RU211080U1

RU211080U1 - Compressor shaft seal

Info

Publication number: RU211080U1
Application number: RU2022107051U
Authority: RU
Inventors: Владимир Семенович Братишко; Вячеслав Юрьевич Батенко; Сергей Александрович Шинкарев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ТРЭМ-Казань"
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована для герметизации вращающихся валов в конструкциях центробежных компрессоров (ЦБК), в частности в системах уплотнений газоперекачивающих агрегатов. Уплотнение вала компрессора содержит последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, торцовое газодинамическое уплотнение, включающее канал подвода уплотняющего газа и каналы отвода утечек, щелевое уплотнение с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом и барьерное уплотнение с каналом подвода барьерного газа, при этом канал подвода уплотняющего газа размещен между щелевым уплотнением и торцовым газодинамическим уплотнением. Щелевое уплотнение с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом состоит из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной сегментов, выполненных с возможностью плотного прилегания к поверхности невращающегося вала компрессора и имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа. Технический результат - снижение расхода уплотняющего газа.

The utility model relates to sealing technology and can be used for sealing rotating shafts in designs of centrifugal compressors (PPM), in particular in sealing systems of gas pumping units. The compressor shaft seal contains a labyrinth seal located in series in the direction from the compressor impeller to the bearings, a mechanical gas-dynamic seal, including a sealing gas supply channel and leakage channels, a slot seal with a non-rotating floating sealing ring and a barrier seal with a barrier gas supply channel, while the channel sealing gas supply is located between the slotted seal and mechanical gas dynamic seal. A slotted seal with a non-rotating floating sealing ring consists of individual segments pulled together along the outer diameter by a bracelet spring, made with the possibility of a snug fit to the surface of the non-rotating compressor shaft and having microgrooves in the form of closed contours on the inner surface around the side of the sealing gas supply, in communication with the cavity sealing gas supply. EFFECT: reduced consumption of sealing gas.

Description

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована для герметизации вращающихся валов в конструкциях центробежных компрессоров (ЦБК), в частности в системах уплотнений газоперекачивающих агрегатов.The utility model relates to sealing technology and can be used for sealing rotating shafts in designs of centrifugal compressors (PPM), in particular in sealing systems of gas pumping units.

Известна система уплотнений вала компрессора (патент РФ № 2254677, опубл. 27.06.2015, МПК F04D 29/10), включающая установленные на концах вала подшипники и концевые уплотнения, в каждое из которых входят последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, узел торцовых газодинамических уплотнений и узел барьерных уплотнений. При этом перед барьерным уплотнением устанавливается маслоотбойник, дополнительно отсекающий концевое уплотнение от подшипника.A compressor shaft seal system is known (RF patent No. 2254677, publ. 06/27/2015, IPC F04D 29/10), including bearings and end seals installed at the ends of the shaft, each of which includes a labyrinth seal, mechanical gas dynamic seal assembly and barrier seal assembly. In this case, an oil baffle is installed in front of the barrier seal, which additionally cuts off the end seal from the bearing.

Недостатком известного решения является большой расход уплотняющего газа, необходимый для нормальной работы торцовых газодинамических уплотненийThe disadvantage of the known solution is the high flow rate of the sealing gas required for the normal operation of mechanical gas-dynamic seals.

Известна система уплотнений вала компрессора (патент №96194, МПК F04D 29/10, опубл. 20.07.2010), включающая установленные на концах вала подшипники и концевые уплотнения, в каждое из которых входят последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, узел торцовых газодинамических уплотнений, включающий канал подвода уплотняющего газа и каналы отвода утечки, и узел барьерных уплотнений, включающий канал подвода барьерного газа (принят за прототип).A compressor shaft seal system is known (patent No. 96194, IPC F04D 29/10, publ. 07/20/2010), including bearings and end seals installed at the ends of the shaft, each of which includes a labyrinth seal arranged in series in the direction from the compressor impeller to the bearings , the site of mechanical gas-dynamic seals, including a channel for supplying a sealing gas and channels for draining a leak, and a barrier seal assembly, including a channel for supplying a barrier gas (taken as a prototype).

