RU2099618C1

RU2099618C1 - Contactless end seal

Info

Publication number: RU2099618C1
Application number: RU95112054A
Authority: RU
Inventors: Валерий Борисович Балякин; Дмитрий Константинович Новиков; Сергей Викторинович Фалалеев
Original assignee: Валерий Борисович Балякин; Дмитрий Константинович Новиков; Сергей Викторинович Фалалеев
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1997-12-20
Also published as: RU95112054A

Abstract

FIELD: hydraulic machinery engineering; multi-mode turbomachines, especially cantilever compressor machines. SUBSTANCE: contactless end seal includes working gas flow rate limiter made in form of labyrinth and two sealing stages mounted in single housing in series. Each sealing stage is provided with seal ring which is movable axially and is locked against turn. Sealing ring is provided with projection formed due to stepped change of thickness of ring on side of inner diameter. This ring is tightly fitted in housing on flexible members by means of secondary seal forming sealing slot with revolving ring flexibly fitted on shaft; it is also provided with clearance control device made in form of circular stepped sealing surface having recess on side of periphery on end face of revolving ring with ribs located in zone of recess of stepped surface from step to periphery of ring; they have lesser height as compared with step; they are directed towards high-pressure cavity and are inclined in direction of rotation of shaft. This device may be also made in form of circular bores in outer cylindrical surface of revolving ring, thin-wall projection on sealing ring with bore at its base on the reverse of ring mounted for secondary rubber seal on side of sealing ring and housing of movable circular member made from polymer possessing increased antifriction properties; provision is made for unloading over inner cylindrical bearing surface of member. Construction of seal provides for amount and shape of clearance during operation of turbomachine excluding effect of start-stop mode on serviceability of end seal. EFFECT: enhanced stability of time characteristics, enhanced efficiency and increased service life. 4 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике, а именно к торцовым уплотнениям многорежимных турбомашин. The invention relates to a sealing technique, namely to mechanical seals of multi-mode turbomachines.

Известно торцовое уплотнение (см. патент ФРГ 3722303, кл. F 16 J 15/34, 19.01.89), устройство регулирования зазора которого выполнено в виде клиновидных канавок на рабочей торцовой поверхности вращающегося кольца, создающих насосный эффект и нагнетающих газ в уплотнительную щель. Уплотнительный эффект обеспечивается гладкой щелью, расположенной ниже внутреннего диаметра зоны расположения канавок. A mechanical seal is known (see German patent 3722303, class F 16 J 15/34, 01/19/89), the clearance control device of which is made in the form of wedge-shaped grooves on the working end surface of the rotating ring, creating a pumping effect and pumping gas into the sealing gap. The sealing effect is provided by a smooth gap located below the inner diameter of the grooves.

Недостатком данного уплотнения является ограниченный ресурс из-за касаний рабочих поверхностей во время пусков и остановов турбомашины и, следовательно, их изнашивания. Это приводит к уменьшению глубины канавок и снижает их эффективность, что может послужить причиной выхода уплотнения из строя. Кроме того, для обеспечения малой утечки рабочего тела через уплотнение гладкая уплотнительная щель должна иметь большую протяженность, что увеличивает габариты уплотнения. Устройство регулирования зазора воздействует лишь на величину зазора, но не на его форму. The disadvantage of this seal is the limited resource due to contact of the working surfaces during starts and stops of the turbomachine and, consequently, their wear. This leads to a decrease in the depth of the grooves and reduces their effectiveness, which can cause the seal to fail. In addition, to ensure low leakage of the working fluid through the seal, the smooth sealing gap must have a large length, which increases the dimensions of the seal. The clearance control device affects only the size of the gap, but not its shape.

