RU2605546C9

RU2605546C9 - Centrifugal compressor

Info

Publication number: RU2605546C9
Application number: RU2015111993A
Authority: RU
Inventors: Харуо МИУРА; Наохико ТАКАХАСИ; Мицухиро НАРИТА
Original assignee: Хитачи, Лтд.
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2017-04-27
Also published as: WO2014054440A1; RU2015111993A; CN104662306B; JP6049385B2; SA515360227B1; JP2014074360A; CN104662306A; BR112015007508A2; RU2605546C2

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: centrifugal compressor equipped with: case; rotor with impeller; and labyrinth seal, secured in case and located opposite to rotor. Labyrinth seal is installed, at least, in impeller suction compartment or at balanced piston, balancing rotor thrust. Diameter of rotor located opposite to labyrinth seal, increases or decreases in step manner. Labyrinth seal is formed from a multitude of grooves in axial direction, and each groove is provided with multiple pockets formed in circumferential direction.

EFFECT: invention provides reducing leakage of sealing units of centrifugal compressor and higher damping characteristics of sealing assemblies.

6 cl, 9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к центробежным компрессорам и, в частности, к демпферному уплотнению, подходящему для центробежных компрессоров, работающих при высокой скорости и высоком давлении.The present invention relates to centrifugal compressors and, in particular, to a damper seal suitable for centrifugal compressors operating at high speed and high pressure.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Газ, сжатый рабочим колесом центробежного компрессора, подвергается дополнительному сжатию в стационарном канале прохождения потока, называемом диффузором. В случае многоступенчатой конструкции рабочих колес газ изменяет угол своего потока в канале возврата и превращается в направленный внутрь осевой поток, всасываемый в рабочее колесо следующей ступени. При возврате газа, сжатого рабочим колесом, на сторону всасывания рабочего колеса через пространство, формируемое на боковой поверхности рабочего колеса со стороны кожуха, внутренняя работа сжатия увеличивается, и вместо эффективной работы сжатия возникают потери энергии. Для предотвращения возникновения таких потерь и снижения скорости утечки между кожухом отсека всасывания рабочего колеса и корпусом устанавливают лабиринтное уплотнение.Gas compressed by the impeller of a centrifugal compressor is subjected to additional compression in a stationary flow channel, called a diffuser. In the case of a multi-stage design of the impellers, the gas changes the angle of its flow in the return channel and turns into an axial flow directed inward, sucked into the impeller of the next stage. When the gas compressed by the impeller returns to the suction side of the impeller through the space formed on the side surface of the impeller from the casing side, the internal compression work increases, and instead of effective compression work, energy losses occur. To prevent such losses and reduce the leakage rate, a labyrinth seal is installed between the casing of the impeller suction compartment and the housing.

В рабочем колесе последней ступени часть сжатого газа проходит в лабиринт уравновешивающего поршня через пространство на боковой поверхности кожуха и затем формирует поток утечки в отсек всасывания компрессора. Скорость утечки этого потока, возвращающегося в сторону всасывания, определяется газом внутренней циркуляции, повторно сжимаемым всеми рабочими колесами, и определяет потери энергии. Поэтому с помощью лабиринтного уплотнения обеспечивается максимально возможное снижение скорости утечки.In the impeller of the last stage, part of the compressed gas passes into the labyrinth of the balancing piston through the space on the side surface of the casing and then forms a leakage stream into the compressor suction compartment. The leakage rate of this flow returning to the suction side is determined by the internal circulation gas, re-compressed by all impellers, and determines the energy loss. Therefore, using the labyrinth seal, the greatest possible reduction in leakage rate is provided.

Поток утечки, входящий в лабиринтное уплотнение, вследствие своего вращения с вращающимся валом имеет окружную составляющую скорости потока в направлении вращения. Смещение ротора, включающего в себя вращающийся вал, в радиальном направлении приводит к изменению объема пространства между ротором и лабиринтным уплотнением. В результате возникает неравномерность в распределении давления газа утечки в лабиринтном уплотнении в окружном направлении. Эта неравномерность приводит к возникновению сопротивления текучей среды (именуемого ниже и как неустойчивое сопротивление текучей среды), которое вызывает неустойчивые колебания ротора.The leakage flow entering the labyrinth seal, due to its rotation with the rotating shaft, has a circumferential component of the flow velocity in the direction of rotation. The displacement of the rotor, including the rotating shaft, in the radial direction leads to a change in the volume of space between the rotor and the labyrinth seal. As a result, there is an uneven distribution of the leakage gas pressure in the labyrinth seal in the circumferential direction. This unevenness leads to the emergence of fluid resistance (hereinafter referred to as unstable fluid resistance), which causes unstable oscillations of the rotor.

В частности, неустойчивое сопротивление текучей среды для газа утечки увеличивается в следующих случаях: при вращении ротора с высокой скоростью; при большом перепаде давления между входным и выходным отверстиями лабиринтного уплотнения; и при высокой плотности газа, перемещаемого рабочим колесом. При этом в наиболее неблагоприятном варианте возникают неустойчивые колебания ротора. Известны различные предложения по снижению этого неустойчивого сопротивления текучей среды.In particular, the unstable fluid resistance of a gas leak increases in the following cases: when the rotor rotates at high speed; with a large pressure drop between the inlet and outlet openings of the labyrinth seal; and with a high density of gas moved by the impeller. Moreover, in the most unfavorable variant, unstable rotor oscillations occur. Various proposals are known to reduce this unstable fluid resistance.

Так в патентном документе 1, как в качестве отличительной особенности показано на фигуре 1 этого документа, для уменьшения окружной составляющей газа утечки, входящего в лабиринтное уплотнение, между канавками лабиринтного уплотнения в окружном направлении размещают сегменты. В этом патентном документе 1 уменьшение энергии вихревых потоков и предотвращение неустойчивых колебаний ротора достигается за счет использования сегментов, образованных в результате разделения лабиринтного уплотнения в окружном направлении на сегменты с разной высотой зубьев, и комбинирования сегментов с разной высотой зубьев. В патентном документе 2 усиление демпферного эффекта достигается за счет увеличения ширины зазора между уплотнительными лопатками, соответствующими гребешкам лабиринта, и телом вращения, со стороны ниже по потоку по сравнению с шириной этого зазора со стороны вверх по потоку.So in Patent Document 1, as shown in FIG. 1 of this document as a distinctive feature, segments are arranged between the grooves of the labyrinth seal in the circumferential direction to reduce the circumferential component of the leak gas entering the labyrinth seal. In this patent document 1, the reduction in vortex flow energy and the prevention of unstable rotor vibrations is achieved by using segments formed by dividing the labyrinth seal in the circumferential direction into segments with different tooth heights, and combining segments with different tooth heights. In Patent Document 2, an increase in the damper effect is achieved by increasing the width of the gap between the sealing blades corresponding to the ridges of the labyrinth and the body of revolution from the downstream side compared to the width of this gap from the upstream side.

В патентном документе 3 рассматривается вращающийся вал ступенчатой формы, имеющий участок большого диаметра и участок малого диаметра. На участке большого диаметра размещен износостойкий демпфер с сотовой или пористой структурой; а на участке малого диаметра размещены гребешки лабиринта.Patent Document 3 discloses a stepped rotary shaft having a large diameter portion and a small diameter portion. A large diameter section contains a wear-resistant damper with a honeycomb or porous structure; and on the site of small diameter scallops of the maze are located.

Список цитированияCitation list

Патентные документыPatent documents

Патентный документ 1: выложенная заявка на патент Японии, опубликованная под №2010-7611.Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open, Published Under No. 2010-7611.

Патентный документ 2: патент США №5794942.Patent Document 2: US Pat. No. 5,794,942.

