RU2133898C1

RU2133898C1 - Sealing of turbocompress0r shaft

Info

Publication number: RU2133898C1
Application number: RU96113308/06A
Authority: RU
Inventors: Василий Романович Пшик (UA); Василий Романович Пшик; Владимир Евгеньевич Сухиненко (UA); Владимир Евгеньевич Сухиненко; Евгений Дмитриевич Роговой (UA); Евгений Дмитриевич Роговой; Владимир Иванович Данилейко (UA); Владимир Иванович Данилейко; Валентина Ивановна Гаранжа (UA); Валентина Ивановна Гаранжа
Original assignee: Акционерное общество "Сумское машиностроительное научно-производственное объединение имени М.В.Фрунзе"
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1999-07-27

Abstract

FIELD: sealing technique, possibly in different designation turbocompressor for sealing rotary shafts. SUBSTANCE: sealing of turbocompressor shaft includes mounted in housing axially movable sealing ring with pressure spring and mounted on shaft rotary sealing ring having sealing land and pressure portion limited by diameters on its end surface. Spiral grooves are provided on pressure portion. At least part of these grooves is grouped in at least three sections uniformly spaced along circle. Circumferential length of each section along outer diameter of ring is equal to summed circumferential lengths of inlet portions of spiral grooves of given section or it is less than that value. EFFECT: enhanced reliability of sealing, possibility of working at small rotation number of turbocompressor shaft. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в турбокомпрессорах различного назначения для уплотнения вращающихся валов. The invention relates to a sealing technique and can be used in turbochargers for various purposes for sealing rotating shafts.

Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения со спиральными канавками, содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное с нажимными пружинами и на валу вращающиеся уплотнительные кольца, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и нагнетательный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, направленные против вращения вала [1]. A known design of a self-aligning mechanical seal with spiral grooves, containing axially movable with compression springs installed in the housing and rotating sealing rings on the shaft, the end surface of which has sealing and discharge sections, the latter having spiral grooves directed against the shaft rotation [1].

Недостатком такой конструкции уплотнения вала является неустойчивость слоя газовой смазки в уплотнительном зазоре между уплотнительными кольцами из-за возникновения обратных течений (кольцевых вихрей) в спиральных канавках и на гладких участках между ними, что вызывает неустойчивость уплотнительных колец. Это приводит к снижению надежности работы уплотнения в целом. The disadvantage of this design of the shaft seal is the instability of the gas lubricant layer in the sealing gap between the sealing rings due to the occurrence of reverse flows (ring vortices) in the spiral grooves and in the smooth sections between them, which causes the instability of the sealing rings. This leads to a decrease in the reliability of the seal as a whole.

Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное с нажимными пружинами и на валу вращающееся уплотнительные кольца, торцовая поверхность которого имеет уплотнительный и напорный участки, причем на последнем выполнены спиральные канавки, соединенные прерывистым кольцевым коллектором в группы с равным количеством канавок [2]. The closest to the purpose, technical nature and the achieved result is the shaft seal design adopted as a prototype and containing axially movable with pressure springs and rotating o-rings mounted on the shaft, the end surface of which has a sealing and pressure sections, the latter being made spiral grooves connected by an intermittent annular collector into groups with an equal number of grooves [2].

Однако при этом, из-за перетока газа с предыдущих спиральных канавок в последующие, происходит снижение суммарной напорности самих спиральных канавок и, как следствие, снижение надежности уплотнения в целом. However, due to the flow of gas from the previous spiral grooves into the subsequent ones, the total pressure of the spiral grooves themselves decreases and, as a result, the reliability of the seal as a whole decreases.

В основу изобретения поставлена задача путем повышения суммарной несущей способности спиральных канавок напорного участка расширить область применения уплотнения, повысить надежность и обеспечить его работоспособность при малых скоростях вращения вала турбокомпрессора. The basis of the invention is the task by increasing the total bearing capacity of the spiral grooves of the pressure section to expand the scope of the seal, increase reliability and ensure its performance at low speeds of rotation of the turbocharger shaft.