Недостатком известной системы является большой расход уплотняющего газа. В лабиринтном уплотнении для предотвращения контакта поверхностей радиальный зазор, образованный поверхностями гребней лабиринтного уплотнения и вала, должен превышать несоосность и биения вала относительно корпусной детали. Обычно радиальный зазор составляет (0,3…0,5) мм.The disadvantage of the known system is the high consumption of sealing gas. In a labyrinth seal, to prevent surface contact, the radial clearance formed by the surfaces of the ridges of the labyrinth seal and the shaft must exceed the misalignment and runout of the shaft relative to the body part. Typically, the radial clearance is (0.3 ... 0.5) mm.

Для исключения проскока в торцовое газодинамическое уплотнение через зазор лабиринтного уплотнения жидкой фазы и мехпримесей из проточной части ЦБК расходу плотняющего газа должен быть таким, чтобы обеспечивалась скорость уплотняющего газа в зазоре лабиринтного уплотнения не менее 10 м/с. В лабиринтном уплотнении для предотвращения контакта поверхностей радиальный зазор обычно составляет (0,3…0,5) мм.To prevent leakage into the mechanical gas-dynamic seal through the gap of the labyrinth seal of the liquid phase and mechanical impurities from the flow part of the pulp and paper mill, the flow rate of the sealing gas must be such that the speed of the sealing gas in the gap of the labyrinth seal is at least 10 m/s. In a labyrinth seal, to prevent surface contact, the radial clearance is usually (0.3 ... 0.5) mm.

Например, в ЦБК средней мощностью 16 МВт с уплотняемым давлением 5,2 МПа, диаметром вала 180 мм и радиальным зазором щели лабиринтного уплотнения 0,35 мм, необходимый расход уплотняющего газа на одну сторону ЦБК составляет не менее 500 нм³/ч, на две стороны ЦБК 1000 нм³/ч при величине протечки через одно торцовое газодинамическое уплотнение не более 6 нм³/ч, через два - 12 нм³/ч. Как правило, уплотняющий газ берется с нагнетания ЦБК, т.е. производительность ЦБК при номинальной производительности порядка 1185000 нм³/ч уменьшается на величину расхода уплотняющего газа - на 1000 нм³/ч, что составляет 0,084% от номинальной производительности (уменьшается КПД ЦБК).For example, in a pulp and paper mill with an average power of 16 MW with a sealing pressure of 5.2 MPa, a shaft diameter of 180 mm and a radial clearance of the labyrinth seal slot of 0.35 mm, the required sealing gas flow rate on one side of the pulp and paper mill is at least 500 Nm ³ /h, on two sides of the pulp and paper mill 1000 nm ³ /h with a leakage rate through one mechanical gas-dynamic seal of not more than 6 nm ³ /h, after two - 12 nm ³ /h. As a rule, the sealing gas is taken from the pulp mill discharge, i.e. the productivity of the pulp and paper mill at a nominal capacity of about 1185000 nm ³ /h is reduced by the amount of sealing gas flow - by 1000 nm ³ /h, which is 0.084% of the nominal capacity (the efficiency of the pulp and paper mill decreases).

В основе технического решения на полезную модель является задача повышения эффективности работы системы уплотнений вала компрессора за счет снижения расхода уплотняющего газа при обеспечении сохранения условий нормальной работы узла торцовых газодинамических уплотнений.The technical solution for the utility model is based on the task of increasing the efficiency of the compressor shaft sealing system by reducing the consumption of sealing gas while maintaining the conditions for normal operation of the mechanical gas dynamic seal assembly.

Из справочника «Уплотнения и уплотнительная техника» под общей редакцией А.И. Голубева и Л.А. Кондакова, Москва «Машиностроение» 1986, раздел «Щелевые уплотнения» и из описания изобретений по АС. 922387 МПК F16J 15/453 «Плавающее уплотнительное кольцо щелевого уплотнения», опубл. 23.04.82. Бюллетень №15 и по патенту №2105216 МПК F16J 15/44, F04D 29/12 «Плавающее уплотнительное кольцо щелевого уплотнения», опубл. 20.02.1998 известно щелевое уплотнение с невращающимся плавающим (подвижном в радиальном направлении) уплотнительным кольцом, самоцентрирующимся за счет наличия на его внутренней (несущей) поверхности со стороны подвода уплотняющего газа размещенных по окружности микроканавок в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа.From the handbook "Seals and sealing technology" under the general editorship of A.I. Golubeva and L.A. Kondakova, Moscow "Engineering" 1986, section "Groove seals" and from the description of inventions for the AU. 922387 IPC F16J 15/453 Throat Seal Floating O-Ring, publ. 04/23/82. Bulletin No. 15 and according to patent No. 2105216 IPC F16J 15/44, F04D 29/12 "Floating Throat Seal O-Ring", publ. On February 20, 1998, a slotted seal with a non-rotating floating (radially movable) sealing ring is known, self-centering due to the presence on its inner (bearing) surface from the side of the sealing gas supply, microgrooves placed around the circumference in the form of closed loops communicated with the sealing gas supply cavity.

