RU65992U1

RU65992U1 - TURBOCHARGER SHAFT SEAL

Info

Publication number: RU65992U1
Application number: RU2007104798/22U
Authority: RU
Inventors: Василий Романович Пшик; Роман Борисович Вощенко; Ольга Владимировна Данилейко; Валентина Ивановна Гаранжа
Original assignee: ОАО "Сумское машиностроительное научно-производственное объединение имени М.В. Фрунзе"
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2007-08-27

Abstract

Полезная модель «Уплотнение вала турбокомпрессора» относится к уплотнительной технике и может быть использована в турбомашинах различного назначения для вращающихся валов и содержит аксиально-подвижное уплотнительное кольцо, установленное в корпусе и вращающееся уплотнительное кольцо, установленное на валу, на торцевой поверхности одного из них имеются напорные канавки, боковые стенки которых выполнены по радиусу R, определенного из неравенства Начало радиусов боковых стенок канавок разнесено на угол φ, который не превышает 10°. Канавки с переменной глубиной от центра к периферии дополнительно имеют, по крайней мере, одно углубление и/или выступ. Повышается надежность турбокомпрессора и расширяется его функциональное использование за счет максимальной напорности зазора в широком диапазоне рабочих параметров. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model “Turbocharger shaft seal” refers to the sealing technique and can be used in turbomachines for various purposes for rotating shafts and contains an axially movable sealing ring installed in the housing and a rotating sealing ring mounted on the shaft, on the end surface of one of them there are pressure grooves whose side walls are made along a radius R determined from the inequality The beginning of the radii of the side walls of the grooves is spaced by an angle φ, which does not exceed 10 °. Grooves with a variable depth from the center to the periphery additionally have at least one recess and / or protrusion. The reliability of the turbocharger is increased and its functional use is expanded due to the maximum pressure of the gap in a wide range of operating parameters. 3 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована в турбомашинах различного назначения для уплотнения вращающихся валов.The invention relates to a sealing technique and can be used in turbomachines for various purposes to seal rotating shafts.

Известна конструкция самоустанавливающегося торцового уплотнения, содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное кольцо с нажимными пружинами, а на валу вращающееся уплотнительное кольцо, причем торцовая поверхность последнего снабжена уплотнительным пояском и напорным участком, на котором выполнены напорные канавки (например, в виде ступени Релея) [1].A known design of a self-aligning mechanical seal containing an axially movable ring installed in the housing with compression springs, and a rotating sealing ring on the shaft, the end surface of the latter having a sealing girdle and a pressure section on which pressure grooves are made (for example, in the form of a Relay stage) [ one].

Недостатком такой конструкции уплотнения вала является сложность обеспечения требуемого минимального уплотнительного зазора при проектировании, что требует экспериментальной отработки каждого нового типоразмера уплотнения. К тому же такие уплотнения проектируются только для одного направления вращения.The disadvantage of this design of the shaft seal is the difficulty in ensuring the required minimum sealing gap during design, which requires experimental testing of each new size of the seal. Moreover, such seals are designed for only one direction of rotation.

Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является конструкция уплотнения вала, принятая в качестве прототипа и содержащая установленное в корпусе аксиально-подвижное кольцо с нажимными пружинами, а на валу вращающееся уплотнительное кольцо, причем торцовая поверхность одного из них снабжена уплотнительным пояском и напорным участком, на котором выполнены напорные канавки с радиусными боковыми стенками [2, 3].The closest to the purpose, technical nature and the achieved result is the shaft seal design adopted as a prototype and containing an axially movable ring with pressure springs installed in the housing, and a rotating sealing ring mounted on the shaft, and the end surface of one of them is equipped with a sealing girdle and pressure a section on which pressure grooves with radial side walls are made [2, 3].