Поставленная задача достигается тем, что в известной конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащей установленные в корпусе аксиально-подвижное уплотнительное кольцо с нажимной пружиной и вращающееся уплотнительное кольцо, установленное на валу, на торцовой поверхности одного из них имеется уплотнительный поясок и напорный участок, причем на последнем выполнены спиральные канавки, согласно изобретению по меньшей мере часть спиральных канавок сгруппирована в равномерно расположенные по окружности секции, причем число секций не меньше трех. Кроме того, на наружном диаметра кольца окружная протяженность

каждой секции равна или меньше суммы окружных протяженностей

входных участков спиральных канавок, входящих в данную секцию, а радиальная протяженность h_i перемычек между соседними спиральными канавками в секциях не меньше 1/3 радиальной протяженности h_н напорного участка, причем радиальная протяженность h_i перемычек между спиральными канавками в секциях может быть выполнена уменьшающейся по направлению вращения вала турбокомпрессора.This object is achieved in that in the known construction of the shaft seal of the turbocompressor, comprising an axially movable sealing ring with a compression spring installed in the housing and a rotating sealing ring mounted on the shaft, there is a sealing girdle and pressure section on the end surface of one of them, moreover, on the latter spiral grooves are made, according to the invention, at least a portion of the spiral grooves are grouped into sections evenly spaced around the circumference, the number of seconds s at least three. In addition, on the outer diameter of the ring circumferential length

each section is equal to or less than the sum of the circumferential lengths

the input sections of the spiral grooves included in this section, and the radial length h _{i of the} bridges between adjacent spiral grooves in the sections is not less than 1/3 of the radial length h _{n of the} pressure section, and the radial length h _{i of the} bridges between the spiral grooves in the sections can be reduced in direction of rotation of the turbocharger shaft.

Таким образом, уплотнение вала турбокомпрессора обладает следующими существенными отличительными признаками:
выполнение по меньшей мере части спиральных канавок сгруппироваными в равномерно расположенные по окружности секции позволит обеспечить более высокое давление газа на этих участках, что способствует образованию дополнительной волнообразной деформации более податливого уплотнительного кольца, при этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды, обеспечивая устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а также, как следствие, раскрытию уплотнительного зазора при малых скоростях вращения вала турбокомпрессора:
выполнение секций, окружная протяженность

которых на наружном диаметре кольца меньше суммы окружных протяженностей

входных участков спиральных канавок, при этом радиальная протяженность h_i перемычек между соседними спиральными канавкам в секциях меньше чем радиальная протяженность h_н напорного участка, способствует более полному поступлению газа в спиральные канавки, кроме того, уменьшается величина падения давления на входе в спиральные канавки, что способствует повышению их суммарной напорности;
выполнение в секциях перемычек между спиральными канавками с монотонно уменьшающейся радиальной протяженностью h_i+1 и h_i (по направлению вращения) способствует более полному поступлению газа в каждую спиральную канавку, а также уменьшает величину падения давления на входном участке.Thus, the turbocharger shaft seal has the following salient features:
the implementation of at least part of the spiral grooves grouped in sections evenly spaced around the circumference will allow for a higher gas pressure in these sections, which contributes to the formation of additional wave-like deformation of a more pliable sealing ring, while several micro wedges of the working medium are additionally formed in the sealing gap, ensuring stable operation seals in a wide range of rotational speeds, as well as, as a result, the opening of the sealing gap at small turbocharger shaft rotation speeds:
sections, circumferential length

which on the outer diameter of the ring is less than the sum of the circumferential lengths

the input sections of the spiral grooves, while the radial length h _{i of the} jumpers between adjacent spiral grooves in the sections is less than the radial length h _{n of the} pressure section, contributes to a more complete flow of gas into the spiral grooves, in addition, the pressure drop at the entrance to the spiral grooves decreases, which helps to increase their total pressure;
the implementation in sections of jumpers between spiral grooves with a monotonously decreasing radial length h _{i + 1} and h _i (in the direction of rotation) contributes to a more complete flow of gas into each spiral groove, and also reduces the magnitude of the pressure drop in the inlet section.

