RU2173423C2

RU2173423C2 - Contactless end seal

Info

Publication number: RU2173423C2
Application number: RU2000128919/06A
Authority: RU
Inventors: С.В. Фалалеев; кин В.Б. Бал; В.Б. Балякин; Д.К. Новиков; Н.И. Россеев; С.Д. Медведев
Original assignee: ООО "Самаратрансгаз"
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2001-09-10

Abstract

FIELD: hydromechanical engineering; variable-speed turbo- machines. SUBSTANCE: seal has sealing ring locked in position against turning and free to move in axial direction; it is tightly mounted on flexible members by means of secondary rubber seal in casing to form sealing slot together with shaft-mounted revolving ring; it also has clearance adjusting device mounted on butt-end sealing surface of revolving ring and made in the form of coupled helical gas-dynamic grooves. The latter communicate through common inlet with high-pressure cavity; they are arranged in opposition over circumference and joined together by means of strap through inner diameter. Seal is designed to raise carrying capacity and stiffness of gas layer and to control clearance at any sense of rotation when turbo-machine is running. EFFECT: improved stability of seal characteristics throughout its operating period, enhanced efficiency and service life. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в многорежимных турбомашинах в качестве торцевых уплотнений. The invention relates to the field of hydraulic engineering and can be used in multi-mode turbomachines as mechanical seals.

Известно торцовое бесконтактное уплотнение [1], которое состоит из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе и образующего уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом, и устройства регулирования зазора, которое выполнено на рабочей торцовой поверхности вращающегося кольца в виде соединенных с полостью высокого давления газодинамических клиновидных канавок с равным угловым расстоянием друг от друга. Канавки расположены под углом не менее 10 градусов к радиальной прямой, проходящей через ось вращения, направлены в противоположную вращению сторону, создают насосный эффект и нагнетают газ в уплотнительную щель. В конце канавки создается зона с высоким давлением газа, откуда газ стремится перетекать по окружности и по радиусу. Уплотнительный эффект обеспечивается гладкой щелью, расположенной ниже внутреннего диаметра зоны расположения канавок. В уплотнении создается газовый слой высокой жесткости, исключающий касание уплотнительных поверхностей при возможных биениях и перемещениях вала. A non-contact mechanical seal [1] is known, which consists of a rotary sealing ring that is axially movable and mounted on the elastic elements and sealed on the elastic elements by means of a secondary rubber seal in the housing and forms a sealing gap with a rotating ring mounted on the shaft, and a clearance control device, which is made on the working end surface of the rotating ring in the form of gas-dynamic wedge-shaped grooves connected to the high-pressure cavity with equal sexually-distance from each other. The grooves are located at an angle of at least 10 degrees to the radial line passing through the axis of rotation, directed in the opposite direction to the rotation, create a pumping effect and pump gas into the sealing gap. At the end of the groove, a zone with a high gas pressure is created, from where the gas tends to flow around the circumference and radius. The sealing effect is provided by a smooth gap located below the inner diameter of the grooves. A gas layer of high rigidity is created in the seal, eliminating the contact of the sealing surfaces with possible run-outs and shaft movements.