Недостатком известного щелевого уплотнения с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом, подвижным в радиальном направлении, обеспечивающем компенсации несоосности и биений вала относительно корпусных деталей является то, что за счет выполнения плавающего уплотнительного кольца в цельном виде минимальный обеспечиваемый технологическими соображениями радиальный зазор обычно составляет (0,05-0,1) мм.The disadvantage of the known slotted seal with a non-rotating floating sealing ring, movable in the radial direction, which provides compensation for misalignment and beats of the shaft relative to the body parts, is that due to the execution of the floating sealing ring in one piece, the minimum radial clearance provided by technological considerations is usually (0.05- 0.1) mm.

Технический результат предлагаемой полезной модели - снижение расхода уплотняющего газа достигается тем, что уплотнение вала компрессора, содержащее последовательно расположенные в направлении от рабочего колеса компрессора к подшипникам лабиринтное уплотнение, торцовое газодинамическое уплотнение, включающее канал подвода уплотняющего газа и каналы отвода утечек, барьерное уплотнение с каналом подвода барьерного газа, при этом между лабиринтным и торцовым газодинамическим уплотнениями установлено щелевое уплотнение с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом, состоящим из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной сегментов, выполненных с возможностью плотного прилегания к поверхности невращающегося вала компрессора и имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа, причем канал подвода уплотняющего газа размещен между щелевым уплотнением и торцовым газодинамическим уплотнением.The technical result of the proposed utility model - reducing the consumption of sealing gas is achieved by the fact that the compressor shaft seal, containing a labyrinth seal arranged in series in the direction from the compressor impeller to the bearings, a mechanical gas-dynamic seal, including a sealing gas supply channel and leakage channels, a barrier seal with a channel barrier gas supply, while between the labyrinth and mechanical gas-dynamic seals there is a slot seal with a non-rotating floating sealing ring, consisting of separate segments pulled together along the outer diameter by a bracelet spring, made with the possibility of a snug fit to the surface of the non-rotating compressor shaft and having on the inner surface around the circumference on the sealing gas supply side, microgrooves in the form of closed circuits connected with the sealing gas supply cavity, with the sealing gas supply channel located between the slotted seal and mechanical gas-dynamic seal.

В полезной модели применено известно щелевое уплотнение с невращающимся плавающим (подвижном в радиальном направлении) уплотнительным кольцом, выполненным из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной сегментов, имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа (каталог конструкций 15.1, Бургманн, уплотнения CSR)In the utility model, a well-known slotted seal is used with a non-rotating floating (moving in the radial direction) sealing ring made of separate segments pulled together along the outer diameter by a bracelet spring, having microgrooves in the form of closed contours on the inner surface around the circumference from the side of the sealing gas supply. sealing gas cavity (design catalog 15.1, Burgmann, CSR seals)

Достоинством известного щелевого уплотнения с невращающимся плавающим уплотнительным кольцом, выполненным из отдельных, стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной минимум трех сегментов, имеющих на внутренней поверхности по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавки в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа, является следующее:The advantage of the well-known slotted seal with a non-rotating floating sealing ring made of at least three segments, pulled together along the outer diameter by a bracelet spring, having microgrooves in the form of closed contours on the inner surface around the circumference from the side of the sealing gas supply, communicated with the sealing gas supply cavity, is following:

1) плавающее невращающееся уплотнительное кольцо, имеющее подвижность в радиальном направлении, обеспечивает компенсацию несоосности и биений вала относительно корпусных деталей, и радиальный зазор щели может быть уменьшен до минимума, определяемого технологическими соображениями;1) a floating non-rotating sealing ring, having mobility in the radial direction, provides compensation for misalignment and beats of the shaft relative to the body parts, and the radial clearance of the slot can be reduced to a minimum determined by technological considerations;