Все это позволяет повысить надежность и экономичность уплотнения в целом за счет обеспечения динамической устойчивости уплотнительных колец и обеспечения требуемого уплотнительного зазора в широком диапазоне окружных скоростей. All this allows you to increase the reliability and efficiency of the seal as a whole by providing dynamic stability of the sealing rings and providing the required sealing gap in a wide range of peripheral speeds.

Заявляемая конструкция уплотнения вала турбомашины с указанной совокупностью признаков обеспечивает повышение надежности и уплотняющей способности уплотнительного узла за счет повышения динамической устойчивости уплотнительных колец, а также поддержания расчетной величины уплотнительного зазора в широком диапазоне окружных скоростей ротора турбокомпрессора и может быть применена в качестве концевых уплотнений на центробежных компрессорах, перекачивающих различные газовые среды, в химической, газовой и других областях промышленности. The inventive design of the shaft seal of the turbomachine with the specified set of features provides increased reliability and sealing ability of the sealing unit by increasing the dynamic stability of the sealing rings, as well as maintaining the calculated value of the sealing gap in a wide range of peripheral speeds of the turbocompressor rotor and can be used as end seals on centrifugal compressors pumping various gaseous media in the chemical, gas and other industries Nost.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез уплотнительного узла, а на фиг. 2...6 различные варианты выполнения спиральных канавок, сгруппированных в секции. The essence of the invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a longitudinal section through a sealing assembly, and in FIG. 2 ... 6 various embodiments of spiral grooves grouped in sections.

Уплотнение вала турбокомпрессора (фиг. 1) содержит установленные в корпусе 1 аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 2 с нажимной пружиной 3 и установленное на валу 4 вращающееся уплотнительное кольцо 5, на торцовой поверхности которого имеется уплотнительный поясок 6 и напорный участок 7. Напорный участок ограничен диаметрами d₁ и d_к, а уплотнительный поясок - диаметрами d_к и d₂. На напорном участке выполнены спиральные канавки 8, по меньшей мере часть из которых сгруппирована в равномерно расположенные по окружности секции 9, причем число секций не меньше трех (фиг. 2..6). Кроме того, на наружном диаметре d₁ кольца 5 окружная протяженность

входных участков спиральных канавок 8, входящих в данную секцию, а радиальная протяженность h_i перемычек 10 между соседними спиральными канавками в секциях не меньше 1/3 радиальной протяженности h_н напорного участка (фиг. 5), причем радиальная протяженность h_i+1 и h_i перемычек между спиральными канавками в секциях может быть выполнена уменьшающейся по направлению вращения вала турбокомпрессора (фиг. 6). Герметизация по нерабочим поверхностям аксиально-подвижного и вращающегося колец осуществляется вторичными уплотнительными элементами 11 и 12, соответственно.The turbocharger shaft seal (Fig. 1) contains an axially movable sealing ring 2 with a compression spring 3 installed in the housing 1 and a rotating sealing ring 5 mounted on the shaft 4, on the front surface of which there is a sealing girdle 6 and a pressure section 7. The pressure section is limited by diameters d ₁ and d _k , and the sealing girdle - with diameters d _k and d ₂ . At the pressure section, spiral grooves 8 are made, at least part of which are grouped into sections 9 evenly spaced around the circumference, the number of sections being at least three (Fig. 2..6). In addition, on the outer diameter d _{1 of the} ring 5 circumferential length

each section is equal to or less than the sum of the circumferential lengths

the input sections of the spiral grooves 8 included in this section, and the radial length h _{i of the} jumpers 10 between adjacent spiral grooves in the sections is not less than 1/3 of the radial length h _{n of the} pressure section (Fig. 5), and the radial length h _{i + 1} and h _i jumpers between the spiral grooves in the sections can be made decreasing in the direction of rotation of the turbocharger shaft (Fig. 6). Sealing on non-working surfaces of the axially movable and rotating rings is carried out by secondary sealing elements 11 and 12, respectively.

Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом. В исходном положении кольца 2 и 5 прижаты друг к другу с помощью пружин 3. Газ, находящийся перед узлами уплотнений, удерживается от перетечек через зазоры между корпусом и кольцом 2, а также между валом 4 и кольцом 5 - уплотнительными элементами 12 и 11 соответственно. Сила, раскрывающая уплотнительный стык, меньше газостатической силы, прижимающей уплотнительные кольца 2 и 5 друг к другую, при этом уплотнительный участок 6 контактирует с уплотнительной торцовой поверхностью ответного кольца и препятствует проникновению газа с полости высокого давления в полость низкого давления, чем обеспечивается герметизация уплотнительного стыка. The shaft seal of the turbocharger operates as follows. In the initial position, the rings 2 and 5 are pressed against each other by means of springs 3. The gas in front of the seal assemblies is kept from flowing through the gaps between the housing and the ring 2, and also between the shaft 4 and the ring 5 - by the sealing elements 12 and 11, respectively. The force opening the sealing joint is less than the gas-static force pressing the sealing rings 2 and 5 against each other, while the sealing portion 6 is in contact with the sealing end surface of the counter ring and prevents the gas from penetrating from the high-pressure cavity into the low-pressure cavity, thereby sealing the sealing joint .

При вращении вала 4 газ захватывается спиральными канавками 8 и подается к центру торцовых уплотнительных поверхностей колец 2 и 5, где, встречая сопротивление перемычек 10 и уплотнительного участка 6, сжимается. Возникающая при этом результирующая газодинамическая сила увеличивает силу, раскрывающую уплотнительный стык, и при определенной частоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей и уплотнение начинает работать без контакта. При этом кольцо 2 занимает некоторое равновесное положение, образуя с кольцом 5 номинальный уплотнительный зазор. When the shaft 4 rotates, the gas is captured by spiral grooves 8 and is supplied to the center of the end sealing surfaces of the rings 2 and 5, where, meeting the resistance of the jumpers 10 and the sealing section 6, it is compressed. The resulting resulting gas-dynamic force increases the force that opens the sealing joint, and at a certain rotational speed of the rotor, the sealing surfaces separate and the seal starts to work without contact. In this case, ring 2 occupies a certain equilibrium position, forming a nominal sealing gap with ring 5.

Увеличение зазора между кольцами 2 и 5 приведет к уменьшению результирующей газодинамической силы и нарушению баланса сил, действующих на аксиально-подвижное кольцо 2, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора. При уменьшении зазора меньше номинального результирующая газодинамическая сила, раскрывающая уплотнительный стык, увеличивается и аксиально-подвижное кольцо начнет смещаться в сторону увеличения зазора, пока не займет равновесное положение. An increase in the gap between rings 2 and 5 will lead to a decrease in the resulting gas-dynamic force and an imbalance in the forces acting on the axially movable ring 2, as a result of which the latter will shift toward a smaller gap. With a decrease in the gap less than the nominal, the resulting gas-dynamic force revealing the sealing joint increases and the axially movable ring begins to shift toward an increase in the gap until it reaches an equilibrium position.

Выполнение по меньшей мере части спиральных канавок 8 сгруппированными в равномерно расположенные по окружности секции 9 позволит обеспечить более высокое давление газа на этих участках, что способствует образованию дополнительной волнообразной деформации более податливого уплотнительного кольца, при этом в уплотнительном зазоре дополнительно образуются несколько микроклиньев рабочей среды, обеспечивая устойчивую работу уплотнения в широком диапазоне частот вращения, а также, как следствие, раскрытию уплотнительного зазора при малых скоростях вращения вала турбокомпрессора. The implementation of at least part of the spiral grooves 8 grouped in sections evenly spaced around the circumference 9 will provide a higher gas pressure in these areas, which contributes to the formation of additional wave-like deformation of a more pliable sealing ring, while several micro wedges of the working medium are additionally formed in the sealing gap, providing stable operation of the seal in a wide range of rotational speeds, as well as, as a result, the opening of the sealing gap at s turbocharger shaft rotation speeds.