Недостатком данного уплотнения является ограниченное его применение из-за зависимости от направления вращения вала. Во всех турбомашинах имеется кратковременное вращение вала в противоположном направлении. При противоположном вращении вала канавки начинают выкачивать газ из уплотнительной щели. Величина давления в щели и жесткость газового слоя падает и происходит закрытие уплотнения с контактом уплотнительных поверхностей. Это является причиной ограниченного ресурса уплотнения. Кроме того, приходится для турбомашин, в которых необходима герметизация рабочей полости с двух сторон, изготавливать два одинаковых уплотнения, но с различным направлением газодинамических канавок, чтобы обеспечить нагнетание газа в уплотнительные щели при вращении вала. Это приводит к повышению номенклатуры изготавливаемых уплотнений. The disadvantage of this seal is its limited use due to the dependence on the direction of rotation of the shaft. All turbomachines have a short rotation of the shaft in the opposite direction. With the opposite rotation of the shaft, the grooves begin to pump gas from the sealing gap. The pressure in the gap and the rigidity of the gas layer decreases and the seal closes with the contact of the sealing surfaces. This causes a limited compaction life. In addition, it is necessary for turbomachines, in which it is necessary to seal the working cavity on both sides, to make two identical seals, but with different directions of the gas-dynamic grooves, in order to ensure gas injection into the sealing slots when the shaft rotates. This leads to an increase in the range of manufactured seals.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является торцовое бесконтактное уплотнение [2], которое состоит из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе и образующего уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом, и устройства регулирования зазора. Устройство регулирования зазора выполнено на уплотнительной торцевой поверхности вращающегося кольца в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок, которые соединены единым входом с полостью высокого давления и направлены в окружном направлении в противоположные стороны (см. верхний рисунок на фигуре 16, стр. 310 той же статьи). В этом случае одна из спиральных канавок, направленная против вращения вала, обеспечивает нагнетание газа в уплотнительную щель и создает зону с высоким давлением газа. Другая же канавка, направленная по вращению вала, выкачивает газ из уплотнительной щели, создавая зону с пониженным давлением газа. В эту зону засасывается газ из окружающей канавку уплотнительной щели. Эффект от нагнетания превышает эффект от выкачивания и уплотнение обладает положительной жесткостью газового слоя. Это обеспечивает реверсивность уплотнения, то есть уплотнение одинаково работоспособно при обеих направлениях вращения вала. Что, в свою очередь, уменьшает опасность изнашивания контактирующих поверхностей во время работы турбомашины. The closest in technical essence to the proposed object is a non-contact mechanical seal [2], which consists of a sealing ring fixed in rotation from an axially movable seal, mounted on the elastic elements tightly by means of a secondary rubber seal in the housing and forming a sealing gap with a rotating ring mounted on the shaft , and clearance control devices. The clearance control device is made on the sealing end surface of the rotating ring in the form of double spiral-shaped gas-dynamic grooves that are connected by a single entrance to the high-pressure cavity and are directed in the circumferential direction in opposite directions (see the upper figure in figure 16, page 310 of the same article). In this case, one of the spiral grooves directed against the rotation of the shaft provides gas injection into the sealing gap and creates a zone with high gas pressure. Another groove, directed along the rotation of the shaft, pumps gas from the sealing gap, creating a zone with reduced gas pressure. Gas is sucked into this zone from the sealing gap surrounding the groove. The effect of injection exceeds the effect of pumping and the seal has a positive rigidity of the gas layer. This ensures the reversibility of the seal, that is, the seal is equally operable in both directions of rotation of the shaft. 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 несущая способность и жесткость газовой пленки существенно ниже, чем у уплотнений с традиционными одиночными канавками. Это обусловлено тем, что газ из зоны повышенного давления интенсивно перетекает в зону пониженного давления, уменьшая газодинамический эффект. Все это может привести к тому, что на некоторых режимах работы турбомашины рабочие уплотнительные поверхности будут касаться. Кроме того, при низких давлениях уплотняемой среды перетекание в зону с пониженным давлением будет незначительно и в откачивающих канавках будет образовываться вакуум, что может привести к разрушению поверхностей уплотнительных колец. В частности, поверхность противоположного контактирующего кольца, которое обычно изготавливают из не обладающего высокими прочностными свойствами графита, будет испытывать чередующиеся с высокой скоростью воздействия от зон с высоким и очень низким давлением, что может привести к выкрашиванию материала. Это снижает ресурс уплотнения. A disadvantage of the known device is its low efficiency, since the bearing capacity and rigidity of the gas film is significantly lower than that of seals with traditional single grooves. This is due to the fact that the gas from the high pressure zone intensively flows into the low pressure zone, reducing the gas-dynamic effect. All this can lead to the fact that in some operating modes of the turbomachine the working sealing surfaces will touch. In addition, at low pressures of the medium to be sealed, overflowing into the zone with reduced pressure will be insignificant and a vacuum will form in the pumping grooves, which can lead to destruction of the surfaces of the sealing rings. In particular, the surface of the opposite contact ring, which is usually made of graphite that does not have high strength properties, will experience alternating high-speed impacts from areas with high and very low pressures, which can lead to chipping of the material. This reduces the compaction life.

В основу изобретения поставлена задача увеличения ресурса торцового уплотнения за счет применения более эффективной формы газодинамических камер. The basis of the invention is the task of increasing the life of the mechanical seal through the use of a more efficient form of gas-dynamic chambers.