Патентный документ 3: нерассмотренная заявка на патент США, опубликованная под №2007/0069477.Patent Document 3: Unexamined U.S. Patent Application Published Under No. 2007/0069477.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Техническая проблемаTechnical problem

Ввиду возможности возникновения неустойчивого сопротивления текучей среды в уплотнительных узлах внутри центробежного компрессора, уплотнения для центробежных компрессоров должны иметь следующие характеристики:Due to the possibility of unstable fluid resistance in the sealing units inside the centrifugal compressor, seals for centrifugal compressors should have the following characteristics:

(1) уплотнения должны обеспечивать максимально возможную низкую скорость утечки;(1) seals should provide the lowest possible leak rate;

(2) уплотнения должны обеспечивать небольшое неустойчивое сопротивление текучей среды или возможность изменения неустойчивого сопротивления текучей среды на устойчивое сопротивление;(2) seals should provide a small unstable fluid resistance or the possibility of changing the unstable fluid resistance to a stable resistance;

(3) в случае контакта с ротором уплотнения должны обеспечивать минимизацию повреждения ротора; и(3) in case of contact with the rotor, the seals should minimize damage to the rotor; and

(4) уплотнения должны быть высокотехнологичным и простым в изготовлении.(4) seals should be high-tech and easy to manufacture.

С этой целью в известном лабиринтном уплотнении, рассматриваемом патентном документе 1, используются сегменты, полученные в результате разделения лабиринтного уплотнения в окружном направлении на множество сегментов, обеспечивающих предотвращение выхода потока утечки, входящего в лабиринт, в окружном направлении. При этом известны многочисленные случаи использования лабиринтного уплотнения осевой формы, однако ступенчатого уменьшения диаметра ротора для достижения как демпфирования, так и снижения скорости утечки в документе не рассматривается. Кроме того, разделение уплотнения на множество сегментов ввиду необходимости обеспечения минимального уплотнительного зазора и точности изготовления требует увеличения числа операций обработки в процессе изготовления.To this end, the well-known labyrinth seal under consideration in Patent Document 1 uses segments obtained by dividing the labyrinth seal in the circumferential direction into a plurality of segments to prevent the leakage flow entering the labyrinth from coming out in the circumferential direction. In this case, there are numerous cases of using a labyrinth seal of an axial shape, however, a stepwise decrease in the diameter of the rotor to achieve both damping and reduce the leakage rate is not considered in the document. In addition, the separation of the seal into many segments, due to the need to ensure a minimum sealing gap and manufacturing accuracy, requires an increase in the number of processing operations in the manufacturing process.

В патентном документе 2 описываются разделенные в окружном направлении гребешки лабиринта, обеспечивающие подавление окружного потока. Однако и в этом патентном документе 2, нацеленном на повышение эффекта демпфирования, тема ступенчатого уменьшения диаметра ротора для достижения снижения скорости утечки не затрагивается. Кроме того, как и в патентном документе 1, при реализации уплотнения, предлагаемого в патентном документе 2, возникает необходимость увеличения числа операций обработки в процессе изготовления.Patent Document 2 describes circumferentially divided ridges of a labyrinth to suppress the circumferential flow. However, in this patent document 2, aimed at increasing the damping effect, the topic of stepwise reduction of the diameter of the rotor to achieve a decrease in leakage rate is not addressed. In addition, as in patent document 1, when implementing the seal proposed in patent document 2, there is a need to increase the number of processing operations in the manufacturing process.

В комбинированном уплотнении, рассматриваемом в патентном документе 3, для получения более высоких характеристик демпфирования демпферная структура сформирована на донном участке (в межгребешковой канавке) между гребешками лабиринта и шаг между гребешками увеличен. То есть число гребешков уменьшено по сравнению с лабиринтными уплотнениями, описываемыми в патентном документе 1 и т.п., и это комбинированное уплотнение уступает лабиринтным уплотнениям в патентном документе 1 с точки зрения снижения скорости утечки, которое является предназначением лабиринтных уплотнений.In the combination seal discussed in Patent Document 3, in order to obtain better damping characteristics, a damper structure is formed in the bottom portion (in the inter-crest groove) between the ridges of the maze and the step between the ridges is increased. That is, the number of scallops is reduced compared to the labyrinth seals described in Patent Document 1 and the like, and this combination seal is inferior to the labyrinth seals in Patent Document 1 in terms of reducing the leakage rate, which is the purpose of labyrinth seals.

Настоящее изобретение было сделано с учетом указанных выше недостатков известных технологий. Целью настоящего изобретения является достижение как снижения утечки из уплотнительных узлов центробежного компрессора, так и более высоких характеристик демпфирования уплотнительных узлов. Другой целью настоящего изобретения в дополнение к указанной выше цели является предотвращение или минимизация повреждения ротора в случае контакта уплотнения с ротором и повышение технологичности уплотнительных узлов.The present invention has been made in view of the above disadvantages of known technologies. The aim of the present invention is to achieve both a reduction in leakage from the seal assemblies of a centrifugal compressor, and higher damping characteristics of the seal assemblies. Another objective of the present invention, in addition to the above purpose, is to prevent or minimize damage to the rotor in case of contact of the seal with the rotor and increase the manufacturability of the seal assemblies.

Решение проблемыSolution

Для достижения указанных выше целей в настоящем изобретении предлагается центробежный компрессор, включающий в себя: корпус; ротор, поддерживаемый в корпусе с возможностью вращения и имеющий рабочее колесо, закрепленное на роторе; и лабиринтное уплотнение, закрепленное в корпусе и размещенное напротив ротора. Сжатие газа обеспечивается за счет вращения указанного рабочего колеса. В этом центробежном компрессоре лабиринтное уплотнение установлено, по меньшей мере, в отсеке всасывания рабочего колеса или на уравновешивающем поршне, уравновешивающем силу тяги ротора. Диаметр ротора, располагающегося напротив лабиринтного уплотнения, увеличивается или уменьшается ступенчатым образом. Лабиринтное уплотнение сформировано из множества канавок в осевом направлении, и каждая канавка снабжена множеством карманов, сформированных в окружном направлении.To achieve the above objectives, the present invention proposes a centrifugal compressor, including: a housing; a rotor supported in the housing with the possibility of rotation and having an impeller mounted on the rotor; and a labyrinth seal mounted in the housing and placed opposite the rotor. Gas compression is ensured by rotation of the specified impeller. In this centrifugal compressor, a labyrinth seal is installed at least in the suction compartment of the impeller or on a balancing piston balancing the traction of the rotor. The diameter of the rotor located opposite the labyrinth seal increases or decreases in a stepwise manner. The labyrinth seal is formed of a plurality of grooves in the axial direction, and each groove is provided with a plurality of pockets formed in the circumferential direction.

При этом представляется целесообразным, чтобы положения карманов, сформированных в канавках лабиринтного уплотнения, в окружном направлении отличались одно от другого при переходе от канавки к канавке. Канавки лабиринтного уплотнения могут иметь на меридианальных (продольных) разрезах трапецеидальную форму, а карманы, сформированные в каждой канавке, могут быть выполнены в результате токарной обработки за счет перемещения токарного инструмента в окружном направлении канавки. Представляется также целесообразным, чтобы на торцевой поверхности лабиринтного уплотнения выше по потоку были сформированы радиальные выступы.At the same time, it seems advisable that the positions of the pockets formed in the grooves of the labyrinth seal in the circumferential direction differ from each other during the transition from the groove to the groove. The grooves of the labyrinth seal can have a trapezoidal shape on the meridian (longitudinal) sections, and the pockets formed in each groove can be made as a result of turning by moving the turning tool in the circumferential direction of the groove. It also seems appropriate that radial protrusions are formed on the end surface of the labyrinth seal upstream.

Кроме того, представляется целесообразным, чтобы лабиринтное уплотнение имело множество канавок, сформированных с помощью множества гребешков лабиринта, практически параллельных один другому. При этом наиболее близкий к центру диаметр гребешков лабиринта был меньше, чем диаметр торцевого участка карманов со стороны внутреннего диаметра, а карманы имели такую форму, чтобы их окружная ширина уменьшалась в радиальном направлении наружу.In addition, it seems appropriate that the labyrinth seal has a plurality of grooves formed by a plurality of ridges of the labyrinth substantially parallel to one another. Moreover, the diameter of the ridges of the labyrinth closest to the center was smaller than the diameter of the end portion of the pockets from the side of the inner diameter, and the pockets had such a shape that their circumferential width decreased radially outward.

