RU2030661C1 - Method of sealing shaft of rotor machine - Google Patents
Method of sealing shaft of rotor machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2030661C1 RU2030661C1 SU914913175A SU4913175A RU2030661C1 RU 2030661 C1 RU2030661 C1 RU 2030661C1 SU 914913175 A SU914913175 A SU 914913175A SU 4913175 A SU4913175 A SU 4913175A RU 2030661 C1 RU2030661 C1 RU 2030661C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radius
- stator
- sealing
- rotor
- density gradient
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
- B01F35/30—Driving arrangements; Transmissions; Couplings; Brakes
- B01F2035/35—Use of other general mechanical engineering elements in mixing devices
- B01F2035/351—Sealings
Landscapes
- Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано преимущественно в ротационных машинах (насосах, центрифугах, смесителях) для снижения протечек жидкости из уплотняемых камер по вращающемуся валу, когда отсутствуют условия для снижения гарантированного зазора. The invention relates to a sealing technique and can be used mainly in rotary machines (pumps, centrifuges, mixers) to reduce fluid leaks from the chambers being sealed along a rotating shaft when there are no conditions to reduce the guaranteed clearance.
Известен способ бесконтактного уплотнения вращающегося вала роторной машины при помощи лабиринтно-щелевых элементов, установленных на статоре и роторе, путем создания гидравлического сопротивления на пути протекающей жидкости, например, снижением зазора между статорной втулкой и валом, установкой в дроссельном зазоре "усиков", канавок, щеток, турбулизацией потока [1]. There is a method of non-contact sealing of a rotating shaft of a rotary machine using labyrinth-slot elements installed on the stator and rotor by creating hydraulic resistance in the path of the flowing fluid, for example, by reducing the clearance between the stator sleeve and the shaft, installing “antennae” in grooves, grooves, brushes, turbulization of the flow [1].
Известный способ обеспечивает надлежащий уплотнительный эффект при малых зазорах и номинальных (расчетных) режимах, при снижении частоты вращения вала турбулизаторы и винтовые нарезки ухудшают свою эффективность; не всегда удается снизить гарантированный зазор в уплотнениях валопроводов, склонных к вибрации и изгибным деформациям. The known method provides the appropriate sealing effect with small gaps and nominal (design) modes, while reducing the shaft speed, turbulizers and screw cuts worsen their effectiveness; it is not always possible to reduce the guaranteed clearance in shaft seals, which are prone to vibration and bending deformations.
Известен также способ уплотнения вала, согласно которому снижение протечек жидкости достигается за счет дополнительного внешнего физического (гидродинамического, термического, электромагнитного, акустического и др.) воздействия на кольцевой вращающийся поток уплотняющей среды в дроссельном канале, в котором используется внешнее термическое воздействие на поток - замораживание - с целью повышения эффективности работы уплотнения [2]. There is also known a method of sealing the shaft, according to which the reduction of fluid leaks is achieved due to additional external physical (hydrodynamic, thermal, electromagnetic, acoustic, etc.) effects on the annular rotating flow of the sealing medium in the throttle channel, which uses the external thermal effect on the flow - freezing - in order to increase the efficiency of the seal [2].
Известный способ, основанный преимущественно на эффекте снижения протечек жидкости за счет уменьшения зазора между статором и ротором ("замораживание"), не может быть использован в роторных машинах, валопроводы которых подвержены вибрации или большим изгибным деформациям, а потому требует повышенных гарантированных уплотнительных зазоров. The known method, based mainly on the effect of reducing fluid leakage by reducing the gap between the stator and the rotor ("freezing"), cannot be used in rotary machines whose shafting is subject to vibration or large bending deformations, and therefore requires increased guaranteed sealing gaps.
Цель изобретения состоит в повышении эффективности уплотнения за счет оптимизации режимных параметров. The purpose of the invention is to increase the efficiency of compaction due to the optimization of operational parameters.