Поставленная задача решена тем, что в торцовом бесконтактном уплотнении, состоящем из зафиксированного от проворота подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, установленного на упругих элементах герметично посредством вторичного резинового уплотнения в корпусе, образуя уплотнительную щель с установленным на валу вращающимся кольцом и устройством регулирования зазора, при этом устройство регулирования зазора расположено на уплотнительной торцевой поверхности вращающегося кольца и выполнено в виде сдвоенных спиралеобразных газодинамических канавок, которые соединены единым входом с полостью высокого давления, направлены в окружном направлении в противоположные стороны и соединены между собой перемычкой по внутреннему диаметру их расположения. The problem is solved in that in a non-contact mechanical seal, consisting of an o-ring fixed in the direction of rotation that is movable in the axial direction, mounted on the elastic elements hermetically by means of a secondary rubber seal in the housing, forming a sealing gap with a rotating ring mounted on the shaft and a clearance adjustment device, when this device for adjusting the gap is located on the sealing end surface of the rotating ring and is made in the form of double helical different gas-dynamic grooves, which are connected by a single entrance to the high-pressure cavity, are directed in the circumferential direction in opposite directions and are interconnected by a jumper along the inner diameter of their location.

На фиг. 1 показан уплотнительный узел в разрезе; на фиг. 2 - рабочий торец вращающегося кольца с газодинамическими канавками и перемычкой. In FIG. 1 shows a sealing assembly in section; in FIG. 2 - the working end face of the rotating ring with gas-dynamic grooves and a jumper.

Торцовое бесконтактное уплотнение, состоящее из невращающегося 1 и вращающегося 2 колец, которые разделены газовой тонкой пленкой, предназначено для разделения газовой (А) и внешней (Б) полостей (фиг. 1). Подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо 1 зафиксировано от проворота с помощью выступов на его наружной части, входящих в пазы в корпусе 3. Оно установлено на упругих элементах 5 герметично посредством вторичного резинового уплотнения 4 в корпусе 3. Уплотнительное кольцо 1 образует уплотнительную щель с вращающимся кольцом 2, которое установлено на втулке 6. Крутящий момент передается с помощью штифта 7. Статические уплотнения осуществляются резиновыми кольцами 8. Штифт 9 фиксирует кольцо 1 от проворота. A mechanical non-contact seal, consisting of non-rotating 1 and rotating 2 rings, which are separated by a thin gas film, is designed to separate the gas (A) and external (B) cavities (Fig. 1). The axially movable sealing ring 1 is fixed from turning by means of protrusions on its outer part entering grooves in the housing 3. It is mounted on the elastic elements 5 hermetically by means of a secondary rubber seal 4 in the housing 3. The sealing ring 1 forms a sealing gap with a rotating ring 2, which is mounted on the sleeve 6. The torque is transmitted using the pin 7. Static seals are carried out by rubber rings 8. The pin 9 fixes the ring 1 from the rotation.

На торцовой уплотнительной поверхности вращающегося кольца 2 (фиг. 2) выполнены сдвоенные спиралеобразные газодинамические канавки 10 и 11, которые соединены единым входом с полостью высокого давления и направлены в окружном направлении в противоположные стороны. Канавки расположены в кольцевой зоне между наружным диаметром вращающегося кольца и диаметром, ниже которого находится поверхность, осуществляющая уплотнительный эффект. Спиралеобразные газодинамические канавки соединены между собой перемычкой 12 по внутреннему диаметру их расположения. On the end sealing surface of the rotating ring 2 (Fig. 2) there are double spiral-shaped gas-dynamic grooves 10 and 11, which are connected by a single entrance to the high-pressure cavity and are directed in the circumferential direction in opposite directions. The grooves are located in the annular zone between the outer diameter of the rotating ring and the diameter below which there is a surface that implements the sealing effect. Spiral-shaped gas-dynamic grooves are interconnected by a jumper 12 along the inner diameter of their location.