Разность между диаметром вершин гребешков лабиринтного уплотнения и диаметром торцевого участка карманов со стороны внутреннего диаметра может не превышать 10-кратного размера уплотнительного зазора, образуемого между лабиринтным уплотнением и ротором, располагающимся напротив этого лабиринтного уплотнения. Глубина кармана может быть равна приблизительно 10-30-кратному размеру уплотнительного зазора, и высота гребешка лабиринта лабиринтного уплотнения может быть равна приблизительно 10-30-кратному размеру уплотнительного зазора.The difference between the diameter of the tops of the ridges of the labyrinth seal and the diameter of the end portion of the pockets from the side of the inner diameter may not exceed 10 times the size of the sealing gap formed between the labyrinth seal and the rotor located opposite this labyrinth seal. The depth of the pocket may be equal to approximately 10-30 times the size of the sealing gap, and the height of the scallop of the labyrinth of the labyrinth seal may be equal to approximately 10-30 times the size of the sealing gap.

Полезные эффекты от изобретенияBenefits of the invention

Согласно настоящему изобретению диаметр участка ротора, располагающегося напротив лабиринтного уплотнения, изменяется ступенчатым образом, и на участках канавок лабиринтного уплотнения сформировано множество карманов. Поэтому размер радиального зазора между лабиринтным уплотнением и ротором является практически постоянным, и скорость утечки из лабиринтного уплотнения снижается. Кроме того, это позволяет уменьшить количество газа, выходящего из карманов в окружном направлении, при смещении ротора. В результате обеспечивается достижение более высоких характеристик демпфирования лабиринтного уплотнения.According to the present invention, the diameter of the rotor portion opposite the labyrinth seal changes in a stepwise manner, and a plurality of pockets are formed in the groove portions of the labyrinth seal. Therefore, the size of the radial clearance between the labyrinth seal and the rotor is almost constant, and the leakage rate from the labyrinth seal is reduced. In addition, this allows to reduce the amount of gas leaving the pockets in the circumferential direction when the rotor is displaced. The result is the achievement of higher damping characteristics of the labyrinth seal.

Диаметр вершин выступающих участков, образующих карманы, превышает диаметр гребешков лабиринта. В результате в контакт с ротором сначала приводится гребень лабиринта, и, таким образом, обеспечивается возможность предотвращения повреждения ротора. Кроме того, карманы могут быть выполнены в результате токарной обработки с помощью токарного инструмента, диаметр которого меньше внутреннего диаметра лабиринта, что позволяет снизить стоимость и число операций обработки в процессе формирования карманов.The diameter of the peaks of the protruding sections forming the pockets exceeds the diameter of the ridges of the maze. As a result, the maze comb is first brought into contact with the rotor, and thus, it is possible to prevent damage to the rotor. In addition, pockets can be made as a result of turning using a turning tool, the diameter of which is less than the inner diameter of the maze, which reduces the cost and number of processing operations in the process of forming pockets.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фигура 1 - вид центробежного компрессора согласно варианту осуществления настоящего изобретения в продольном разрезе с выделенным главным участком;Figure 1 is a view of a centrifugal compressor according to a variant implementation of the present invention in longitudinal section with a highlighted main section;

Фигура 2 - частичный вид демпферного уплотнения, установленного в центробежном компрессоре, представленном на фигуре 1, в перспективе;Figure 2 is a partial perspective view of a damper seal installed in the centrifugal compressor of Figure 1;

Фигура 3 - вид демпферного уплотнения, установленного в центробежном компрессоре, представленном на фигуре 1, в частичном продольном разрезе;Figure 3 - view of the damper seal installed in the centrifugal compressor shown in figure 1, in partial longitudinal section;

Фигура 4 - вид демпферного уплотнения в поперечном разрезе;Figure 4 is a cross-sectional view of a damper seal;

Фигура 5 - график, иллюстрирующий эффект стабилизации колебаний ротора с помощью демпферного уплотнения;Figure 5 is a graph illustrating the effect of stabilizing rotor vibrations using a damper seal;

Фигура 6 - график, иллюстрирующий характеристики колебаний ротора при использовании известного лабиринтного уплотнения уравновешивающего поршня;Figure 6 is a graph illustrating rotor oscillation characteristics when using a known labyrinth seal of a balancing piston;

Фигура 7 - вид главного участка центробежного компрессора согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения в продольном разрезе;Figure 7 is a longitudinal sectional view of a main section of a centrifugal compressor according to another embodiment of the present invention;

Фигура 8 - вид демпферного уплотнения, установленного в центробежном компрессоре, представленном на фигуре 7, в продольном разрезе; иFigure 8 - view of the damper seal installed in the centrifugal compressor shown in figure 7, in longitudinal section; and

Фигура 9 - виды сверху, иллюстрирующие примеры токарных инструментов, используемых при обработке демпферного уплотнения согласно настоящему изобретению в процессе изготовления.Figure 9 is a top view illustrating examples of turning tools used in the processing of the damper seal according to the present invention in the manufacturing process.

Описание вариантов осуществленияDescription of Embodiments

Ниже приводится описание варианта осуществления центробежного компрессора согласно настоящему изобретению со ссылками на чертежи. На фигуре 1 представлен продольный разрез главного участка одновального многоступенчатого центробежного компрессора 20. Центробежный компрессор 20 имеет стационарный корпус 1, образующий оболочку тела компрессора, и ротор 4, установленный в корпусе 1 с возможностью вращения. Ротор 4 включает в себя: вращающийся вал 2; и многоступенчатую конструкцию рабочих колес 3 (7 ступеней колес 3a-3g в примере на чертеже), которые закреплены на вращающемся валу 2 и обеспечивают сжатие газа за счет своего вращения.The following is a description of an embodiment of a centrifugal compressor according to the present invention with reference to the drawings. The figure 1 shows a longitudinal section of the main section of a single-shaft multistage centrifugal compressor 20. The centrifugal compressor 20 has a stationary casing 1 forming the shell of the compressor body, and a rotor 4 mounted in the casing 1 for rotation. The rotor 4 includes: a rotating shaft 2; and a multi-stage design of the impellers 3 (7 steps of the wheels 3a-3g in the example in the drawing), which are mounted on a rotating shaft 2 and provide gas compression due to its rotation.

Корпус 1 включает в себя: канал 5 прохождения потока всасывания, по которому, как показано стрелкой α1, технологический газ направляется на рабочее колесо 3а первой ступени; и канал 8 прохождения выпускного потока, по которому, как показано стрелкой α2, выпускается технологический газ, выходящий под действием центробежной силы из рабочего колеса 3g последней ступени. Корпус 1 снабжен диффузором 6 и каналом 7 прохождения обратного потока, по которому технологический газ, сжатый с помощью рабочего колеса 3 (3a-3g) каждой ступени и выходящий из рабочего колеса 3 (3a-3g) со стороны окружного участка, направляется в сторону ниже по потоку. Диффузор 6 преобразует кинетическую энергию, приданную технологическому газу в результате вращения рабочих колес 3 (3a-3g) в энергию давления. Канал 7 прохождения обратного потока обеспечивает плавное направление технологического газа, выходящего из диффузора 6, в сторону всасывания рабочего колеса 3 следующей ступени.The housing 1 includes: a suction flow passage 5, through which, as shown by arrow α1, the process gas is directed to the impeller 3a of the first stage; and an exhaust flow passage 8 through which, as shown by arrow α2, the process gas is discharged by centrifugal force from the impeller 3g of the last stage. The housing 1 is equipped with a diffuser 6 and a return flow passage 7, through which the process gas compressed by means of the impeller 3 (3a-3g) of each stage and exiting from the impeller 3 (3a-3g) from the side of the circumferential section is directed to the side lower downstream. The diffuser 6 converts the kinetic energy given to the process gas as a result of the rotation of the impellers 3 (3a-3g) into pressure energy. The return flow passage 7 provides a smooth direction of the process gas exiting the diffuser 6 towards the suction side of the impeller 3 of the next stage.