2) плавающее невращающееся уплотнительное кольцо, выполненное из отдельных минимум трех сегментов, стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной из-за возможности наличия зазора в стыках сегментов, позволяет выполнить сегменты с полным прилеганием внутренней (рабочей) поверхности к поверхности вала (радиальный зазор 0 мкм);2) a floating non-rotating sealing ring made of at least three individual segments, pulled together along the outer diameter by a bracelet spring due to the possibility of a gap in the joints of the segments, allows you to make segments with a full fit of the inner (working) surface to the shaft surface (radial clearance 0 μm );

3) наличие на внутренней (рабочей) поверхности сегментов по окружности со стороны подвода уплотняющего газа микроканавок в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа, исключает при вращении вала контактирование внутренней рабочей поверхности сегментов с поверхностью вала за счет возникновения при вращении вала газодинамической силы, действующей в радиальном направлении на внутреннюю поверхность сегментов, и сегменты всплывают над поверхностью вала образуя радиальный зазор (3-7 мкм).3) the presence on the inner (working) surface of the segments along the circumference from the side of the sealing gas supply of microgrooves in the form of closed contours connected with the sealing gas supply cavity, which excludes contact of the inner working surface of the segments with the shaft surface during the rotation of the shaft due to the occurrence of a gas-dynamic force during the rotation of the shaft acting in the radial direction on the inner surface of the segments, and the segments float above the surface of the shaft forming a radial gap (3-7 microns).

Полезная модель представлена на чертежахThe utility model is shown in the drawings

фиг.1 - общий вид уплотнения одного из концов вала компрессора;figure 1 - General view of the seal of one of the ends of the shaft of the compressor;

фиг.2 - вид плавающего уплотнительного кольца щелевого уплотнения в разрезе.figure 2 is a view of the floating sealing ring throat seal in section.

В состав уплотнения вала входят последовательно расположенные от рабочего колеса 4 компрессора 1 к подшипникам 2 лабиринтное уплотнение 5, торцовое газодинамическое уплотнение 6, включающее канал подвода уплотняющего газа 7 и каналы отвода утечки 8, барьерное уплотнение 9 с каналом подвода барьерного газа 10. Между лабиринтным уплотнением 5 и торцовым газодинамическим уплотнением 6 с каналом подвода уплотняющего газа 7 установлено щелевое уплотнение 11 с плавающим уплотнительным кольцом 12, выполненным из зафиксированных от проворота штифтами 18 отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной 14 минимум трех сегментов 15, имеющих на внутренней рабочей поверхности со стороны подвода уплотняющего газа 7 по окружности, микроканавки 16 в виде замкнутых контуров, сообщенных с полостью подвода уплотняющего газа 7. Внутренний диаметр кольца 12 равен диаметру вала 1 в месте нахождения кольца 12 (в сечении А-А). При этом между торцовыми поверхностями мест стыковки сегментов друг к другу выполнены зазоры 17.The shaft seal consists of a labyrinth seal 5 arranged in series from the impeller 4 of the compressor 1 to the bearings 2; 5 and a mechanical gas-dynamic seal 6 with a sealing gas supply channel 7, a slotted seal 11 with a floating sealing ring 12 is installed, made of individual pins 18 fixed from rotation, pulled together along the outer diameter by a bracelet spring 14, at least three segments 15, having on the inner working surface from the side sealing gas supply 7 around the circumference, microgrooves 16 in the form of closed circuits, connected with the sealing gas supply cavity 7. The inner diameter of the ring 12 is equal to the diameter of the shaft 1 at the location of the ring 12 (in section A-A). At the same time, gaps 17 are made between the end surfaces of the joints of the segments to each other.

Использование уплотнения по заявляемой полезной модели позволяет снизить необходимый расход уплотняющего газа более чем в 10 раз при соблюдении условий обеспечения скорости уплотняющего газа в щели не менее 10 м/с. Касательно приведенного выше примера расход уплотняющего газа снизится до (50 ÷ 100) нм³/ч. Кроме этого, также более чем в 10 раз уменьшаются затраты на подготовку (подогрев и очистку) уплотняющего газа.The use of a seal according to the claimed utility model makes it possible to reduce the required flow rate of the sealing gas by more than 10 times, subject to the conditions for ensuring the speed of the sealing gas in the slot of at least 10 m/s. With respect to the above example, the sealing gas flow will be reduced to (50 ÷ 100) Nm ³ /h. In addition, the cost of preparing (heating and cleaning) sealing gas is also reduced by more than 10 times.

