RU2018751C1

RU2018751C1 - Sealing unit

Info

Publication number: RU2018751C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Мельник; Г.Б. Киселев; Д.Г. Крылов
Original assignee: Научно-исследовательский институт тепловых процессов
Priority date: 1987-09-24
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: pumps. SUBSTANCE: floating ring with working and non-working ends embracing the shaft forming the throttling slit is mounted in stator housing. Inserted in the floating ring on the side of non-working end is deformable thin-walled bush forming the circular chamber between inner surface of ring and bush which is brought in communication with the high-pressure chamber. On the low-pressure side, the end of the bush is tightly engageable with ring over cylindrical and end surfaces which are engageable with mating surfaces of bore seat in ring body. Amount of clearance between shaft and cylindrical section of ring with minimum diameter is more than thickness of bush wall in this conjugation. On the side of high-pressure chamber, bush is engageable with ring and is locked in it in the radial and axial coordinates. Circular chamber between inner chamber of ring and bush is brought in communication with high-pressure chamber by means of passages provided in ring body and in bush on side of non-working end. Bush is locked relative to ring by means of permanent joint made in form of welded joint, complete joint or threaded joint. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике и может найти применение в насосах, компрессорах и турбонасосных агрегатах. The invention relates to a sealing technique and may find application in pumps, compressors and turbopump units.

Известен уплотнительный узел, содержащий плавающее кольцо, в которое введена деформируемая тонкостенная L-образного сечения втулка, установленная с упором фланцем в кольцо со стороны полости высокого давления с образованием кольцевой камеры между внутренней поверхностью кольца и втулкой и выполненная с каналами во фланце, сообщающими полость высокого давления с образованной камерой, при этом конец втулки со стороны пространства низкого давления плотно сопряжен с кольцом по цилиндрической и торцовой поверхностям, контактирующим с ответными поверхностями гнезда расточки в теле кольца, величина дросселирующего зазора между валом и цилиндрическим участком кольца с наименьшим диаметром больше толщины стенки втулки в этом сопряжении. Known is a sealing assembly comprising a floating ring into which a deformable thin-walled L-shaped sleeve is inserted, which is mounted with a stop flange into the ring from the side of the high-pressure cavity to form an annular chamber between the inner surface of the ring and the sleeve and made with channels in the flange that communicate with the high cavity pressure with the chamber formed, while the end of the sleeve from the side of the low-pressure space is tightly mated with the ring along cylindrical and end surfaces in contact with the hole the surface of the nest of the bore in the body of the ring, the size of the throttling gap between the shaft and the cylindrical section of the ring with the smallest diameter is greater than the thickness of the wall of the sleeve in this pair.

Недостатком этого узла является технологическая трудность обеспечения одновременного контакта с телом кольца торцовых поверхностей фланца L-образной втулки со стороны полости высокого давления и конца втулки со стороны полости низкого давления. Одновременный торцовый контакт указанных поверхностей втулки с телом кольца является условием качественной работы узла уплотнения и гарантом его надежности. The disadvantage of this node is the technological difficulty of ensuring simultaneous contact with the body of the ring of the end surfaces of the flange of the L-shaped sleeve from the side of the high pressure cavity and the end of the sleeve from the side of the low pressure cavity. Simultaneous mechanical contact of the indicated surfaces of the sleeve with the body of the ring is a condition for the high-quality operation of the seal assembly and a guarantor of its reliability.

Целью изобретения является повышение технологичности, надежности и качества работы узла уплотнения. The aim of the invention is to improve the manufacturability, reliability and quality of the seal assembly.

Эта цель достигается тем, что в уплотнительном узле для разделения полостей высокого и низкого давлений, содержащем установленное в корпусе статора и охватывающее вал с образованием дросселирующей цели плавающее кольцо с рабочим и нерабочим торцами, причем в плавающее кольцо со стороны нерабочего торца введена деформируемая тонкостенная втулка для образования кольцевой камеры между внутренней полостью кольца и втулкой, сообщенной с полостью высокого давления, при этом конец втулки со стороны низкого давления плотно сопряжен с кольцом по цилиндрической и торцовой поверхностям, контактирующим с ответными поверхностями гнезда расточки в теле кольца, величина зазора между валом и цилиндрическим участком кольца с наименьшим диаметром больше толщины стенки втулки в этом сопряжении, деформируемая тонкостенная втулка на стороне полости высокого давления сопряжена с кольцом и зафиксирована в нем по радиальной и осевой координатам, а сообщение кольцевой камеры между внутренней полостью кольца и втулкой осуществляется каналами, выполненными в теле кольца или втулки со стороны нерабочего торца, фиксация втулки относительно кольца осуществляется неразъемным соединением, выполненным в виде сварного или паяного соединения, фиксация втулки относительно кольца осуществляется разъемным соединением, выполненным в виде резьбового соединения. This goal is achieved by the fact that in the sealing unit for separating the cavities of high and low pressure, containing a floating ring with a working and non-working ends installed in the stator housing and covering the shaft with the formation of a throttling target, a deformable thin-walled sleeve is introduced into the floating ring from the side of the non-working end the formation of the annular chamber between the inner cavity of the ring and the sleeve in communication with the high pressure cavity, while the end of the sleeve on the low pressure side is tightly mated with the ring along the cylindrical and end surfaces in contact with the counter surfaces of the bore nest in the body of the ring, the gap between the shaft and the cylindrical portion of the ring with the smallest diameter is greater than the thickness of the sleeve wall in this interface, the deformable thin-walled sleeve on the side of the high-pressure cavity is associated with the ring and fixed in it along the radial and axial coordinates, and the communication of the annular chamber between the inner cavity of the ring and the sleeve is carried out by channels made in the body of the ring or sleeve with a hundred non-working end faces, fixing the sleeve relative to the ring is carried out by a one-piece connection made in the form of a welded or soldered connection, fixing the sleeve relative to the ring is done by a detachable connection made in the form of a threaded connection.