Ротор 4 поддерживается с возможностью вращения с помощью радиальных подшипников 9. Радиальные подшипники 9 размещены на торцевом участке вращающегося вала 2 со стороны всасывания и на торцевом участке вращающегося вала со стороны выхода и предназначены для восприятия радиальной нагрузки, поддерживаемой корпусом 1. На торцевом участке вращающегося вала 2 со стороны всасывания установлен упорный подшипник 10, воспринимающий нагрузку тяги. На торцевом участке вращающегося вала 2 со стороны выхода, являющемся торцевым участком, противоположным по отношению к торцевому участку со стороны всасывания, в осевом направлении, установлен уравновешивающий поршень 11, поддерживающий давление последней ступени с помощью своей торцевой поверхности и уравновешивающий нагрузку тяги. С торцевым участком вращающегося вала 2 со стороны выхода с помощью соединительной муфты соединен двигатель, такой как электродвигатель, не показанный, обеспечивающий вращение ротора 4.The rotor 4 is supported for rotation by means of radial bearings 9. Radial bearings 9 are located on the end portion of the rotating shaft 2 on the suction side and on the end portion of the rotating shaft on the output side and are designed to absorb the radial load supported by the housing 1. On the end portion of the rotating shaft 2, a thrust bearing 10 is installed on the suction side, which perceives the thrust load. On the end section of the rotating shaft 2 from the output side, which is the end section opposite to the end section on the suction side, in the axial direction, a balancing piston 11 is installed, which supports the pressure of the last stage with its end surface and balances the thrust load. A motor, such as an electric motor, not shown, for rotating the rotor 4, is connected to the end portion of the rotating shaft 2 on the output side by means of a coupling.

В центробежном компрессоре 20 такой конструкции при вращении ротора 4 технологический газ, как показано стрелкой α1, всасывается из канала 5 прохождения потока всасывания. Сначала технологический газ сжимается за счет вращения рабочего колеса 3a первой ступени. Затем в диффузоре 6 кинетическая энергия преобразуется в энергию давления, статическое давление увеличивается, и через канал 7 прохождения обратного потока технологический газ всасывается в рабочее колесо 3b следующей ступени. Как указано выше, газ последовательно сжимается рабочими колесами 3a-3g многоступенчатой конструкции и диффузором 6 и под конец выпускается, как показано стрелкой α2, из канала 8 прохождения выпускного потока наружу.In a centrifugal compressor 20 of this design, when the rotor 4 is rotated, the process gas, as shown by arrow α1, is sucked from the suction flow passage 5. First, the process gas is compressed by rotating the impeller 3a of the first stage. Then, in the diffuser 6, the kinetic energy is converted into pressure energy, the static pressure increases, and the process gas is sucked into the impeller 3b of the next stage through the return flow passage 7. As indicated above, the gas is sequentially compressed by the multi-stage impellers 3a-3g and the diffuser 6, and finally is discharged, as shown by arrow α2, from the outlet passage 8 of the outlet flow.

Рассмотрим далее со ссылками на фигуры 2-4 лабиринтное уплотнение 30 уравновешивающего поршня 11 в деталях. На фигуре 2 представлен вид участка лабиринтного уплотнения 30 узла уравновешивающего поршня 11, установленного в центробежном компрессоре 20, показанном на фигуре 1, в перспективе. На фигуре 3 представлен вид узла лабиринтного уплотнения 30, показанного на фигуре 2, в меридианальном (продольном) разрезе. На фигуре 4 представлен вид узла демпферного уплотнения 30 в разрезе, перпендикулярном оси (в поперечном разрезе). При этом на фигурах 2 и 3 левая сторона соответствует стороне потока утечки вверх по потоку, а правая сторона - стороне потока утечки вниз по потоку.Next, with reference to figures 2-4, we consider the labyrinth seal 30 of the balancing piston 11 in detail. Figure 2 presents a perspective view of the labyrinth seal 30 of the balancing piston assembly 11 installed in the centrifugal compressor 20 shown in Figure 1. Figure 3 shows a view of the labyrinth seal assembly 30 shown in Figure 2 in a meridian (longitudinal) section. The figure 4 presents a view of the node of the damper seal 30 in a section perpendicular to the axis (in cross section). Moreover, in figures 2 and 3, the left side corresponds to the side of the leakage stream upstream, and the right side corresponds to the side of the leakage stream downstream.

Лабиринтное уплотнение 30 размещено концентрически с вращающимся валом 2 напротив уравновешивающего поршня 11 ротора 4. Участок уравновешивающего поршня 11, располагающийся напротив лабиринтного уплотнения 30, разделен на три участка с тремя различными значениями наружного диаметра. В частности, диаметр d1 уравновешивающего поршня со стороны вверх по потоку имеет самое большое значение; диаметр d3 уравновешивающего поршня со стороны вниз по потоку - наименьшее значение; а диаметр d2 уравновешивающего поршня на промежуточном участке имеет промежуточное значение.The labyrinth seal 30 is arranged concentrically with the rotating shaft 2 opposite the balancing piston 11 of the rotor 4. The portion of the balancing piston 11, located opposite the labyrinth seal 30, is divided into three sections with three different outer diameter values. In particular, the diameter d1 of the balancing piston from the upstream side is of the greatest importance; the diameter d3 of the balancing piston from the downstream side is the smallest value; and the diameter d2 of the balancing piston in the intermediate portion is of intermediate value.

Ступень лабиринтного уплотнения, например, L1 сформирована в соответствии с участком постоянного диаметра, например, d1 уравновешивающего поршня 11. На каждом из ступеней L1-L3 лабиринтного уплотнения с помощью кольцеобразных параллельных зубьев (гребешков лабиринта) 31 сформировано множество канавок. Например, на ступени L1 лабиринтного уплотнения с равными интервалами в осевом направлении сформировано восемь гребешков 31 лабиринта, образующих семь канавок лабиринта в осевом направлении.A labyrinth seal step, for example, L1, is formed in accordance with a constant-diameter portion, for example, d1 of the balancing piston 11. At each of the labyrinth seal steps L1-L3, a plurality of grooves are formed using ring-shaped parallel teeth (labyrinth scallops) 31. For example, in the labyrinth compaction step L1, eight ridges 31 of the labyrinth are formed at equal intervals in the axial direction, forming seven grooves of the labyrinth in the axial direction.

Канавки, сформированные между гребешками 31 лабиринта, как показано на фигуре 4, отличаются одна от другой по своей глубине в окружном направлении и разделены с помощью перегородок 33 на множество карманов 32. При этом на фигуре 4 лабиринтное уплотнение 30 изображено в разделенной на множество участков форме, но может иметь форму одного целого цилиндра.The grooves formed between the ridges of the labyrinth 31, as shown in FIG. 4, differ in depth in the circumferential direction and are separated by partitions 33 into a plurality of pockets 32. Moreover, in FIG. 4, the labyrinth seal 30 is shown in a multi-sectional shape , but may take the form of a single whole cylinder.

Как показано на фигуре 2, наиболее близкий к центру диаметр гребешков лабиринтного уплотнения 31 несколько меньше, чем диаметр торцевого участка перегородок 33, образующих карманы 32, со стороны внутреннего диаметра. Кроме того, окружная ширина карманов 32 уменьшается в радиальном направлении наружу, а положения карманов 32 в осевом направлении смещаются приблизительно на 1/2 шага в окружном направлении при каждом смещении канавок, образуемых гребешками 31 лабиринта, на один ряд в осевом направлении.As shown in FIG. 2, the diameter of the ridges of the labyrinth seal 31 closest to the center is slightly smaller than the diameter of the end portion of the partitions 33 forming the pockets 32 on the inside diameter side. In addition, the circumferential width of the pockets 32 decreases radially outward, and the positions of the pockets 32 in the axial direction are displaced by approximately 1/2 step in the circumferential direction at each displacement of the grooves formed by the scallops 31 of the maze, one row in the axial direction.