Этими же недостатками обладают другие известные торцовые уплотнения с газодинамическими камерами (патент США N 2623357, кл. F 16 J 15/34, 1952; Европейский патент N 0037210, кл. F 16 J 15/34, 18.03.81). Other known mechanical seals with gas-dynamic chambers have the same drawbacks (US Pat. No. 2,623,357, class F 16 J 15/34, 1952; European Patent No. 0037210, class F 16 J 15/34, 03/18/81).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является торцовое гидродинамическое уплотнение (см. патент ФРГ N 2248572, кл. F 16 J 15/34, 1976), в котором устройство регулирования зазора выполнено гидростатическим в виде ступенчатой поверхности со стороны полости высокого давления и глухих пазов, соединяющих область ступеньки с областью узкой щели. Это обеспечивает дополнительную принудительную подачу смазки в зону контакта, что, в свою очередь, уменьшает опасность изнашивания контактирующих поверхностей во время работы турбомашины. The closest in technical essence to the proposed object is a mechanical hydrodynamic seal (see German patent N 2248572, CL F 16 J 15/34, 1976), in which the clearance control device is made hydrostatic in the form of a stepped surface from the side of the high-pressure cavity and deaf grooves connecting the area of the step with the area of a narrow gap. This provides an additional forced supply of lubricant to the contact zone, which, in turn, reduces the risk of wear of the contacting surfaces during operation of the turbomachine.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, так как при подводе смазки в область узкой щели с помощью глухих пазов возрастают и утечки через уплотнение. Кроме того, при пуске и останове турбомашины рабочие поверхности будут касаться. Их изнашивание приводит к уменьшению ступеньки и резко снижает регулирующую зазор силу, так как смазка в глухие пазы поступает лишь при наличии ступеньки. Это снижает ресурс уплотнения. A disadvantage of the known device is its low efficiency, since when supplying lubricant to the narrow gap area with the help of blind grooves, leakages through the seal also increase. In addition, when starting and stopping the turbomachine, the working surfaces will touch. Their wear leads to a decrease in the step and sharply reduces the force regulating the gap, since the lubricant enters into the blind grooves only when there is a step. This reduces the compaction life.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности и ресурса торцового уплотнения за счет регулирования величины и формы зазора и исключения влияния изнашивания уплотнительных поверхностей при пуске и остановке турбомашины на газодинамический механизм регулирования величины зазора. The basis of the invention is the task of increasing the efficiency and resource of the mechanical seal by regulating the size and shape of the gap and eliminating the influence of wear of the sealing surfaces when starting and stopping the turbomachine on the gas-dynamic mechanism for regulating the size of the gap.

Поставленная задача решена тем, что в торцовом бесконтактном уплотнении, состоящем из последовательно установленных в едином корпусе ограничителя расхода рабочего газа в виде лабиринта и двух ступеней уплотнения, каждая из которых содержит зафиксированное от проворота подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо с выступом, образованным ступенчатым изменением толщины кольца со стороны внутреннего диаметра, которое установлено герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе на упругих элементах и образует уплотнительную щель с упругоустановленным на валу вращающимся кольцом, и устройство регулирования зазора, при этом устройство регулирования зазора выполнено в виде уплотнительной кольцевой поверхности ступенчатой формы с углублением со стороны периферии на торцовой рабочей поверхности вращающегося кольца с ребрами, расположенными в зоне углубления ступенчатой поверхности от ступеньки до периферии кольца и выполненными меньшей высоты по сравнению со ступенькой, направленными в сторону полости высокого давления и наклоненными в направлении вращения вала, а также в виде кольцевых проточек на наружной цилиндрической поверхности вращающегося кольца, тонкостенного выступа на уплотнительном кольце с проточкой у его основания с обратной стороны кольца, установленного под вторичное резиновое уплотнение со стороны уплотнительного кольца и корпуса подвижного кольцевого элемента из полимера с повышенными антифрикционными свойствами и с разгрузкой по внутренней цилиндрической опорной поверхности элемента. The problem is solved in that in a non-contact mechanical seal, consisting of a sequentially installed working gas flow restrictor in the form of a labyrinth and two sealing stages, each of which contains an axially movable sealing ring with a protrusion formed by a stepwise change in thickness rings on the side of the inner diameter, which is sealed by means of a secondary rubber seal in the housing on the elastic elements and form a sealing slit with a rotating ring resiliently mounted on the shaft, and a clearance adjusting device, wherein the clearance adjusting device is made in the form of a stepped annular sealing surface with a recess on the periphery side on the end face of the rotating ring with ribs located in the stepped surface recess zone from the step to the periphery of the ring and made smaller than the step, directed towards the high-pressure cavity and tilted to the direction of rotation of the shaft, as well as in the form of annular grooves on the outer cylindrical surface of the rotating ring, a thin-walled protrusion on the sealing ring with a groove at its base on the reverse side of the ring, mounted under the secondary rubber seal on the side of the sealing ring and the housing of the movable ring of polymer polymer antifriction properties and with unloading on the inner cylindrical supporting surface of the element.

На фиг. 1 показан уплотнительный узел в сборе в разрезе; на фиг. 2 - рабочий торец вращающегося кольца; на фиг. 3 разрез уплотнительного кольца со вторичным уплотнением; на фиг. 4 рабочее положение уплотнительного кольца при перекосах. In FIG. 1 shows a sealing assembly in section; in FIG. 2 - working end face of a rotating ring; in FIG. 3 section of a sealing ring with a secondary seal; in FIG. 4 working position of a sealing ring at distortions.