Такое исполнение уплотнительного кольца позволяет повысить технологичность его изготовления, так как отпадает необходимость изготовления точно одинаковых линейных размеров для расстояний между торцовыми поверхностями в кольце и втулке, повысить его надежность, которая в прототипе значительно снижается, если расстояние между торцовыми поверхностями в кольце меньше расстояния, что может привести к заклиниванию деформированного концевого участка втулки на стороне низкого давления (со стороны рабочего торца) в теле кольца, что чревато касанием втулки с ротором при режимах останова или повторного пуска ротора, повысить качество работы узла по сравнению с прототипом в случае, если расстояние между торцовыми поверхностями в кольце больше расстояния во втулке, что приводит к меньшему деформированию кольца втулки со стороны полости низкого давления, значит, и к снижению уплотнительной способности узла. This design of the sealing ring allows to increase the manufacturability of its manufacture, since there is no need to produce exactly the same linear dimensions for the distances between the end surfaces in the ring and the sleeve, to increase its reliability, which in the prototype is significantly reduced if the distance between the end surfaces in the ring is less than the distance, which may lead to jamming of the deformed end section of the sleeve on the low pressure side (from the working end side) in the body of the ring, which is fraught by touching the sleeve with the rotor during stopping or restarting the rotor, to improve the quality of the assembly compared to the prototype if the distance between the end surfaces in the ring is greater than the distance in the sleeve, which leads to less deformation of the sleeve ring from the side of the low pressure cavity, which means and to reduce the sealing ability of the node.

На фиг.1 показан разрез узла уплотнения кольцом, где сопряжение втулки с кольцом выполнено сварным или паяным соединением; на фиг.2 - то же, с помощью резьбового соединения до нагружения его перепадом давления уплотняемой среды; на фиг.3 - дросселирующая щель при нагружении узла уплотнения рабочим уровнем перепада давления уплотнительной среды; на фиг.4 и 5 - радиальные эпюры давления на наружном и внутреннем радиусах плавающего кольца, а также эпюры результирующего силового нагружения его при различных уровнях нагружающего перепада давления; на фиг.6 и 7 - такие же эпюры для втулки щелевого уплотнения; на фиг.8 - характер изменения величины дросселирующей щели со стороны полости низкого давления с ростом уплотняемого перепада давления в узле уплотнения. Figure 1 shows a section of the seal assembly by the ring, where the coupling of the sleeve with the ring is made by a welded or soldered connection; figure 2 is the same, using a threaded connection to load it with the pressure drop of the medium being sealed; figure 3 - throttling gap when loading the seal assembly with the working level of the differential pressure of the sealing medium; Figures 4 and 5 show radial pressure plots on the outer and inner radii of the floating ring, as well as plots of its resulting force loading at various levels of the pressure drop; Figures 6 and 7 show the same diagrams for a gap seal sleeve; on Fig - the nature of the change in the size of the throttling gap from the side of the low-pressure cavity with the growth of the condensed differential pressure in the seal assembly.

Плавающее кольцо 1, разделяющее пространства 2 из высокого и низкого давлений, установлено в корпусе статора 4, сопряжено с ним торцовой поверхностью 5 и охватывает вал 6 с образованием дросселирующей щели 7. The floating ring 1, separating the spaces 2 from high and low pressures, is installed in the stator housing 4, is interfaced with an end surface 5 and covers the shaft 6 with the formation of a throttling gap 7.