Как показано на фигуре 3, карманы 32 имеют на меридианальных разрезах трапецеидальную форму. Рассмотрим в качестве примера ступень L1 лабиринтного уплотнения. На участке уравновешивающего поршня 11, располагающемся напротив ступени L1 лабиринтного уплотнения, наружный диаметр уравновешивающего поршня 11 равен d1. При этом внутренний диаметр гребешков 31 лабиринта, образующих ступень L1 лабиринтного уплотнения, равен D1. Поэтому уплотнительный зазор имеет размер Δc=(D1-d1)/2.As shown in figure 3, the pockets 32 are trapezoidal in the meridian sections. Consider, as an example, the L1 labyrinth seal stage. On the plot of the balancing piston 11, located opposite the stage L1 of the labyrinth seal, the outer diameter of the balancing piston 11 is equal to d1. Moreover, the inner diameter of the ridges 31 of the labyrinth, forming the stage L1 of the labyrinth seal, is equal to D1. Therefore, the sealing gap has a size Δc = (D1-d1) / 2.

В этом примере глубина карманов 32 задана равной приблизительно 10-30-кратному размеру Δс уплотнительного зазора. То есть если допустить, что максимальный диаметр карманов 32 составляет D3, то (D3-D1)/2≈(10-30)×Δс. Причина этого заключается в том, чтобы обеспечить возможность подавления утечки газа, входящего в карманы 32, сохранения газа, вошедшего в карманы 32, без прохождения в окружном направлении, сжатия в соответствии со смещением ротора в радиальном направлении и, таким образом, проявления эффекта демпфирования.In this example, the depth of the pockets 32 is set to approximately 10-30 times the size Δc of the sealing gap. That is, if we assume that the maximum diameter of pockets 32 is D3, then (D3-D1) / 2≈ (10-30) × Δс. The reason for this is to suppress the leakage of the gas entering the pockets 32, to preserve the gas entering the pockets 32, without going in the circumferential direction, compression in accordance with the radial displacement of the rotor and, thus, the manifestation of a damping effect.

Внутренний диаметр D2 перегородок 33, образующих карманы 32, не превышает 1-5-кратного размера Δс уплотнительного зазора, т.е. (D2-D1)/2=(1-5)×Δс. Это делается для того, чтобы за счет треугольной формы гребешков 31 лабиринта на меридианальных разрезах создать участки гребешков 31 лабиринта с низким сопротивлением, допускающие в случае контакта гребешков 31 лабиринта с уравновешивающим поршнем 11 изнашивание только гребешков 31 лабиринта и обеспечивающие возможность предотвращения задевания карманов 32 или перегородок 33 и повреждения ротора 1. Увеличение внутреннего диаметра перегородок 33 за пределы указанного диапазона приводит к увеличению соединительной области между карманами 32 и появлению возможности снижения демпферного эффекта.The inner diameter D2 of the partitions 33 forming the pockets 32 does not exceed 1-5 times the size Δc of the sealing gap, i.e. (D2-D1) / 2 = (1-5) × Δс. This is done in order to create sections of the labyrinth scallops 31 with low resistance due to the triangular shape of the labyrinth scallops 31 on the meridian sections, allowing, in case of contact of the labyrinth scallops 31 with the balancing piston 11, only scallops of the labyrinth 31 are worn out and providing the possibility of preventing pockets of the maze 32 or 33 and damage to the rotor 1. An increase in the inner diameter of the partitions 33 beyond the specified range leads to an increase in the connecting area between the pockets 32 and the possibility of reducing the damper effect.

Кроме того, имеется три ступени L1-L3 лабиринтного уплотнения, и диаметр располагающегося напротив этих ступеней лабиринтного уплотнения уравновешивающего поршня 11 уменьшается в сторону ниже по потоку утечки. При этом размер Δс уплотнительного зазора между гребешками 31 лабиринта и уравновешивающим поршнем 11 сохраняется практически постоянным на любой из ступеней L1-L3 лабиринта. В результате в ступенях лабиринта ниже по потоку, то есть в сторону ниже по потоку, площадь уплотнения, полученная, в результате умножения размера Δс уплотнительного зазора на длину (πd) окружности уравновешивающего поршня 11, уменьшается, что приводит к снижению скорости утечки и возникновению эффекта повышения стабильности текучей среды.In addition, there are three stages L1-L3 of the labyrinth seal, and the diameter of the counter-balanced labyrinth seal opposite the stages of the labyrinth seal 11 decreases to the downstream side of the leak. The size Δc of the sealing gap between the ridges 31 of the labyrinth and the balancing piston 11 is kept practically constant at any of the steps L1-L3 of the labyrinth. As a result, in the steps of the labyrinth downstream, that is, downstream, the seal area obtained by multiplying the size Δc of the sealing gap by the circumference (πd) of the circumference of the balancing piston 11 decreases, which leads to a decrease in leakage rate and the effect increase fluid stability.

Со ссылками на фигуру 4 рассмотрим карман 32. Как указано выше, глубина карманов 32 равна приблизительно 10-30-кратному размеру Δс уплотнительного зазора, а разность (D2-D1)/2 между внутренними диаметрами перегородок 33 и вершин гребешков 31 лабиринта равна приблизительно 1-5-кратному размеру Δс уплотнительного зазора. Окружная длина кармана 32, определяемая вписанным углом, равна θ, и карманы размещены на расстоянии В, равном длине вершин перегородок 33 в окружном направлении со стороны внутреннего диаметра, один от другого с практически равными интервалами в окружном направлении.With reference to figure 4, consider pocket 32. As indicated above, the depth of pockets 32 is approximately 10-30 times the size Δc of the sealing gap, and the difference (D2-D1) / 2 between the inner diameters of the partitions 33 and the vertices of the labyrinth scallops 31 is approximately 1 -5 times the size Δc of the sealing gap. The circumferential length of the pocket 32, determined by the inscribed angle, is θ, and the pockets are placed at a distance B equal to the length of the vertices of the partitions 33 in the circumferential direction from the side of the inner diameter, one from the other with practically equal intervals in the circumferential direction.

Как показано на фигуре 4 пунктиром с чередующимися длинными и короткими штрихами, карман 32 образован в результате вращения вращающегося вала 51 токарного инструмента 50 и перемещения этого вращающегося вала в окружном направлении лабиринтного уплотнения 30. Так как радиус токарного инструмента 50 равен R, то с обеих сторон в окружном направлении карман 32 имеет практически один и тот же радиус R кривизны, равный радиусу токарного инструмента 50. При такой форме кармана 32 лабиринтное уплотнение 30, имеющее множество карманов 32 в окружном направлении, может быть изготовлено в результате механической обработки с помощью токарного инструмента 50, установленного на станке с ЧПУ. Пунктиром со штрихами одинаковой длины на фигуре 4 показана форма карманов 32 в канавке, сформированной в осевом направлении со стороны одной канавки, следующей до или за канавкой, показанной в поперечном разрезе. Положения карманов 32 практически в окружном направлении отличаются одно от другого на половину шага.As shown in FIG. 4 by a dotted line with alternating long and short strokes, the pocket 32 is formed by rotating the rotary shaft 51 of the turning tool 50 and moving this rotary shaft in the circumferential direction of the labyrinth seal 30. Since the radius of the turning tool 50 is R, then on both sides in the circumferential direction, the pocket 32 has almost the same radius R of curvature equal to the radius of the turning tool 50. With this shape of the pocket 32, the labyrinth seal 30 having many pockets 32 in the circumferential direction ii, it can be manufactured by machining using a turning tool 50 mounted on a CNC machine. A dotted line with strokes of the same length in Figure 4 shows the shape of the pockets 32 in a groove formed axially from one groove next to or behind the groove shown in cross section. The position of the pockets 32 practically in the circumferential direction differ from one another by half a step.