Технический результат достигается тем, что согласно способу уплотнения вала роторной машины при помощи дроссельных лабиринтно-щелевых элементов статора и ротора путем внешнего гидротермического воздействия на кольцевой вращающийся поток уплотняющей среды в дроссельном канале и создания вдоль радиуса кольца отрицательного градиента плотности уплотняющей среды, среднюю абсолютную величину которого поддерживают в пределах, определяемых соотношением
≅ 5Ω2 где Δ ρ - изменение плотности уплотняющей среды вдоль радиуса кольцевого потока, кг/м3;
Δ r - толщина кольцевого потока, м;
Ω - частота вращения вала, 1/с;
6,53.10-7 - эмпирическая константа для уплотняемых сред с кинематической вязкостью ν ≅ 5.10-6 м2/с.The technical result is achieved by the fact that according to the method of sealing the shaft of a rotary machine using throttle labyrinth-slit elements of the stator and rotor by external hydrothermal action on the annular rotating flow of the sealing medium in the throttle channel and creating along the radius of the ring a negative density gradient of the sealing medium, the average absolute value of which support within the limits defined by the ratio
≅ 5Ω 2 where Δ ρ is the density change of the sealing medium along the radius of the annular flow, kg / m 3 ;
Δ r is the thickness of the annular flow, m;
Ω - shaft rotation frequency, 1 / s;
6.53 . 10 -7 - empirical constant for sealed media with kinematic viscosity ν ≅ 5 . 10 -6 m 2 / s.
На фиг.1 изображена схема первого варианта уплотнения с нагревателем в статоре; на фиг.2 - то же, но с холодильником в статоре; на фиг.3 - разновидности трубчатых зондов, расположенных на участке А винтоканавочной трапецеидальной нарезки, на участке Б гребенчатого уплотнения типа "усиков", на участке В простого щелевого уплотнения; на фиг.4 - схема второго варианта уплотнения. Figure 1 shows a diagram of a first embodiment of a seal with a heater in the stator; figure 2 is the same, but with a refrigerator in the stator; figure 3 - varieties of tubular probes located in section A of a rotary groove trapezoidal cut, in section B of the comb seal of the "antennae" type, in section B of a simple gap seal; figure 4 is a diagram of a second variant of the seal.
На фиг.1, 2 и 4 обозначены: r1 - наибольший радиус кольцевой щели; r2 - наименьший радиус щели; Δr = r1 - r2 - толщина кольцевой щели.In figure 1, 2 and 4 are indicated: r 1 - the largest radius of the annular gap; r 2 is the smallest gap radius; Δr = r 1 - r 2 is the thickness of the annular gap.
Первый вариант (фиг.1) устройства (предназначен для снижения проточки "холодного" теплоносителя из уплотняемой камеры 1) содержит дроссельный канал 2, образованный кольцевой поверхностью радиуса r1статора 3 и ответной поверхностью радиуса r2 ротора 4. В статор встроен регулируемый нагреватель 5, например электрического типа. Пуcтотелые трубчатые зонды 6 и 7 своими наконечниками, оснащенными термодатчиками 8, граничат со статорной и роторной поверхностями дроссельного канала соответственно. Сам дроссельный канал 2 может быть простым щелевым (фиг.3) или "загроможден" винтовыми нарезками (фиг.3А) и гребнями типа "усиков" (фиг.3Б).The first variant (Fig. 1) of the device (designed to reduce the groove of the “cold” coolant from the sealable chamber 1) contains a
Этот же вариант устройства (фиг.2), но предназначенный для снижения протечек "горячего" теплоносителя из камеры 9, содержит аналогичный дроссельный канал 10, образованный цилиндрической радиуса r2поверхностью статора 11 и ответной радиуса r1 поверхностью пазовой выточки на роторе 12, однако, в статор встроен регулируемый холодильник 13, например змеевик для циркуляции холодного теплоносителя. По аналогии с фиг.3 дроссельный канал 10 может быть простым щелевым или "загроможден" винтовыми канавками или гребнями типа "усиков", но обязательно должен быть оснащен пустотелыми проточными трубчатыми зондами с наконечниками, граничащими с кольцевой статорной поверхностью радиуса r2 и аналогичными зондами, граничащими с роторной поверхностью радиуса r1. Внутри наконечников зондов установлены аналогичные термодатчики 8.The same version of the device (figure 2), but designed to reduce leakage of the "hot" coolant from the
Второй вариант устройства (фиг.4) содержит уплотняемую камеру 14 и дроссельный канал 15, образованный цилиндрическими поверхностями радиуса r1 статора 16 и радиуса r2 ротора 17. Участок статорной поверхности 18 выполнен проницаемым, а потому гидравлически (через микропоры) связан с камерой 19 для внешнего наддува газа (проницаемость обеспечивается изготовлением втулок 18 из пористого фторопласта или металлического порошка - гранул методом порошковой металлургии).The second variant of the device (Fig. 4) comprises a
Уплотнение работает следующим образом (фиг.1). The seal works as follows (figure 1).