При определенном направлении вращения вала одна из канавок, например 10, обеспечивает нагнетание уплотняемого газа в уплотнительную щель, образуя газодинамическое усилие, препятствующее контакту колец 1 и 2. В этом случае другая канавка, в данном случае 11, выкачивает газ из уплотнительной щели. Этот газ выкачивается назад в уплотняемую полость и частично попадает на вход канавки 10. With a certain direction of rotation of the shaft, one of the grooves, for example 10, provides the injection of gas to be sealed into the sealing gap, creating a gas-dynamic force that prevents the contact of rings 1 and 2. In this case, the other groove, in this case 11, pumps gas out of the sealing gap. This gas is pumped back into the sealing cavity and partially enters the inlet of the groove 10.

Нагнетаемый канавкой 10 газ создает зону с повышенным давлением газа. Газ из этой зоны стремится утечь во внешнюю и уплотняемые полости, а также в окружном направлении за счет переносного движения. Часть газа по перемычке 12 перетекает в канавку 11. Это приводит к повышению уровня давления в канавке 11. The gas injected by the groove 10 creates a zone with increased gas pressure. Gas from this zone tends to leak into the outer and sealed cavities, as well as in the circumferential direction due to the portable movement. Part of the gas through the jumper 12 flows into the groove 11. This leads to an increase in the pressure level in the groove 11.

Выбором формы перемычки 12, в частности ее ширины и глубины, можно регулировать величину перетекающего газа из канавки 10 в канавку 11. Так как эффект нагнетания превышает эффект выкачивания, то за счет незначительного снижения давления в конце канавки 10 можно существенно снизить падение давления в конце канавки 11. Это позволяет повысить несущую способность и жесткость газового слоя уплотнения. При смене направления вращения вала нагнетающую функцию будет выполнять канавка 11. By choosing the shape of the jumper 12, in particular its width and depth, it is possible to control the amount of flowing gas from the groove 10 into the groove 11. Since the injection effect exceeds the pumping effect, due to a slight decrease in pressure at the end of the groove 10, the pressure drop at the end of the groove can be significantly reduced 11. This allows you to increase the bearing capacity and rigidity of the gas layer of the seal. When changing the direction of rotation of the shaft, the pumping function will be performed by groove 11.

Таким образом, предлагаемая конструкция уплотнения обеспечит повышенные несущую способность и жесткость газового слоя и возможность регулирования величины зазора при работе турбомашины при любом направлении вращения вала, что и приводит к увеличению ресурса работы торцового бесконтактного уплотнения. Thus, the proposed design of the seal will provide increased bearing capacity and rigidity of the gas layer and the ability to control the size of the gap during operation of the turbomachine in any direction of rotation of the shaft, which leads to an increase in the service life of the mechanical non-contact seal.

Данное уплотнение возможно применять в многорежимных турбомашинах. Особенно эффективно применение для машин, где возможна смена направления вращения вала. This seal can be used in multi-mode turbomachines. Especially effective is the application for machines where a change in the direction of rotation of the shaft is possible.

Источники информации
1. Бесконтактное уплотнение, патент ФРГ 3722303, МПК F 16 J 15/34, 19.01.89.Sources of information
1. Contactless sealing, patent of Germany 3722303, IPC F 16 J 15/34, 01/19/89.

2. "Уплотнения и вибрационная надежность центробежных машин". Статья I. Goldswain. Enhancing the performance of dry gas seals// Presentation given to the 6^th Technical Conference on the Reliability of Centrifugal Machinery (Труды VI научно-технической конференции), г. Сумы, 17-20 сентября 1991. - С. 295-313, фигура 1, стр. 296.2. "Seals and vibrational reliability of centrifugal machines." Article I. Goldswain. Enhancing the performance of dry gas seals // Presentation given to the 6 ^th Technical Conference on the Reliability of Centrifugal Machinery (Proceedings of the VI scientific and technical conference), Sumy, September 17-20, 1991. - S. 295-313, figure 1, p. 296.

Claims

A non-contact mechanical seal, consisting of an o-ring fixed from rotation and mounted on the elastic elements and sealed on the elastic elements by means of a secondary rubber seal in the housing, forms a sealing gap with a rotating ring mounted on the shaft and a clearance adjustment device located on the mechanical sealing surface of the rotating ring and made in the form of double spiral-shaped gas-dynamic grooves that are connected by a single input to the polo Tew high pressure and directed in the circumferential direction in opposite directions, characterized in that the grooves are interconnected by a bridge to the inner diameter of their location.