В варианте осуществления, иллюстрируемом фигурой 3, на лабиринтном уплотнении 30 со стороны вверх по потоку установлены радиальные ребра 34 жесткости. Технологический газ имеет большую радиальную составляющую скорости в выходном отверстии рабочего колеса. И поэтому в случае вхождения части этого технологического газа в качестве потока утечки лабиринтное уплотнение 30 для предотвращения вхождения этого технологического газа в лабиринтное уплотнение с сохранением радиальной составляющей скорости требуются ребра жесткости. При больших радиальных составляющих скорости потока утечки, входящего в лабиринтное уплотнение, существует высокая вероятность возникновения неустойчивых колебаний, известных как колебания, соответствующие прямой прецессии. Для подавления этих неустойчивых колебаний окружную составляющую скорости потока утечки, входящего в лабиринтное уплотнение, уменьшают до близкого к нулю значения в максимально возможной степени.In the embodiment illustrated by FIG. 3, radial stiffeners 34 are mounted on the labyrinth seal 30 on the upstream side. The process gas has a large radial velocity component in the impeller outlet. Therefore, if a part of this process gas enters as a leakage flow, the labyrinth seal 30 to prevent the ingress of this process gas into the labyrinth seal while maintaining the radial velocity component, stiffeners are required. With large radial components, the rate of leakage flow entering the labyrinth seal, there is a high probability of unstable oscillations, known as vibrations corresponding to direct precession. To suppress these unstable oscillations, the peripheral component of the rate of leakage flow entering the labyrinth seal is reduced to a value close to zero as much as possible.

На фигуре 9 представлены виды сверху, иллюстрирующие различные примеры токарных инструментов 50, используемых при обработке карманов 32. На фигуре 9(a) представлен токарный инструмент 50 для механической обработки лабиринтного уплотнения 30, обеспечивающий поочередное формирование канавок и плоских участков 54 между левой и правой наклонными поверхностями 52, 53. Угол наклона левой и правой наклонных поверхностей 52, 53 соответствует форме меридианального разреза канавок лабиринтного уплотнения 30. При этом плоские участки 54 являются параллельными поверхностями, соответствующими форме донного участка каждого кармана 32 на меридианальном разрезе одной и той же канавки.Figure 9 is a plan view illustrating various examples of turning tools 50 used in machining pockets 32. Figure 9 (a) shows a turning tool 50 for machining a labyrinth seal 30, which alternately forms grooves and flat sections 54 between left and right inclined surfaces 52, 53. The angle of inclination of the left and right inclined surfaces 52, 53 corresponds to the shape of the meridian section of the grooves of the labyrinth seal 30. In this case, the flat sections 54 are parallel surfaces corresponding to the shape of the bottom portion of each pocket 32 on the meridian section of the same groove.

Фигура 9(b) иллюстрирует пример токарного инструмента 50а, который для повышения технологичности обеспечивает возможность одновременного формирования двух канавок на станке. В канавках, примыкающих одна к другой в осевом направлении, положения карманов 32 в окружном направлении отличаются одно от другого. Поэтому на участке, соответствующем канавке, примыкающей к канавке, подвергаемой обработке, формируется участок 55 между канавками, который остается необработанным. Фигура 9(c) иллюстрирует другой пример, обеспечивающий повышение технологичности, с использованием токарного инструмента 50b для одновременной обработки двух канавок на станке. Этот инструмент обеспечивает возможность одновременной обработки двух соседних канавок на станке. Поэтому положения карманов 32 в окружном направлении могут быть изменены только в двух канавках.Figure 9 (b) illustrates an example of a turning tool 50a, which, to increase manufacturability, enables the simultaneous formation of two grooves on the machine. In the grooves adjacent to one another in the axial direction, the positions of the pockets 32 in the circumferential direction are different from each other. Therefore, in a portion corresponding to a groove adjacent to a groove being machined, a portion 55 is formed between the grooves, which remains untreated. Figure 9 (c) illustrates another example of improved processability using a turning tool 50b to simultaneously process two grooves on a machine. This tool enables the simultaneous machining of two adjacent grooves on the machine. Therefore, the position of the pockets 32 in the circumferential direction can only be changed in two grooves.

При использовании токарного инструмента 50а, показанного на фигуре 9(b), объем механической обработки удваивается по сравнению со случаем токарного инструмента 50, показанного на фигуре 9(a). Кроме того, увеличивается расстояние от положения зажатия токарного инструмента 50а в патроне до положения механической обработки, что приводит к увеличению консольной нагрузки на токарный инструмент 50а. В случае этого варианта осуществления участок между канавками становится ненужным, что позволяет снизить консольную нагрузку на токарный инструмент 50b по сравнению со случаями использования токарного инструмента 50а на фигуре 9(b).When using the turning tool 50a shown in figure 9 (b), the machining volume is doubled compared to the case of the turning tool 50 shown in figure 9 (a). In addition, the distance increases from the clamping position of the turning tool 50a in the chuck to the machining position, which leads to an increase in the cantilever load on the turning tool 50a. In the case of this embodiment, the section between the grooves becomes unnecessary, which reduces the cantilever load on the turning tool 50b compared to the use of the turning tool 50a in figure 9 (b).

Рассмотрим результаты экспериментов по снятию характеристик лабиринтного уплотнения согласно настоящему изобретению, имеющего рассмотренную выше конструкцию. На фигуре 5 представлены результаты измерения колебаний ротора 4, полученные при установке рассмотренного выше лабиринтного уплотнения 30 на участок уравновешивающего поршня 11 центробежного компрессора высокого давления. На фигуре 5 стабильность колебаний ротора 4 оценивается декрементом. Горизонтальная ось показывает рабочую скорость ротора, а вертикальная ось - декремент δ по отношению к собственной частоте ротора (соответствующей первому тону изгибных колебаний).Consider the results of experiments to characterize a labyrinth seal according to the present invention having the above construction. The figure 5 presents the measurement results of the oscillations of the rotor 4, obtained by installing the above labyrinth seal 30 on the plot of the balancing piston 11 of a centrifugal high pressure compressor. In figure 5, the stability of the oscillations of the rotor 4 is evaluated by decrement. The horizontal axis shows the working speed of the rotor, and the vertical axis shows the decrement δ in relation to the natural frequency of the rotor (corresponding to the first tone of bending vibrations).

На фигуре 6 представлены другие результаты декрементов ротора, полученные при установке на участок уравновешивающего поршня известного, часто используемого лабиринтного уплотнения без карманов. Фигура 6 иллюстрирует сравнительный пример, приведенный для демонстрации эффекта от лабиринтного уплотнения 30 согласно настоящему изобретению.Figure 6 shows other results of rotor decrements obtained when a well-known, often used labyrinth seal without pockets is installed on a balancing piston section. Figure 6 illustrates a comparative example shown to demonstrate the effect of the labyrinth seal 30 according to the present invention.

Номинальная скорость вращения ротора центробежного компрессора в процессе экспериментов составляла 14100 мин¹. Логарифмический декремент на собственной частоте ротора, соответствующей первому тону изгибных колебаний, составил для лабиринтного уплотнении 30 согласно настоящему изобретению приблизительно 1,4 против приблизительно 0,6 для известного лабиринтного уплотнения, из чего следует, использование лабиринтного уплотнения согласно настоящему изобретению позволяет повысить логарифмический декремент и, следовательно, получить более высокую характеристику демпфирования. При этом размер Δс уплотнительного зазора задавался одинаковым как для известного лабиринтного уплотнения, так и для лабиринтного уплотнения согласно настоящему изобретению. Поэтому снижение утечки из лабиринтного уплотнения согласно настоящему изобретению достигалось только за счет трехступенчатого изменения диаметра вала.The nominal rotational speed of the rotor of the centrifugal compressor during the experiments was 14100 min ¹ . The logarithmic decrement at the natural rotor frequency corresponding to the first tone of bending vibrations was approximately 1.4 for the labyrinth seal 30 according to the present invention versus approximately 0.6 for the known labyrinth seal, which means that the use of the labyrinth seal according to the present invention increases the logarithmic decrement and therefore, obtain a higher damping characteristic. The size Δc of the sealing gap was set the same for both the known labyrinth seal and the labyrinth seal according to the present invention. Therefore, the reduction of leakage from the labyrinth seal according to the present invention was achieved only due to a three-stage change in the shaft diameter.