Торцовое бесконтактное уплотнение, состоящее из последовательно установленных в едином корпусе 1 ограничителя расхода рабочего газа в виде лабиринта 2 и двух ступеней уплотнения 3 и 4, предназначено для разделения газовой (A) и масляной (E) полостей (фиг. 1). Полость A образована корпусом 5 турбомашины и тыльной стороной центробежного колеса 6. Уплотнение является единым блоком и имеет модульную конструкцию. Вращающиеся детали закреплены на втулке 7, которая закрепляется на валу 8 с помощью гайки 9. Крутящий момент передается с помощью штифта 10. Ступени уплотнения закреплены в корпусе 1 крышками 11 и 12. Ступень 3 является основной, а ступень 4 резервной. Они образуют четыре промежуточных полости. В полость B по каналу 13 подается газ с выхода центробежной ступени 6 через фильтры тонкой очистки. Часть его просачивается через ступень 3 в полость B. Остальной же газ через лабиринт 2 возвращается обратно в центробежную ступень. Утечки газа из основной ступени 3 через лабиринт на резервной ступени 4 попадают в полость Г и посредством системы каналов 14 выбрасываются в атмосферу. Резервная ступень 4 работает при небольшом перепаде давления, утечки из нее попадают в полость Д и через канал 15 выбрасываются в атмосферу. Винтоканавочное уплотнение 16 разъединяет полость Д и масляную полость Е. A mechanical non-contact seal, consisting of a sequentially installed in a single housing 1 flow restrictor of the working gas in the form of a labyrinth 2 and two stages of the seal 3 and 4, is designed to separate the gas (A) and oil (E) cavities (Fig. 1). The cavity A is formed by the housing 5 of the turbomachine and the rear side of the centrifugal wheel 6. The seal is a single unit and has a modular design. The rotating parts are fixed on the sleeve 7, which is mounted on the shaft 8 with the nut 9. The torque is transmitted using the pin 10. The sealing steps are fixed in the housing 1 by the covers 11 and 12. Stage 3 is the main, and the stage 4 is backup. They form four intermediate cavities. Gas is supplied to cavity B through channel 13 from the exit of the centrifugal stage 6 through fine filters. Part of it seeps through stage 3 into cavity B. The rest of the gas through the labyrinth 2 returns back to the centrifugal stage. Gas leaks from the main stage 3 through the labyrinth at the reserve stage 4 fall into the cavity Г and are discharged into the atmosphere through a system of channels 14. The backup stage 4 operates with a small pressure drop, leaks from it fall into the cavity D and are discharged through the channel 15 into the atmosphere. Spiral seal 16 separates the cavity D and the oil cavity E.

Каждая из ступеней содержит подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо 17 с выступом, образованным ступенчатым изменением толщины кольца со стороны внутреннего диаметра. Кольцо 17 зафиксировано от проворота с помощью выступов на его наружной части, входящих в пазы в корпусе 18. Оно установлено герметично посредством вторичного резинового уплотнения 19 в корпусе 18 на упругих элементах 20. Уплотнительное кольцо 17 образует уплотнительную щель с вращающимся кольцом 3, которое упруго установлено на втулке 7. Это позволяет произвести центрирование кольца 3 и компенсацию технологических перекосов (самоустановку кольца) при вращении ротора. Крутящий момент передается с помощью штифта 21. Статические уплотнения осуществляются резиновыми кольцами 22. Each of the steps contains an axially movable sealing ring 17 with a protrusion formed by a stepwise change in the thickness of the ring from the side of the inner diameter. The ring 17 is fixed against rotation by the protrusions on its outer part, which enter the grooves in the housing 18. It is sealed by means of a secondary rubber seal 19 in the housing 18 on the elastic elements 20. The sealing ring 17 forms a sealing gap with a rotating ring 3, which is resiliently mounted on the sleeve 7. This allows the centering of the ring 3 and the compensation of technological distortions (self-installation of the ring) during rotation of the rotor. Torque is transmitted using pin 21. Static seals are carried out by rubber rings 22.