Плавающее кольцо 1 снабжено щелевым уплотнением, включающим тонкостенную деформируемую втулку 8, установленную в плавающее кольцо 1 с кольцевым зазором, образующим камеру 9, сообщенную с пространством 2 высокого давления посредством каналов 10. Щелевое уплотнение выполнено с устройством 11 фиксации положения втулки 8 от осевого и радиального перемещений, а также с узлами вспомогательных уплотнений 12 и 13. Уплотнение 12 образовано сопряжением торцовых поверхностей, а уплотнение 13 - сопряжением цилиндрических поверхностей втулки 8 и кольца 1 на стороне пространства 3 низкого давления. The floating ring 1 is provided with a gap seal, including a thin-walled deformable sleeve 8, installed in the floating ring 1 with an annular gap forming a chamber 9, in communication with the high-pressure space 2 through channels 10. The gap seal is made with a device 11 for fixing the position of the sleeve 8 from axial and radial movements, as well as with the nodes of the auxiliary seals 12 and 13. The seal 12 is formed by mating the end surfaces, and the seal 13 is formed by mating the cylindrical surfaces of the sleeve 8 and ring 1 on thoron low-pressure chamber 3.

Толщина стенки втулки 8 в уплотнении 12 выполнена равной δ₁ .The wall thickness of the sleeve 8 in the seal 12 is made equal to δ ₁ .

Величина дросселирующей щели 7 при монтаже узла h_о.The value of the throttling gap 7 during installation of the node h _about .

На фиг. 1 устройство 11 фиксации положения втулки выполнено в виде сварного или паяного соединения, а на фиг.2 - в виде резьбового соединения. In FIG. 1, the device 11 for fixing the position of the sleeve is made in the form of a welded or soldered connection, and in Fig.2 - in the form of a threaded connection.

Иллюстрации к работе узла уплотнения представлены на фиг.3-5. Illustrations to the operation of the seal assembly are shown in FIGS. 3-5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При повышении перепада давления на плавающем кольце 1 тело кольца нагружается на наружном радиусе эпюрой 14 давления, а на внутреннем радиусе эпюрой 15 (см. фиг.4). В то же время втулка 8 щелевого уплотнения нагружается на наружном радиусе эпюрой 16 давления, а на внутреннем эпюрой 17 (см. фиг. 5). Результирующее силовое нагружение тела плавающего кольца для этого случая представлено эпюрой 18 (фиг.6), а втулки 8 - эпюрой 9 (фиг.7). With increasing pressure drop on the floating ring 1, the body of the ring is loaded on the outer radius of the pressure diagram 14, and on the inner radius of the diagram 15 (see figure 4). At the same time, the sleeve 8 of the gap seal is loaded on the outer radius of the pressure plot 16, and on the internal plot 17 (see Fig. 5). The resulting force loading of the body of the floating ring for this case is plotted 18 (Fig.6), and the sleeve 8 is plotted 9 (Fig.7).

Высокий уровень нагружения кольца осуществляется лишь в зоне, непосредственно примыкающей к торцовому сопряжению поверхностей 5 кольца 1 и статора 4, а на остальной части может быть выполнено тонкостенным. A high level of loading of the ring is carried out only in the area directly adjacent to the end mating of the surfaces 5 of the ring 1 and the stator 4, and on the rest of it can be made thin-walled.

Во втулке 8 возникают высокие сжимающие напряжения и значительные перемещения лишь на концевом участке со стороны пространства 3 низкого давления. Перемещение этого конца втулки 8 ведет к уменьшению проходного сечения дросселирующей щели 7 и образованию конфузорной ее формы. In the sleeve 8 there are high compressive stresses and significant displacements only at the end portion from the side of the low pressure space 3. The movement of this end of the sleeve 8 leads to a decrease in the bore of the throttling gap 7 and the formation of its confuser shape.

С ростом перепада уплотняемого давления на плавающем кольце вплоть до потери торцового контакта втулки 8 с телом кольца 1 во вспомогательном уплотнении 12 сохраняется представленная картина поведения тела втулки и кольца, характерная для переходного режима работы с тем лишь отличием, что эпюра давления в дросселирующей щели 7 становится полнее из-за роста конфузорности этой щели. With the increase in the differential pressure of the sealing ring on the floating ring until the end contact of the sleeve 8 with the body of the ring 1 is lost in the auxiliary seal 12, the presented behavior pattern of the body of the sleeve and the ring, typical for the transition mode of operation, is preserved with the only difference that the pressure diagram in the throttling gap 7 becomes more fully due to the growth of confusion of this gap.

Соответствующие этому случаю нагружения эпюры давления на поверхностях кольца представлены на фиг.4: эпюра 20 - на наружном радиусе кольца, эпюра 21 - на внутреннем радиусе кольца. Corresponding to this case of loading of the pressure plot on the surfaces of the ring are presented in figure 4: plot 20 - on the outer radius of the ring, plot 21 - on the inner radius of the ring.