При проектировании возникают затруднения в профилировании напорных канавок уплотнения. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям наибольшую напорность имеют канавки, боковые стенки которых имеют оптимальный входной угол наклона равный α=14°±5° аналогично углу наклона боковых стенок спиральных канавок, которые имеют наибольшую газодинамическую напорность. Однако выбор When designing, there are difficulties in profiling the pressure grooves of the seal. According to theoretical and experimental studies, grooves have the greatest pressure, the side walls of which have an optimal input angle of inclination equal to α = 14 ° ± 5 °, similar to the angle of inclination of the side walls of spiral grooves, which have the highest gas-dynamic pressure. However the choice

формы напорной канавки по одному геометрическому параметру затруднен, что значительно усложняет процесс проектирования и сдерживает широкое промышленное применение таких уплотнений в турбокомпрессорах.the shape of the pressure groove in one geometric parameter is difficult, which greatly complicates the design process and inhibits the wide industrial use of such seals in turbochargers.

Предлагаемая полезная модель направлена на повышение надежности и расширение области применения уплотнения вала, за счет обеспечения максимальной напорности и поддержания оптимального рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров, и позволит обеспечить широкое промышленное применение этих уплотнений на турбокомпрессорах.The proposed utility model is aimed at improving the reliability and expanding the field of application of shaft seals, by ensuring maximum pressure and maintaining optimal working clearance in a wide range of operating parameters, and will allow for the wide industrial use of these seals on turbochargers.

В предлагаемой конструкции уплотнения вала турбокомпрессора, содержащее вращающееся и аксиально-подвижное уплотнительное кольцо, причем на периферии торцовой поверхности одного из них выполнены напорные канавки, согласно технического решения боковые стенки которых выполнены по радиусу R, значение которого определяется из неравенства:In the proposed design of the shaft seal of the turbocompressor, containing a rotating and axially movable sealing ring, moreover, pressure grooves are made on the periphery of the end surface of one of them, according to the technical solution the side walls of which are made according to the radius R, the value of which is determined from the inequality:

а начала этих радиусов R расположены на окружности, диаметр D_уст которой определяется согласно формуле:and the beginnings of these radii R are located on a circle whose diameter D _mouth is determined according to the formula:

причем наименьший диаметр напорного участка определяется из соотношения:and the smallest diameter of the pressure section is determined from the ratio:

D_k=D₁-k·(D₁-D₂),D _k = D ₁ -k · (D ₁ -D ₂ ),

где - коэффициент ширины напорного участка, оптимальное значение которого находится в пределах 0,55÷0,7.Where - the coefficient of the width of the pressure section, the optimal value of which is in the range of 0.55 ÷ 0.7.

D₁ и D₂ - наружный и внутренний диаметр рабочей торцовой поверхности уплотнительной пары торцового уплотнения;D ₁ and D ₂ - the outer and inner diameter of the working end surface of the sealing pair of the mechanical seal;

D₀ - разгрузочный диаметр торцового уплотнения;D ₀ - discharge diameter of the mechanical seal;

D_k - наименьший диаметр напорного участка, на котором выполнены канавки.D _k - the smallest diameter of the pressure section on which the grooves are made.

Кроме того начала радиусов боковых стенок каждой канавки может быть выполнен не из одной и той же точки установочной окружности, а разнесены между собой на определенный угол φ, величина которого не превышает 10°.In addition, the beginning of the radii of the side walls of each groove can be made not from the same point of the installation circle, but spaced apart by a certain angle φ, the value of which does not exceed 10 °.

Таким образом, поставленная задача решается следующим путем:Thus, the task is solved in the following way:

- боковые стенки канавок, выполнение согласно вышеприведенным формулам, имеют оптимальный угол наклона боковой стенки (α=14°±5°), что позволяет обеспечить максимальную динамическую составляющую напорности канавок и, следовательно, устойчивый рабочий зазор в широком диапазоне рабочих параметров;- the side walls of the grooves, performed according to the above formulas, have an optimal angle of inclination of the side wall (α = 14 ° ± 5 °), which allows to provide the maximum dynamic component of the pressure head of the grooves and, therefore, a stable working gap in a wide range of operating parameters;

- выполнение более широким напорного участка (k=0,55...0,7) приводит к повышению как газостатической, так и газодинамической составляющей раскрывающей силы, чем обеспечивается устойчивый уплотнительный зазор в широком диапазоне режимов работы уплотнения;- the implementation of a wider pressure section (k = 0.55 ... 0.7) leads to an increase in both the gas-static and gas-dynamic component of the opening force, which ensures a stable sealing gap in a wide range of operating modes of the seal;