Охлажденная среда (жидкость) вытекает из камеры 1 через дроссельный канал 2. Поверхность ротора 4 радиуса r2 охлаждена до температуры t2, ответная поверхность статора 3 с радиусом r1, нагретая термоэлементом 5, имеет температуру t1>t2. Вдоль радиуса кольца толщиной Δr = (r1-r2)>0 создается положительный градиент температуры:
▽t = > 0 , но отрицательный градиент плотности среды (жидкости)
▽ρ = < 0 , где ρ1 - плотность при t1; ρ2 - при t2; t1>t2; ρ1 > ρ2 .The cooled medium (liquid) flows from the
▽ t = > 0, but a negative gradient in the density of the medium (liquid)
▽ ρ = <0, where ρ 1 is the density at t 1 ; ρ 2 - at t 2; t 1 > t 2; ρ 1 > ρ 2 .
Во вращающемся с частотой Ω кольцевом потоке под влиянием ▽ ρ <0 и центробежных сил Ц возникает сложное, неустойчивое, вихревое (турбулентное) движение, увеличивающее гидравлическое сопротивление и поэтому снижающее в итоге протечки среды наружу. In a ring flow rotating with a frequency Ω, under the influence of ▽ ρ <0 and centrifugal forces C, a complex, unstable, vortex (turbulent) movement arises, which increases the hydraulic resistance and therefore reduces the resultant outflow of the medium.
Механизм возникновения неустойчивости потока: тяжелые (холодные) частицы жидкости, граничащие с ротором, под влиянием сил Ц стремятся переместиться к статору, а легкие (нагретые) частицы - к ротору. В результате такого внешнего энергетического воздействия возникает развитая турбулентность в кольцевом потоке, собственной энергии которого явно не достаточно для зарождения турбулентных пульсаций. В случае + ▽ ρ поток под влиянием сил Ц наоборот стабилизируется, пульсации гасятся, гидравлическое сопротивление снижается. The mechanism of flow instability: heavy (cold) fluid particles bordering the rotor, under the influence of the forces C, tend to move to the stator, and light (heated) particles to the rotor. As a result of such external energy impact, developed turbulence arises in the annular flow, the self-energy of which is clearly not enough for the generation of turbulent pulsations. In the case of + ▽ ρ, the flow, under the influence of the forces of C, stabilizes on the contrary, the pulsations are damped, and the hydraulic resistance decreases.