Фигура 7 и фигура 8 иллюстрируют случай установки в одновальном многоступенчатом центробежном компрессоре 20, представленном на фигуре 1, другого лабиринтного уплотнения, имеющего множество карманов, представленных на виде в меридианальном разрезе. В рассмотренном выше варианте осуществления, лабиринтное уплотнение, установленное на участке уравновешивающего поршня 11, имеет множество карманов. В этом варианте осуществления множество карманов имеет не только лабиринтное уплотнение, установленное на участке уравновешивающего поршня. Входное лабиринтное уплотнение 12, установленное в отсеке всасывания рабочего колеса 3g последней ступени, показанного на участке А на фигуре 1, также имеет множество карманов.Figure 7 and figure 8 illustrate the case of installing in a single-shaft multistage centrifugal compressor 20, shown in figure 1, another labyrinth seal, with many pockets, shown in view in a meridian section. In the above embodiment, the labyrinth seal installed in the area of the balancing piston 11 has many pockets. In this embodiment, the plurality of pockets has not only a labyrinth seal mounted on the counterbalancing piston portion. The inlet labyrinth seal 12 installed in the suction compartment of the impeller 3g of the last stage, shown in section A in figure 1, also has many pockets.

Как показано на фигуре 7, входное лабиринтное уплотнение 12 установлено между кольцевым участком с2 кожуха рабочего колеса 3g последней ступени со стороны входного отверстия и корпусом 1. Входное лабиринтное уплотнение 12 имеет множество кольцевых гребешков 12h лабиринта и кольцевых параллельных канавок 12m, образованных кольцевыми гребешками 12h лабиринта, что позволяет предотвращать возврат части сжатого газа, выходящего из рабочего колеса 3g, показанного стрелкой α1, во входное отверстия рабочего колеса 3g со стороны низкого давления через зазор (через промежуток) c1.As shown in figure 7, the inlet labyrinth seal 12 is installed between the annular portion c2 of the casing of the impeller 3g of the last stage from the inlet side and the housing 1. The inlet labyrinth seal 12 has a plurality of annular labyrinth scallops 12h and annular parallel grooves 12m formed by annular labyrinth scallops 12h , which allows to prevent the return of part of the compressed gas leaving the impeller 3g, shown by arrow α1, into the inlet of the impeller 3g from the low pressure side through op (across the gap) c1.

Кроме того, как показано на фигуре 8, с противоположной от рабочего колеса 3g стороны в окружном направлении с интервалами сформировано множество радиальных выступов 12R, которые обеспечивают возможность предотвратить появление или уменьшить радиальную составляющую скорости сжатого газа в выходном отверстии 3g рабочего колеса. При этом на виде в меридианальном разрезе кольцевой участок с2 кожуха также имеет ступенчатую форму с уменьшением диаметра в сторону входного отверстия, что позволяет уменьшать площадь (Δс×πd) уплотнения и усиливать уплотнительный эффект в направлении стороны ниже по потоку.In addition, as shown in FIG. 8, from the opposite side of the impeller 3g in the circumferential direction, a plurality of radial protrusions 12R are formed at intervals, which make it possible to prevent or reduce the radial component of the velocity of the compressed gas in the impeller outlet 3g. Moreover, in the meridian sectional view, the annular portion c2 of the casing also has a stepped shape with a decrease in diameter in the direction of the inlet, which allows to reduce the area (Δc × πd) of the seal and enhance the sealing effect in the direction of the downstream side.

Рабочее колесо 3f предыдущей ступени размещено выше по потоку относительно рабочего колеса 3g последней ступени (см. фигуру 1). Между рабочим колесом 3f предыдущей ступени и рабочим колесом 3g последней ступени установлено межступенчатое лабиринтное уплотнение 13. Межступенчатое лабиринтное уплотнение 13 поддерживается в корпусе 1 и располагается напротив ротора 4 с уплотнительным зазором Δс в промежутке. Межступенчатое лабиринтное уплотнение 13 образовано из множества кольцевых гребешков 13h и множества кольцевых канавок 13m, образованных этими кольцевыми гребешками 13h. Такая конструкция позволяет предотвращать возврат газа, проходящего по каналу 7 прохождения обратного потока, в сторону 3f2 выходного отверстия рабочего колеса 3f предыдущей ступени через зазор с3 межступенчатого лабиринтного уплотнения 13.The impeller 3f of the previous stage is located upstream of the impeller 3g of the last stage (see figure 1). Between the impeller 3f of the previous stage and the impeller 3g of the last stage, an interstage labyrinth seal 13 is installed. An interstage labyrinth seal 13 is supported in the housing 1 and is located opposite the rotor 4 with a sealing gap Δc in the gap. The interstage labyrinth seal 13 is formed of a plurality of annular scallops 13h and a plurality of annular grooves 13m formed by these annular scallops 13h. This design allows to prevent the return of gas passing through the return flow passage 7 to the side 3f2 of the outlet of the impeller 3f of the previous stage through the gap c3 of the interstage labyrinth seal 13.

Кроме того, как и в варианте осуществления, иллюстрируемом фигурой 1, лабиринтное уплотнение 14 имеет множество кольцевых гребешков 14 лабиринта, размещенных между уравновешивающим поршнем 11 и корпусом 1, с помощью которых подавляется утечка сжатого газа, выходящего из рабочего колеса 3g последней ступени, из зазора между корпусом 1 и уравновешивающим поршнем 11 в сторону отсека низкого давления.In addition, as in the embodiment illustrated by FIG. 1, the labyrinth seal 14 has a plurality of annular labyrinth scallops 14 located between the balancing piston 11 and the housing 1, by which the leakage of compressed gas exiting the impeller 3g of the last stage is suppressed from the gap between the housing 1 and the balancing piston 11 towards the low-pressure compartment.

Лабиринтное уплотнение 14 снабжено шунтирующим отверстием 27, выполненным со стороны корпуса 1. Через это шунтирующее отверстие 27 газ входит в окружную канавку 25, сообщающуюся с камерой 24 между гребешками лабиринта, располагающейся в лабиринтном уплотнении 14, установленном на участке уравновешивающего поршня 11, со стороны внутренней части компрессора. Давление газа в окружной канавке 25 превышает статическое давление в выходном отверстии рабочего колеса, что обеспечивает возможность образования потока газа, идущего из камеры 24 между уравновешивающими гребешками лабиринта к выходному отверстию рабочего колеса 3g, и последующей стабилизации сопротивления текучей среды в лабиринтном уплотнении 14, которая позволяет стабилизировать колебания ротора 4, соответствующие прямой прецессии. При этом лабиринтное уплотнение 14 с такими шунтирующими отверстиями не исключает возможности использования конструкции с карманами 32 и конструкции со ступенчатым изменением диаметра уравновешивающего поршня, являющихся эффективными с точки зрения усиления демпфирования и снижения утечки в лабиринтном уплотнении.The labyrinth seal 14 is provided with a shunt hole 27 made from the side of the housing 1. Through this shunt hole 27, gas enters the circumferential groove 25, which communicates with the chamber 24 between the ridges of the labyrinth, located in the labyrinth seal 14, installed on the section of the balancing piston 11, from the side of the inner compressor parts. The gas pressure in the circumferential groove 25 exceeds the static pressure in the outlet of the impeller, which makes it possible to form a gas stream going from the chamber 24 between the balancing labyrinth combs to the outlet of the impeller 3g, and then stabilize the fluid resistance in the labyrinth seal 14, which allows stabilize the oscillations of the rotor 4 corresponding to direct precession. At the same time, the labyrinth seal 14 with such shunt holes does not exclude the possibility of using a design with pockets 32 and a design with stepwise changing the diameter of the balancing piston, which are effective in terms of enhancing damping and reducing leakage in the labyrinth seal.

Описание каждого из рассмотренных выше вариантов осуществления касалось случаев использования настоящего изобретения применительно к лабиринтному уплотнению участка уравновешивающего поршня и к лабиринтному уплотнению со стороны всасывания рабочего колеса последней ступени. Однако конструкция уплотнительного узла согласно настоящему изобретению может быть также использована применительно к стороне всасывания рабочего колеса каждой ступени или к межступенчатому уплотнению 13, что в любом случае обеспечивает возможность одновременного достижения и снижения потока утечки и усиления эффекта демпфирования.The description of each of the above embodiments related to the use of the present invention with respect to the labyrinth seal of the balancing piston portion and to the labyrinth seal on the suction side of the impeller of the last stage. However, the design of the sealing assembly according to the present invention can also be applied to the suction side of the impeller of each stage or to the interstage seal 13, which in any case provides the possibility of simultaneously achieving and reducing the leakage flow and enhancing the damping effect.