На торцовой поверхности вращающегося кольца 3 (фиг. 2) выполнена ступенька 23 высотой h с углублением со стороны периферии вращающегося кольца. От ступеньки в сторону периферии кольца отходят ребра 24, выполненные меньшей высоты H по сравнению со ступенькой, направленные в сторону полости высокого давления и наклоненные в направлении вращения вала. Штриховыми линиями 25 показаны контуры уплотнительного кольца 17, контактирующего с кольцом 3. На вращающемся кольце 3 по наружному диаметру выполнены кольцевые проточки 26 для интенсификации отвода тепла от зоны контакта. Одновременно эти проточки выполняют роль лабиринтного уплотнения для ограничения расхода рабочего охлаждающего профильтрованного газа. On the end surface of the rotating ring 3 (Fig. 2) there is a step 23 of height h with a recess from the periphery of the rotating ring. From the step toward the periphery of the ring, ribs 24 extend, made of a lower height H compared with the step, directed towards the high-pressure cavity and inclined in the direction of rotation of the shaft. The dashed lines 25 show the contours of the sealing ring 17 in contact with the ring 3. On the rotating ring 3, annular grooves 26 are made along the outer diameter to intensify heat removal from the contact zone. At the same time, these grooves act as a labyrinth seal to limit the flow rate of the working filtered filtered gas.

Выступ 27 (фиг. 3) на уплотнительном кольце 17 со стороны внутреннего диаметра выполнен тонкостенным с проточкой 28 у его основания с обратной стороны кольца. Вторичное резиновое уплотнение 19 устанавливается со стороны уплотнительного кольца 17 и корпуса 18 на λ-образный элемент 29 с малой опорной внутренней цилиндрической поверхностью с газостатической разгрузкой, что обеспечивается формой элемента 29. Элемент изготовлен из полимера с повышенными антифрикционными свойствами. The protrusion 27 (Fig. 3) on the sealing ring 17 from the side of the inner diameter is made thin-walled with a groove 28 at its base from the back of the ring. The secondary rubber seal 19 is installed on the side of the sealing ring 17 and the housing 18 on the λ-shaped element 29 with a small supporting inner cylindrical surface with gas-static unloading, which is ensured by the shape of the element 29. The element is made of polymer with increased antifriction properties.

При вращении вала ребра 24 обеспечивают нагнетание рабочей среды в зону зазора, образуя газодинамическое усилие, препятствующее контакту колец 3 и 17. Ступенька 23 ограничивает величину уплотнительной щели, что снижает утечки рабочей среды через уплотнение. Высотой ступеньки h можно регулировать величину утечек, а высотой H и наклоном ребер можно регулировать газодинамическое усилие и жесткость смазочной пленки. Во время пуска и останова турбомашины кольца 3 и 17 контактируют только в зоне утечки, что предотвращает изнашивание ребер 24. То есть даже при изнашивании ступеньки смазка будет нагнетаться в зазор, а геометрия ребер и, следовательно, их способность генерировать газодинамическую силу остается неизменной. When the shaft rotates, the ribs 24 provide the injection of the working medium into the gap zone, forming a gas-dynamic force that prevents the contact of the rings 3 and 17. The step 23 limits the size of the sealing gap, which reduces the leakage of the working medium through the seal. The height of the step h can be used to control the amount of leakage, and the height H and the slope of the ribs can be used to control the gas-dynamic force and rigidity of the lubricating film. During start-up and shutdown of the turbomachine, rings 3 and 17 contact only in the leakage zone, which prevents wear of the ribs 24. That is, even when the step wears out, the lubricant will be pumped into the gap, and the geometry of the ribs and, therefore, their ability to generate gas-dynamic force remains unchanged.