- выполнение напорных канавок, начала радиусов боковых стенок которых расположены в одной точке установочной окружности, позволит обеспечить их высокую напорность при наиболее простом способе изготовления;- the implementation of pressure grooves, the beginning of the radii of the side walls of which are located at one point of the installation circle, will ensure their high pressure with the simplest manufacturing method;

- увеличение угла φ между точками, с которых проводятся радиусы боковых стенок напорных канавок, приведет к увеличению ширины входного участка канавки, а, следовательно, к увеличению количества газа поступающего в канавку, что позволит обеспечить оптимальную величину рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров;- an increase in the angle φ between the points from which the radii of the side walls of the pressure grooves are drawn, will lead to an increase in the width of the inlet section of the groove, and, consequently, to an increase in the amount of gas entering the groove, which will ensure the optimal value of the working gap in a wide range of operating parameters;

- выполнение симметричных боковых стенок канавок позволяет захватывать одинаковое количество газа как в одном направлении вращения, так и в противоположном, таким образом обеспечивается одинаковая напорность в обоих направлениях вращения вала, что позволяет легко выполнять замену уплотнений (одинаковые кольца для обоих концов вала), а также предотвращает разрушение колец при возможном аварийном вращении вала в противоположную от обычного направления сторону;- the implementation of the symmetrical side walls of the grooves allows you to capture the same amount of gas both in one direction of rotation and in the opposite, thus ensuring the same pressure in both directions of rotation of the shaft, which makes it easy to replace the seals (the same rings for both ends of the shaft), and prevents the destruction of the rings in case of a possible emergency rotation of the shaft in the opposite direction from the usual direction;

- канавка дополнительно имеет, по меньшей мере, одно углубление и/или выступ, контуры которого симметричны боковым стенкам канавки причем начала радиуса боковой стенки внутреннего углубления (выступа) может быть выполнен с одной точки установочной окружности, а точки с которых выполнены радиусы боковых стенок канавок разнесены на определенный угол φ. Ступенчатая донная часть канавки образует зоны повышенного давления на каждой ступеньке, чем обеспечивается повышенная жесткость газового слоя и поддерживается устойчивый уплотнительный зазор;- the groove additionally has at least one recess and / or protrusion, the contours of which are symmetrical to the side walls of the groove, the beginning of the radius of the side wall of the inner recess (protrusion) can be made from one point of the installation circle, and the points from which the radii of the side walls of the grooves are made spaced at a certain angle φ. The stepped bottom of the groove forms zones of increased pressure at each step, which ensures increased rigidity of the gas layer and maintains a stable sealing gap;

- выполнение углубления и/или выступа на донной части канавки симметрично боковым стенкам канавки обеспечивает равномерное дополнительное поступление газа при любом направлении вращения вала;- the implementation of the recess and / or protrusion on the bottom of the groove symmetrically to the side walls of the groove provides a uniform additional flow of gas in any direction of rotation of the shaft;

- выполнение канавки с увеличением ее глубины от центра кольца к периферии позволит обеспечить поступление большего количества газа в канавку (на периферии глубина канавки больше) при более интенсивном сжатии газа при перемещении его к центру кольца (за счет уменьшения площади поперечного сечения канавки с уменьшением текущего радиуса).- the implementation of the groove with an increase in its depth from the center of the ring to the periphery will allow more gas to enter the groove (at the periphery the depth of the groove is greater) with more intense gas compression when moving it to the center of the ring (by reducing the cross-sectional area of the groove with a decrease in the current radius )

Все это дает возможность повысить надежность и расширить область применения уплотнения в целом за счет обеспечения требуемой напорности канавок и, следовательно, номинального уплотнительного зазора в широком диапазоне окружных скоростей и рабочих давлений.All this makes it possible to increase reliability and expand the scope of the seal as a whole by ensuring the required pressure of the grooves and, therefore, the nominal sealing gap in a wide range of peripheral speeds and operating pressures.