Согласно каждому из вариантов осуществления настоящего изобретения, рассмотренных выше, лабиринтное уплотнение снабжено гребешками, выступающими в радиальном направлении внутрь и имеющими в меридианальном разрезе зауженные вершины, позволяющие минимизировать повреждение ротора в случае контакта ротора с лабиринтным уплотнением. Кроме того, так как изнашиванию подвергается только уплотнение, то появляется возможность уменьшения уплотнительного зазора до такой степени, что контакт наступает при максимальном смещении ротора, и, следовательно, появляется возможность заметного снижения утечки сжатого газа по сравнению с известными случаями.According to each of the embodiments of the present invention discussed above, the labyrinth seal is provided with scallops protruding radially inward and having narrowed vertices in the meridian section to minimize rotor damage in case of contact of the rotor with the labyrinth seal. In addition, since only the seal undergoes wear, it becomes possible to reduce the sealing gap to such an extent that contact occurs at the maximum displacement of the rotor, and, therefore, it becomes possible to significantly reduce the leakage of compressed gas in comparison with known cases.

Кроме того, формирование множества карманов в лабиринтном уплотнении и размещение этих карманов в шахматном порядке по одному или в виде множества рядов обеспечивает возможность усиления эффекта демпфирования. То есть перегородки карманов, размещенные в окружном направлении, обеспечивают подавление или снижение утечки текучей среды из карманов в окружном направлении, и поэтому при смещении ротора в радиальном направлении газ утечки, остающийся на участках карманов, подвергается сжатию и действует в качестве демпфера, что позволяет получить эффект подавления смещения ротора в направлении вращения и обеспечиваетстабильность текучей среды на участке лабиринтного уплотнения.In addition, the formation of multiple pockets in the labyrinth seal and the placement of these pockets in a checkerboard pattern one at a time or in the form of multiple rows provides the possibility of enhancing the damping effect. That is, the pocket partitions located in the circumferential direction suppress or reduce the leakage of fluid from the pockets in the circumferential direction, and therefore, when the rotor is shifted in the radial direction, the leakage gas remaining in the pocket sections is compressed and acts as a damper, which allows to obtain the effect of suppressing the displacement of the rotor in the direction of rotation and ensures the stability of the fluid in the labyrinth seal area.

Кроме того, окружная ширина карманов уменьшается в радиальном направлении наружу, а в продольном разрезе диаметр карманов увеличивается в осевом направлении, что позволяет повысить резонансную частоту карманов в радиальном направлении и, таким образом, предотвратить влияние частотной характеристики на постоянную уплотнения в максимально возможной степени.In addition, the circumferential width of the pockets decreases in the radial direction outward, and in the longitudinal section, the diameter of the pockets increases in the axial direction, which makes it possible to increase the resonant frequency of the pockets in the radial direction and, thus, prevent the frequency response from affecting the compaction constant as much as possible.

Согласно каждому из рассмотренных выше вариантов осуществления в меридианальном разрезе карманы имеют трапецеидальную форму, точно такую же, как и канавки в лабиринтном уплотнении. Поэтому карманы могут быть сформированы в результате механической обработки на станке с ЧПУ или т.п. с помощью токарного инструмента с трапецеидальной формой сечения, т.е. в результате использования только токарной обработки, позволяющей повысить обрабатываемость карманов.According to each of the above embodiments, in the meridian section, the pockets have a trapezoidal shape, exactly the same as the grooves in the labyrinth seal. Therefore, pockets can be formed by machining on a CNC machine or the like. using a turning tool with a trapezoidal sectional shape, i.e. as a result of using only turning, which improves the machinability of pockets.

Лабиринтное уплотнение имеет ступенчатую конструкцию, а диаметр ротора уменьшается в сторону ниже по потоку утечки в соответствии с каждой ступенью лабиринтного уплотнения. Поэтому в результате уменьшения площади канала прохождения потока в сторону ниже по потоку обеспечивается возможность эффекта повышения стабильности текучей среды.The labyrinth seal has a stepped design, and the rotor diameter decreases downstream in accordance with each stage of the labyrinth seal. Therefore, by reducing the area of the flow passage channel downstream, the effect of increasing the stability of the fluid is possible.

Как указано выше, настоящее изобретение обеспечивает возможность подавления утечки из уплотнения и предотвращения неустойчивых колебаний ротора, что, таким образом, позволяет создать центробежный компрессор с возможностью устойчивой работы даже в условиях высокой скорости и высокого давления.As indicated above, the present invention provides the ability to suppress leakage from the seal and prevent unstable oscillations of the rotor, which, thus, allows you to create a centrifugal compressor with the possibility of stable operation even at high speed and high pressure.

Список номеров позицийList of item numbers

1 - корпус,1 - housing

2 - вращающийся вал,2 - rotating shaft

3, 3a-3g - рабочее колесо,3, 3a-3g - impeller,

4 - ротор,4 - rotor

11 - уравновешивающий поршень,11 - balancing piston,

12 - входное лабиринтное уплотнение (лабиринтное уплотнение на входе в рабочее колесо),12 - input labyrinth seal (labyrinth seal at the entrance to the impeller),

13 - межступенчатое лабиринтное уплотнение,13 - interstage labyrinth seal,

14 - лабиринтное уплотнение (участка) уравновешивающего поршня,14 - labyrinth seal (section) of the balancing piston,

30 - лабиринт уравновешивающего поршня,30 - a maze of balancing piston,

31 - параллельные зубья (гребешки лабиринта),31 - parallel teeth (scallops of the maze),

32 - карман,32 - pocket

33 - перегородка,33 - partition,

34 - радиальные ребра жесткости (выступы),34 - radial ribs (protrusions),

35 - перегородка,35 - partition,

50 - токарный инструмент,50 - turning tool

51 - участок вала,51 - section of the shaft,

52, 53 - наклоненная поверхность,52, 53 - inclined surface,

54 - плоский участок,54 is a flat area

55 - участок между канавками55 - section between the grooves

Claims

1. A centrifugal compressor comprising:

housing;

a rotor supported in the housing for rotation and having an impeller mounted on the rotor; and

a labyrinth seal fixed in the housing and placed opposite the rotor, in which gas compression is ensured by rotation of the specified impeller,

where the labyrinth seal is installed at least in the suction compartment of the impeller or on the balancing piston balancing the rotor pull force, the diameter of the rotor opposite the labyrinth seal increases or decreases in a stepwise manner, the labyrinth seal is formed of a plurality of grooves in the axial direction, and each the groove is provided with a plurality of pockets formed in the circumferential direction.

2. A centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the positions of the pockets formed in the grooves of the labyrinth seal in the circumferential direction differ from each other when moving from the groove to the groove.

3. The centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the grooves of the labyrinth seal are trapezoidal in meridian sections, and the pockets formed in each groove are made as a result of turning by moving the turning tool in the circumferential direction of the groove.

4. A centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that radial protrusions are formed on the end surface of the labyrinth seal upstream.

5. The centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the labyrinth seal has a plurality of grooves formed with a plurality of maze ridges that are practically parallel to one another, the diameter of the maze ridges closest to the center is smaller than the diameter of the end portion of the pockets on the inside diameter side, and the pockets are shaped so that their circumferential width decreases radially outward.

6. The centrifugal compressor according to claim 1 or 5, characterized in that the difference between the diameter of the vertices of the labyrinth seal and the diameter of the end portion of the pockets on the inner diameter side does not exceed 10 times the size of the sealing gap formed by the labyrinth seal between the labyrinth seal and the rotor located opposite of this labyrinth seal, the depth of the pocket is approximately 10-30 times the size of the sealing gap, and the height of the scallop of the labyrinth seal labyrinth is approximately 10-30 -fold size of the sealing gap.