Описание работы устройстваDescription of the device

Уплотняющий газ с давлением, превышающим давление уплотняемого газа в компрессоре, подается в канал 7. Далее часть его поступает в торцовое газодинамическое уплотнение 6, где в виде протечек через уплотнительные ступени отводится через каналы 8, а часть поступает в компрессор через щелевое уплотнение 11 с плавающим кольцом 12, выполненным из отдельных стянутых вместе по наружному диаметру браслетной пружиной 14 минимум трех сегментов 15, и лабиринтное уплотнение 5.Sealing gas with a pressure exceeding the pressure of the gas to be sealed in the compressor is supplied to channel 7. Then part of it enters the mechanical gas-dynamic seal 6, where it is discharged through channels 8 in the form of leaks through the sealing steps, and part enters the compressor through the gap seal 11 with a floating a ring 12 made of at least three segments 15 pulled together along the outer diameter by a bracelet spring 14, and a labyrinth seal 5.

При невращающемся вале (стоянке компрессора) внутренние рабочие поверхности сегментов за счет усилия браслетной пружины 14 и силы, возникающей от давления уплотняющего газа на наружные поверхности сегментов, плотно прижаты к поверхности вала 1. Радиальный зазор между поверхностью вала 1 и внутренними рабочими поверхностями сегментов 15, образующих кольцо 12 равен 0 и протечка уплотняющего газа в сторону лабиринтного уплотнения 5 осуществляется только через зазоры 17 в стыках между сегментами 15.When the shaft is not rotating (the compressor is parked), the inner working surfaces of the segments are tightly pressed against the surface of the shaft 1 due to the force of the bracelet spring 14 and the force arising from the pressure of the sealing gas on the outer surfaces of the segments. The radial gap between the surface of the shaft 1 and the inner working surfaces of the segments 15 forming the ring 12 is equal to 0 and the leakage of the sealing gas towards the labyrinth seal 5 is carried out only through the gaps 17 in the joints between the segments 15.

При вращении вала, за счет микроканавок 16, возникает газодинамическая подъемная сила, которая воздействует на сегменты 15 уплотнительного кольца 12, заставляя их «всплывать» над поверхностью вала на 3-7 мкм, исключая их взаимный контакт и образуя кольцевой зазор между поверхностью вала 1 и внутренними поверхностями сегментов 15. При этом величина расхода уплотняющего газа обеспечивается из условия создания скорости уплотняющего газа не менее 10 м/с в зазоре, образованном внутренними рабочими поверхностями стянутых вместе браслетной пружиной 14 отдельных сегментов 15 кольца 12 и поверхностью вала 1, а также в зазорах по стыкам 17.When the shaft rotates, due to the microgrooves 16, a gas-dynamic lifting force arises, which acts on the segments 15 of the sealing ring 12, causing them to "float" above the shaft surface by 3-7 microns, excluding their mutual contact and forming an annular gap between the surface of the shaft 1 and internal surfaces of the segments 15. In this case, the flow rate of the sealing gas is provided from the condition of creating a sealing gas velocity of at least 10 m/s in the gap formed by the internal working surfaces of the separate segments 15 of the ring 12 pulled together by the bracelet spring 14 and the surface of the shaft 1, as well as in the gaps at the joints 17.

Claims

Compressor shaft seal containing a labyrinth seal arranged in series in the direction from the compressor impeller to the bearings, a mechanical gas dynamic seal, including a sealing gas supply channel and leakage channels, a barrier seal with a barrier gas supply channel, characterized in that between the labyrinth and mechanical gas dynamic seals a gap seal with a non-rotating floating sealing ring is installed, consisting of separate segments pulled together along the outer diameter by a bracelet spring, made with the possibility of a snug fit to the surface of the non-rotating compressor shaft and having microgrooves in the form of closed contours on the inner surface around the circumference from the side of the sealing gas supply, connected with a cavity for supplying a sealing gas, and the channel for supplying a sealing gas is located between the slotted seal and the mechanical gas dynamic seal.