубомашин /Г.А.Лучин, Ю.В.Пешта, А.И.Снопов. М.: Машиностроение, 1989. - 240с. (стр. 51, 55).
Класс F04D29/12 в виде уплотнительных колец
механическое уплотнение - патент 2488730 (27.07.2013) | |
механическое уплотнение с усовершенствованным узлом уплотнения - патент 2480654 (27.04.2013) | |
регулируемое механическое уплотнение - патент 2479770 (20.04.2013) | |
роторный механизм и способ его эксплуатации - патент 2454584 (27.06.2012) | ![]() |
центробежный насос с мокрым электродвигателем - патент 2405974 (10.12.2010) | ![]() |
уплотнительный узел вала центробежного насоса - патент 2290556 (27.12.2006) | |
насосный агрегат - патент 2262005 (10.10.2005) | ![]() |
насос для регулирования теплообмена в двс - патент 2168067 (27.05.2001) | |
торцовое уплотнение центробежного насоса - патент 2154750 (20.08.2000) | |
насос для перекачивания жидкости - патент 2133380 (20.07.1999) |
Класс F16J15/34 со скользящим кольцом, прижимаемым к поверхности, приблизительно перпендикулярной продольной оси
уплотнения в сборе - патент 2529299 (27.09.2014) | ![]() |
торцевое уплотнение ротора турбомашины - патент 2525378 (10.08.2014) | ![]() |
скользящее кольцевое уплотнение с вращающимся контркольцом с точно определенным зажимом - патент 2518799 (10.06.2014) | ![]() |
осевое торцевое уплотнение - патент 2518736 (10.06.2014) | ![]() |
уплотнение вала для турбомашины - патент 2518734 (10.06.2014) | ![]() |
скользящее кольцевое уплотнение - патент 2514573 (27.04.2014) | ![]() |
торцевое уплотнение - патент 2494300 (27.09.2013) | |
механическое уплотнение - патент 2488730 (27.07.2013) | |
стояночное уплотнение центробежного компрессора - патент 2482363 (20.05.2013) | |
механическое уплотнение с усовершенствованным узлом уплотнения - патент 2480654 (27.04.2013) |