Как показали эксперименты, гидравлическое сопротивление увеличивается лишь при соблюдении определенного условия, т.е. при определенном сочетании Ω , Δ ρ , Δ r. Поэтому для создания оптимальных режимов работы уплотнения важно измерять температуры t1 и t2 и по ним определять ρ1 и ρ1 . Для этого используются отсасывающие трубчатые зонды 6 и 7,в наконечниках которых установлены термодатчики 8.As experiments have shown, hydraulic resistance increases only if a certain condition is met, i.e. for a certain combination of Ω, Δ ρ, Δ r. Therefore, to create optimal operating conditions of the seal, it is important to measure the temperatures t 1 and t 2 and determine ρ 1 and ρ 1 from them . For this,
В случае истечения нагретой среды из камеры 9 (фиг.2) через канал 10 поверхность ротора 12 радиуса r1 нагрета до t1, ответная поверхность статора 12 радиуса r2 охлаждена до t2<t1 (благодаря холодильнику 13), вдоль радиуса кольца Δr = (r1 - r2)>0 также создается отрицательный градиент плотности.In the event of the flow of the heated medium from the chamber 9 (Fig. 2) through the
▽ρ = < 0 (t1>t2, ρ1< ρ2).▽ ρ = <0 (t 1 > t 2 , ρ 1 <ρ 2 ).
Аналогично работает и второй вариант устройства (фиг.4). The second embodiment of the device works similarly (Fig. 4).
Жидкость вытекает из камеры 14 через дроссельный канал 15. Поверхности ротора 17 радиуса r2 и статора 16 радиуса r1 имеют одинаковую температуру. Отрицательный градиент плотности -▽ ρ вдоль радиуса кольца Δr = (r1-r2)>0 создается за счет вдувания диспергированного газа из камеры 19 через проницаемую поверхность 18 статора в кольцевой поток
▽ρ = < 0 , где ρ1 - плотность аэрированной жидкости возле поверхности 18 радиуса r1; ρ2 - плотность жидкости у роторной поверхности радиуса r2; ρ1 < ρ2.The liquid flows from the
▽ ρ = <0, where ρ 1 is the density of the aerated liquid near the
Величины ρ1 и ρ2 можно оценить, зная расход вдуваемого газа Q", порозность ϑ проницаемой перегородки и величину протечек жидкости QI: ρ1 ≈ (1- ϑ ) ρ* ˙ ρ2 = [1 - QII/(QII + QI)] ρ* , где ρ* плотность чистой (без газа) жидкости.The values ρ 1 and ρ 2 can be estimated by knowing the flow rate of the injected gas Q " , the porosity ϑ of the permeable septum, and the amount of fluid leakage Q I : ρ 1 ≈ (1- ϑ) ρ * ˙ ρ 2 = [1 - Q II / (Q II + Q I )] ρ * , where ρ * is the density of a clean (without gas) liquid.
П р и м е р. Уплотняют вал D2 = 2r2 = 180 мм с помощью лабиринтно-щелевого элемента статора типа Б (фиг.3) D1 = 2r1 = 200 мм, толщиной кольца Δr = r1 - r2 = 100 мм, зазором между гребнем и валом δ = 0,5 мм, шагом гpебней h = 10 мм, числом гребней z= = 10 шт. Характеристика уплотняемой среды: вода при 45о С и давлении 2.105 Па (2 кг/см2) имеет плотность 900 кг/м3. Перепад ΔР давлений 0,4.105 Па.PRI me R. The shaft is sealed D 2 = 2r 2 = 180 mm using the labyrinth-slot element of the stator type B (Fig. 3) D 1 = 2r 1 = 200 mm, the ring thickness Δr = r 1 - r 2 = 100 mm, the gap between the crest and the shaft δ = 0.5 mm, the pitch of the ridges h = 10 mm, the number of ridges z = = 10 pcs. Characteristics of sealing medium: water at 45 ° C and a pressure of 2. 10 5 Pa (2 kg / cm 2 ) has a density of 900 kg / m 3 . The differential pressure ΔP of 0.4 . 10 5 Pa.
1. При изотермическом течении воды по дроссельному каналу при ΔР = 0,4.105 Па температура статора t1 = 45о С и ротора t2 = =45о С, расход протечек G = 0,5 л/c при частоте вращения вала Ω= 50 1/с и G = 0,6 л/с при Ω= 25 1/с.1. With isothermal water flow through the throttle channel at ΔР = 0.4 . 10 5 Pa temperature of the stator t 1 = 45 о С and rotor t 2 = = 45 о С, leakage rate G = 0.5 l / s at shaft rotation frequency Ω = 50 1 / s and G = 0.6 l / s at Ω = 25 1 / s.