Это приводит к постоянству величины зазора во время эксплуатации турбомашины. В зоне трения выделяется тепло, приводящее к температурным деформациям колец. Кольцевые проточки 26 увеличивают конвективную теплоотдачу к протекающему между вращающимся кольцом 3 и крышкой 11 охлаждающему газу, что снижает температуру колец и искажение формы зазора. То есть в данном случае совмещены функции интенсификации теплоотдачи и лабиринтного уплотнения. В случае подачи инертного разделительного газа между 1 и 2 ступенями в полость Г со сбросом утечек из основной ступени уплотнения в атмосферу непосредственно из полости В такое исполнение исключает необходимость установки дополнительного лабиринтного уплотнения (см. каталог фирмы "BURGMANN", стр. 56, нижний рисунок). Это снижает осевые габариты уплотнительного узла на осевую длину лабиринтного уплотнения, что особенно важно при консольном расположении крыльчатки компрессора, где осевая длина уплотнительного узла оказывает определяющее влияние на величину консоли и динамические характеристики ротора. Выполнение выступа 27 уплотнительного кольца 17 с уменьшенной толщиной и проточкой 28 обеспечивает его податливость. При повышении перепада давления на уплотнении от силовых и температурных деформаций возникает перекос сечения уплотнительного кольца (фиг. 4). Выступ 27 отгибается, и на выходе из щели устанавливается участок плоскопараллельного зазора. Использование дополнительного элемента 29 между вторичным резиновым уплотнением 19, уплотнительным кольцом 17 и корпусом 18 обеспечивает отсутствие заеданий при осевых перемещениях уплотнительного кольца 17 при отслеживании перемещений ротора. При значительных перекосах вала относительно корпуса уплотнительное кольцо отследит эти перемещения из-за упругой установки вращающегося кольца 3 и большей угловой подвижности кольца 17 за счет возможности увеличения зазора между внутренней поверхностью уплотнительного кольца 17 и центрирующей поверхности корпуса 18. Это стало возможным благодаря тому, что установленный дополнительный элемент 29 предотвращает выдавливание резинового кольца в зазор. This leads to a constant gap during operation of the turbomachine. Heat is generated in the friction zone, leading to thermal deformations of the rings. The annular grooves 26 increase the convective heat transfer to the cooling gas flowing between the rotating ring 3 and the cover 11, which reduces the temperature of the rings and the distortion of the shape of the gap. That is, in this case, the functions of intensifying heat transfer and labyrinth compaction are combined. If an inert separation gas is introduced between stages 1 and 2 into cavity G with leakage from the main sealing stage to the atmosphere directly from cavity B, this design eliminates the need for an additional labyrinth seal (see the BURGMANN catalog, page 56, bottom figure ) This reduces the axial dimensions of the sealing assembly by the axial length of the labyrinth seal, which is especially important with the cantilever arrangement of the compressor impeller, where the axial length of the sealing assembly has a decisive influence on the size of the cantilever and the dynamic characteristics of the rotor. The implementation of the protrusion 27 of the sealing ring 17 with a reduced thickness and a groove 28 provides for its compliance. With an increase in the pressure drop across the seal from power and temperature deformations, a cross-section of the sealing ring appears (Fig. 4). The protrusion 27 is bent, and at the exit from the slit, a section of plane-parallel clearance is established. The use of an additional element 29 between the secondary rubber seal 19, the sealing ring 17 and the housing 18 ensures that no jamming occurs during axial movements of the sealing ring 17 when tracking the rotor movements. With significant distortions of the shaft relative to the housing, the sealing ring will track these movements due to the elastic installation of the rotating ring 3 and the greater angular mobility of the ring 17 due to the possibility of increasing the gap between the inner surface of the sealing ring 17 and the centering surface of the housing 18. This was made possible due to the fact that the installed an additional element 29 prevents extrusion of the rubber ring into the gap.

Таким образом, предлагаемая конструкция уплотнения обеспечит регулирование величины и формы зазора при работе турбомашины и исключит влияние режима пуска-останова на работоспособность торцового уплотнения. В результате уплотнение будет обладать стабильными характеристиками во времени, повышенной эффективностью и ресурсом. Thus, the proposed design of the seal will provide control of the size and shape of the gap during operation of the turbomachine and eliminate the influence of the start-stop mode on the performance of the mechanical seal. As a result, the seal will have stable characteristics over time, increased efficiency and resource.

Данное уплотнение возможно применять в многорежимных турбомашинах с высокими давлениями рабочей среды. Особенно эффективно применение для консольных компрессорных машин, где возникают значительные перекосы вала относительно корпуса. This seal can be used in multi-mode turbomachines with high pressures of the working medium. Especially effective is the application for cantilever compressor machines, where there are significant distortions of the shaft relative to the housing.

Claims

A non-contact mechanical seal, consisting of a labyrinth and two sealing stages, sequentially installed in a single enclosure of a working gas flow limiter, each of which contains an axially movable sealing ring with a protrusion formed by a stepwise change in the thickness of the ring from the side of the inner diameter, which installed tightly by means of a secondary rubber seal in the housing on the elastic elements and forms a sealing gap with elastic devices a rotating ring on the shaft, and a clearance adjustment device, characterized in that the clearance adjustment device is made in the form of a stepped annular sealing surface with a recess on the periphery side on the end working surface of the rotating ring with ribs located in the stepped surface recess zone from the step to the periphery rings and made of a lower height in comparison with a step directed towards the high-pressure cavity and inclined in the direction of rotation of the shaft, as well as in the form of annular grooves on the outer cylindrical surface of the rotating ring, a thin-walled protrusion on the sealing ring with a groove at its base on the reverse side of the ring, mounted under the secondary rubber seal on the side of the sealing ring and the body of the movable ring element made of polymer with increased antifriction properties and with unloading on the inner cylindrical supporting surface of the element.