Заявляемая конструкция уплотнения вала турбомашины с указанной совокупностью признаков обеспечивает повышение надежности и уплотняющей способности уплотнительного узла за счет поддержания требуемой напорности спиральных канавок и расчетной величины рабочего зазора в широком диапазоне окружных скоростей ротора турбокомпрессора и может быть применена в качестве концевых уплотнений на центробежных компрессорах, перекачивающих различные газовые среды в химической, газовой и других областях промышленности.The inventive design of the shaft seal of the turbomachine with the specified set of features provides increased reliability and sealing ability of the sealing assembly by maintaining the required pressure of the spiral grooves and the calculated value of the working gap in a wide range of circumferential speeds of the turbocharger rotor and can be used as end seals on centrifugal compressors pumping various gaseous media in chemical, gas and other industries.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого уплотнения вала турбокомпрессора, The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a longitudinal section of the proposed seal shaft turbocharger,

а на фиг.2÷4 - вид А фиг.1 с различными вариантами напорных участков. На фиг.2 а) и б) - основные геометрические размеры напорного участка и вид канавок с радиусными боковыми стенками; фиг.3 - вид канавки в которой выполнено углубление (или выступ) симметрично боковым стенкам; фиг.4 - вид канавки с переменной глубиной.and figure 2 ÷ 4 is a view a of figure 1 with various options for pressure sections. In Fig.2 a) and b) - the main geometric dimensions of the pressure section and the type of grooves with radial side walls; figure 3 is a view of a groove in which a recess (or protrusion) is made symmetrically to the side walls; 4 is a view of a groove with a variable depth.

Уплотнение вала турбокомпрессора, содержащее аксиально-подвижное уплотнительное кольцо 1, установленное в корпусе 2, и вращающееся уплотнительное кольцо 3, установленное на валу 4, и имеющие на периферии торцовой уплотнительной поверхности одного из них канавки 5, боковые стенки которых выполнены по радиусу R, оптимальное значение которого выбирается из неравенства:The seal of the turbocharger shaft, containing an axially movable sealing ring 1 installed in the housing 2, and a rotating sealing ring 3 mounted on the shaft 4, and having grooves 5 on the periphery of the end sealing surface of one of them, the side walls of which are made along the radius R, is optimal whose value is chosen from the inequality:

а начала радиусов R боковых стенок канавок расположены на окружности, диаметр D_уст которой определяется согласно формуле:and the beginning of the radii R of the side walls of the grooves are located on a circle whose diameter D _mouth is determined according to the formula:

D_k=D₁-k·(D₁-D₂),D _k = D ₁ -k · (D ₁ -D ₂ ),

D_k - наименьший диаметр напорного участка, на котором выполнены канавки. Канавки 5 отделены друг от друга перемычками 8, а от полости низкого давления уплотнительным пояском 9.D _k - the smallest diameter of the pressure section on which the grooves are made. The grooves 5 are separated from each other by jumpers 8, and from the low-pressure cavity by a sealing girdle 9.

Предварительное поджатие аксиально-подвижного уплотнительного кольца 1 к вращающемуся уплотнительному кольцу 3 осуществляется The preliminary compression of the axial-movable sealing ring 1 to the rotating sealing ring 3 is carried out

пружинами 10, а их герметизация от перетечек по нерабочим поверхностям - уплотнительными элементами 11 и 12, соответственно. Вращающееся кольцо 3 удерживается от проворота относительно вала штифтом 13, а аксиально-подвижное кольцо 1 стопорится от проворота относительно корпуса штифтом 14.springs 10, and their sealing against overflows on non-working surfaces with sealing elements 11 and 12, respectively. The rotating ring 3 is kept from turning relative to the shaft by the pin 13, and the axially movable ring 1 is locked from turning by the pin 14.

Уплотнение вала турбокомпрессора работает следующим образом. В исходном положении кольца 1 и 3 прижаты друг к другу с помощью пружин 10. Газ, находящийся перед узлами уплотнений, удерживается от перетечек через зазоры между корпусом и кольцом 1, а также между валом и кольцом 3 уплотнительными элементами 11 и 12, соответственно. Сила, раскрывающая уплотнительный стык, меньше газостатической силы, прижимающей уплотнительные кольца 1 и 3 друг к другу, при этом уплотнительный поясок 9 контактирует с уплотнительной торцовой поверхностью ответного кольца и препятствует проникновению газа из полости высокого давления в полость низкого давления, чем обеспечивается герметизация уплотнительного стыка.The shaft seal of the turbocharger operates as follows. In the initial position, the rings 1 and 3 are pressed against each other by means of springs 10. The gas in front of the seal assemblies is kept from flowing through the gaps between the housing and the ring 1, and also between the shaft and the ring 3 by the sealing elements 11 and 12, respectively. The force opening the sealing joint is less than the gas-static force pressing the sealing rings 1 and 3 against each other, while the sealing girdle 9 is in contact with the sealing end surface of the counter ring and prevents the penetration of gas from the high-pressure cavity into the low-pressure cavity, which ensures sealing of the sealing joint .