Градиент плотности воды вдоль радиуса кольца
▽ρ = = = = 0 .The density gradient of water along the radius of the ring
▽ ρ = = = = 0.
2. Нагрели поверхность r2 статорного элемента до t1 = 120о С (плотность воды ρ1 = 940 кг/м3), сохранив температуру поверхности ротора t2 = 45о С ( ρ2 = 990 кг/м3), расход протечек воды сократился с 0,5 л/с до G* = 0,33 л/с, градиент плотности вдоль радиуса кольца стал отрицательным Δ ρ / Δ r = (940-900): 10-2 = -5.10+3 кг/м4 и определенное условие способа выполнено (режимные параметры оптимальны):
= = 65,3<= 5·10<5Ω2= 5·502=12500
3. Снизили частоту вращения вала до Ω= 25 1/с, сохранив температуры статорных и роторных элементов уплотнения t1 = 120о С ( ρ1= 940 кг/м3) и t2 = 45о С ( ρ2 = 990 кг/м3), протечки увеличились до G = 0,6 л/с, т.е. до величины, соответствующей случаю, когда Ω= 25 1/с и ▽ ρ = 0. Хотя отрицательный градиент плотности и сохранился прежним Δ ρ / Δ r = -5.103 кг/м4, определенное условие нарушилось, работа уплотнения не улучшилась: (режимные параметры не оптимальны):
= 65,3 < = 5·10 > 5Ω2= 5·252= 3125
4. При прежней частоте вращения вала Ω= 25 1/с снизили температуру поверхности r1 статорного элемента до t1 = 90о С ( ρ1= 965,3 кг/м3), сохранив температуру поверхности r2 ротора t2 = 45о С ( ρ2 = 990 кг/м3), протечки сократились с 0,6 л/с до G* = 0,41 л/с, так как определенное условие снова восстановилось: (965,3-990)/10-2 = -2500 кг/м4 и
= 65,3 < = 2500 < 5Ω2= 5·252= 3125
Работа уплотнений снова улучшилась (режимные параметры оптимальны).2. Heated the surface r 2 of the stator element to t 1 = 120 о С (water density ρ 1 = 940 kg / m 3 ), preserving the rotor surface temperature t 2 = 45 о С (ρ 2 = 990 kg / m 3 ), consumption water leakage decreased from 0.5 l / s to G * = 0.33 l / s, the density gradient along the radius of the ring became negative Δ ρ / Δ r = (940-900): 10 -2 = -5 . 10 +3 kg / m 4 and a certain condition of the method is fulfilled (operating parameters are optimal):
= = 65.3 < = 5 · 10 < 5Ω 2 = 5 · 50 2 = 12500
3. Reduced the shaft speed to Ω = 25 1 / s, while maintaining the temperature of the stator and rotor seal elements t 1 = 120 о С (ρ 1 = 940 kg / m 3 ) and t 2 = 45 о С (ρ 2 = 990 kg / m 3 ), leaks increased to G = 0.6 l / s, i.e. to the value corresponding to the case when Ω = 25 1 / s and ▽ ρ = 0. Although the negative density gradient remained unchanged Δ ρ / Δ r = -5 . 10 3 kg / m 4 , a certain condition was violated, the compaction work did not improve: (operating parameters are not optimal):
= 65.3 < = 5 · 10 > 5Ω 2 = 5 · 25 2 = 3125
4. At the same shaft rotation frequency Ω = 25 1 / s, the surface temperature r 1 of the stator element was reduced to t 1 = 90 о С (ρ 1 = 965.3 kg / m 3 ), while maintaining the surface temperature r 2 of the rotor t 2 = 45 о С (ρ 2 = 990 kg / m 3 ), leakages decreased from 0.6 l / s to G * = 0.41 l / s, as a certain condition was restored again: (965.3-990) / 10 - 2 = -2500 kg / m 4 and
= 65.3 < = 2500 < 5Ω 2 = 5 · 25 2 = 3125
Seals performance improved again (operating parameters are optimal).