Спиральные канавки 8 могут быть так сгруппированы в секциях 9, что их окружная протяженность

на наружном диаметре кольца меньше суммы окружных протяженностей

входных участков спиральных канавок 8 (фиг. 4 а, б). При этом радиальная протяженность h_i перемычек 10 между соседними спиральными канавками в секциях может изменяться в пределах

Такое конструктивное исполнение способствует более полному поступлению газа в спиральные канавки, при этом также уменьшается величина падения давления на входе в спиральные канавки, что способствует повышению их суммарной напорности. Дальнейшее уменьшение радиальной протяженности h_i перемычек между соседними канавками в секциях, т.е. при

приводит к уменьшению напорности секции.Spiral grooves 8 can be so grouped in sections 9 that their circumferential length

on the outer diameter of the ring is less than the sum of the circumferential lengths

input sections of the spiral grooves 8 (Fig. 4 a, b). Moreover, the radial length h _{i of the} jumpers 10 between adjacent spiral grooves in the sections can vary within

This design contributes to a more complete flow of gas into the spiral grooves, while also decreasing the pressure drop at the inlet to the spiral grooves, which contributes to an increase in their total pressure. A further decrease in the radial length h _{i of the} bridges between adjacent grooves in the sections, i.e. at

leads to a decrease in the pressure of the section.

Напорный участок 7 может быть выполнен на аксиально-подвижном кольце 2. При этом работа уплотнения будет аналогичной. The pressure section 7 can be performed on an axially movable ring 2. In this case, the work of the seal will be similar.

Выполнение в секциях перемычек между спиральными канавками с монотонно уменьшающейся радиальной протяженностью h_i+1 > h_i (по направлению вращения - при выполнении напорного участка на вращающемся кольце и против направления вращения вала - при выполнении напорного участка на кольце 2, установленном в корпусе) способствует более полному поступлению газа в каждую спиральную канавку в секции, а также уменьшает величину разрежения на входном участке и тем самым повышает их напорность.The implementation in sections of jumpers between spiral grooves with a monotonously decreasing radial length h _{i + 1} > h _i (in the direction of rotation - when performing the pressure section on the rotating ring and against the direction of rotation of the shaft - when performing the pressure section on the ring 2 installed in the housing) contributes more complete flow of gas into each spiral groove in the section, and also reduces the amount of vacuum in the inlet section and thereby increases their pressure.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности уплотнительного узла путем поддержания номинального рабочего зазора между уплотнительными кольцами в широком диапазоне частот вращения, а также в возможности широкого промышленного применения уплотнений такой конструкции в качестве концевых уплотнительных узлов центробежных компрессоров, перекачивающих агрессивные, взрывоопасные, токсичные и другие газы. Thus, the proposed technical solution in comparison with the prototype and other known technical solutions has significant technical and economic advantages, consisting in increasing the reliability of the sealing unit by maintaining the nominal working gap between the sealing rings in a wide range of rotational speeds, as well as the possibility of wide industrial use of seals of this design as end sealing units of centrifugal compressors pumping aggressive explosive, toxic, and other gases.

Claims

1. The shaft seal of the turbocharger, containing an axially movable ring mounted in the housing and a rotating sealing ring mounted on the shaft, on the end surface of one of them there are sealing and pressure sections, the latter having spiral grooves, characterized in that at least part of the spiral grooves are grouped into sections evenly spaced around the circumference, with the number of sections not less than three, and the circumferential length of the sections on the outer diameter of the ring equal to or less than the sum of lengths of the input sections of the spiral grooves included in this section.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the radial length of the bridges between adjacent spiral grooves in the sections is not less than 1/3 of the radial length of the pressure section.

3. The seal according to claim 2, characterized in that at least in part of the sections evenly spaced around the circumference, the radial length of the bridges between the spiral grooves is monotonically decreasing in the direction of rotation of the ring.