На фиг.5 представлены эпюры давления для втулки: эпюра 22 - на наружном радиусе втулки, эпюра 23 - на внутреннем радиусе втулки. Figure 5 presents the pressure plot for the sleeve: plot 22 - on the outer radius of the sleeve, plot 23 - on the inner radius of the sleeve.

Результирующие эпюры силового нагружения тела плавающего кольца 1 представлены на фиг.6 - эпюра 24, а для втулки 8 - эпюра 25 на фиг.7. The resulting diagrams of the force loading of the body of the floating ring 1 are presented in Fig.6 - plot 24, and for the sleeve 8 - plot 25 in Fig.7.

При некотором, определенном для данной конструкции плавающего кольца значении перепада уплотняемого давления деформация конца втулки 8 достигает такой величины, что наружный диаметр втулки становится меньшим внутреннего диаметра d (см. фиг. 3) корпуса кольца. Начинается истечение уплотняемой среды через образовавшийся зазор h₆, сопровождающееся падением давления на участке щели камеры 9. Эпюры давления, нагружающие тело кольца 1, принимают вид эпюр 26 и 27 на наружном и внутреннем радиусах кольца (см. фиг.4), а нагружающие тело втулки - соответственно эпюр 28 и 29 (см. фиг.5).At a certain value of the differential pressure of the sealing pressure defined for this design of the floating ring, the deformation of the end of the sleeve 8 reaches such a value that the outer diameter of the sleeve becomes smaller than the inner diameter d (see Fig. 3) of the ring body. The outflow of the compressed medium begins through the formed gap h ₆ , which is accompanied by a pressure drop in the slit section of the chamber 9. The pressure plots loading the body of the ring 1 take the form of diagrams 26 and 27 on the outer and inner radii of the ring (see Fig. 4), and loading the body bushings - respectively, diagrams 28 and 29 (see figure 5).

Результирующие значения нагружающих эпюр на плавающее кольцо 1 представлено эпюрой 30 на фиг.6, на втулку 8 эпюрой 31 на фиг.7. The resulting values of the loading diagrams on the floating ring 1 are represented by diagram 30 in FIG. 6, on sleeve 8 by diagram 31 in FIG. 7.

При этом фактором, ограничивающим перемещение втулки, становится достижение в узле уплотнения определенного соотношения зазоров входных и выходных участков щелей в камере 9 и в дросселирующей щели 7

:

= const,$$
определяющее формы эпюр давлений в щелях.In this case, the limiting movement of the sleeve is the achievement in the sealing unit of a certain ratio of the gaps of the input and output sections of the slots in the chamber 9 and in the throttling slot 7

:

= const, $$
determining the shape of pressure plots in the cracks.

Таким образом, в уплотнительном узле устанавливается автомодельный стационарный режим работы. Thus, a self-similar stationary mode of operation is established in the sealing assembly.

Характер изменения зазора h₄ с ростом перепада Δ Р давления на уплотнении между ротором и втулкой 8 со стороны полости 3 низкого давления показан на фиг.8.The nature of the change in the gap h ₄ with increasing pressure difference Δ P on the seal between the rotor and the sleeve 8 from the side of the low pressure cavity 3 is shown in Fig. 8.

Конфузорная форма дросселирующей щели 7 обеспечивает высокую жесткость жидкостного слоя, а значит, и высокую центрирующую способность его в отношении кольца 1. The confuser shape of the throttling slot 7 provides high rigidity of the liquid layer, and hence its high centering ability with respect to ring 1.

Claims

1. A SEALING UNIT for separating cavities of high and low pressure, comprising a floating ring with a working and non-working ends installed in the stator housing and covering the shaft with the formation of a throttling gap, and a deformable thin-walled sleeve is introduced into the floating ring from the side of the non-working end to form an annular chamber between the inner the surface of the ring and the sleeve in communication with the high-pressure cavity, while the end of the sleeve on the low pressure side is tightly mated with the ring in a cylindrical and torus surfaces contacting with the mating surfaces of the bore nest in the body of the ring, and the gap between the shaft and the cylindrical portion of the ring with the smallest diameter is greater than the thickness of the sleeve wall in this interface, characterized in that, in order to improve manufacturability, reliability and quality of operation of the seal assembly, a deformable thin-walled sleeve on the side of the high-pressure cavity is associated with the ring and fixed in it along the radial and axial coordinates, and the message of the annular chamber between the inner cavity of the ring and the sleeve cavity with high pressure is carried out channels made in the body of the ring or the sleeve from the non-working end.

2. The node according to p. 1, characterized in that the fixing of the sleeve relative to the ring is a one-piece connection made in the form of a welded or soldered connection.

3. The assembly according to claim 1, characterized in that the sleeve is fixed relative to the ring by a detachable connection made in the form of a threaded connection.