Claims (1)
где Δρ - изменение плотности уплотняющей среды вдоль радиуса кольцевого потока, кг/м3;
Dr - толщина кольцевого потока, м;
Ω - частота вращения вала, с- 1;
6,53 · 10- 7 - эмпирическая константа для уплотняющих сред с кинематической вязкостью ψ ≅ 5·10-6 м2/c.METHOD FOR SEALING A ROTARY MACHINE SHAFT using throttle labyrinth-slit elements of the stator and rotor by external hydro-thermal action on the annular rotating flow of the sealing medium and creating a negative density gradient along the radius of the ring, characterized in that for media with kinematic viscosity not more than 5 · 10 - 6 m 2 / s the average absolute value of the density gradient is maintained in accordance with the ratio
where Δρ is the change in the density of the sealing medium along the radius of the annular flow, kg / m 3 ;
Dr is the thickness of the annular flow, m;
Ω - shaft rotation frequency, s - 1 ;
6.53 · 10 - 7 is the empirical constant for sealing media with kinematic viscosity ψ ≅ 5 · 10 -6 m 2 / s.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU914913175A RU2030661C1 (en) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | Method of sealing shaft of rotor machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU914913175A RU2030661C1 (en) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | Method of sealing shaft of rotor machine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2030661C1 true RU2030661C1 (en) | 1995-03-10 |
Family
ID=21561580
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU914913175A RU2030661C1 (en) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | Method of sealing shaft of rotor machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2030661C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536848C2 (en) * | 2009-02-26 | 2014-12-27 | ПМГ Фюссен ГмбХ | Housing produced by powder metallurgy process and method of its production |
-
1991
- 1991-02-25 RU SU914913175A patent/RU2030661C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения. Машиностроение, 1974, 160. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 1145192 кл. F 16J 15/00, 1985. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536848C2 (en) * | 2009-02-26 | 2014-12-27 | ПМГ Фюссен ГмбХ | Housing produced by powder metallurgy process and method of its production |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bilgen et al. | Functional dependence of torque coefficient of coaxial cylinders on gap width and Reynolds numbers | |
CN102959287B (en) | dry gas sealing structure | |
US4545586A (en) | Damping seal for turbomachinery | |
JP2008524499A (en) | Improved pump and pumping method | |
JPH10509783A (en) | Pressure transducer | |
KR910008912A (en) | Shaft sealing material cooling method and apparatus | |
US4236867A (en) | Friction reducing arrangement for hydraulic machines | |
Zeus | Viscous friction in small gaps—calculations for non-contacting liquid or gas lubricated end face seals | |
RU2030661C1 (en) | Method of sealing shaft of rotor machine | |
EP3051188B1 (en) | Sliding component | |
CN108692026B (en) | A kind of axial end face stationary seal ring device | |
US4341093A (en) | Device for leading cooling liquid out of rotary electric machine with liquid cooled rotor | |
Xiao et al. | A review of mechanical seals heat transfer augmentation techniques | |
CN110332016B (en) | Hole type sealing structure capable of enhancing sealing performance | |
CN210318503U (en) | Mechanical sealing device | |
CN111379859A (en) | Flushing-free mechanical seal | |
CN207333698U (en) | Ternary distorts type groove end surface mechanical sealing structure | |
CN212155795U (en) | Flushing-free mechanical seal | |
KR20200104815A (en) | Rotary actuator and application thereof | |
Kaneko | Application of porous materials to annular plain seals: part 1—static characteristics | |
JP5298854B2 (en) | Spiral pump for blood | |
Mori et al. | Pressure Flow of Non-Newtonian Fluids between Eccentric Double Cylinders with the Inner Cylinder Rotating Part 2: Experiment | |
KR20190107493A (en) | Fluid heating device through fluid frictional heat | |
RU2235950C2 (en) | Cavitation-vortex heat generator | |
Mainland et al. | Analysis and optimization of semicircular and straight lobe viscous pumps |