При вращении вала 4 газ захватывается канавками и подается к центру торцовых уплотнительных поверхностей колец 1 и 3, где, встречая сопротивление уплотнительных перемычек 8 и уплотнительного пояска 9, сжимается. Возникающая при этом результирующая газодинамическая сила увеличивает силу, раскрывающую уплотнительный стык, и при определенной частоте вращения ротора происходит разделение уплотнительных поверхностей и уплотнение начинает работать без контакта. При этом кольца занимают некоторое равновесное положение.When the shaft 4 rotates, the gas is captured by the grooves and fed to the center of the end sealing surfaces of the rings 1 and 3, where, meeting the resistance of the sealing jumpers 8 and the sealing girdle 9, it is compressed. The resulting gas-dynamic force arising from this increases the force that opens the sealing joint, and at a certain rotational speed of the rotor, the sealing surfaces separate and the seal starts to work without contact. In this case, the rings occupy a certain equilibrium position.

Увеличение зазора между кольцами 1 и 3 приведет к уменьшению результирующей газодинамической силы и нарушению баланса сил, действующих на аксиально-подвижное кольцо 1, в результате чего последнее сместится в сторону уменьшения зазора.An increase in the gap between rings 1 and 3 will lead to a decrease in the resulting gas-dynamic force and an imbalance in the forces acting on the axially movable ring 1, as a result of which the latter will shift toward a decrease in the gap.

Выполнение боковых стенок канавок по радиусу R, при условии, если начало этого радиуса расположено на окружности диаметром D_уст, позволит обеспечить их оптимальный угол наклона, а следовательно, с учетом рабочей частоты вращения и параметров газовой среды, их номинальную напорность в The execution of the side walls of the grooves along the radius R, provided that the beginning of this radius is located on a circle with a diameter of D _mouth , will ensure their optimal angle of inclination, and therefore, taking into account the operating speed and parameters of the gas medium, their nominal pressure in

широком диапазоне давлений рабочей среды. Канавки, начала радиусов боковых стенок которых расположены в одной точке установочной окружности, позволит обеспечить их высокую напорность при наиболее простом способе изготовления. При увеличении угла φ между точками, с которых проводятся радиусы боковых стенок напорных канавок, увеличивается ширина входного участка канавки, и, следовательно, увеличивается количество газа поступающего в канавку, что позволит обеспечить оптимальную величину рабочего зазора в широком диапазоне рабочих параметров.wide pressure range of the working environment. Grooves, the beginning of the radii of the side walls of which are located at one point of the installation circle, will ensure their high pressure with the most simple manufacturing method. With an increase in the angle φ between the points from which the radii of the side walls of the pressure grooves are drawn, the width of the inlet section of the groove increases, and, consequently, the amount of gas entering the groove increases, which will ensure the optimal value of the working gap in a wide range of operating parameters.

Более широкий напорный участок (k=0,55...0,7) приводит к повышению как газостатической, так и газодинамической составляющей раскрывающей силы, чем обеспечивается устойчивый уплотнительный зазор в широком диапазоне режимов работы уплотнения;A wider pressure section (k = 0.55 ... 0.7) leads to an increase in both the gas-static and gas-dynamic components of the opening force, which ensures a stable sealing gap in a wide range of sealing operating modes;

Возможно несколько вариантов выполнения канавок (фиг.2÷4). В зависимости от достигаемой цели, канавка может быть дополнительно снабжена углублением (выступом), контуры которых симметричны боковым стенкам канавки. Выполнение канавки ступенчатой (т.е. разной глубины) позволяет обеспечить устойчивую работу уплотнения на различных режимах и на различных средах. При этом, за счет ступенчатого изменения глубины канавки, создаются участки повышенного давления, что увеличивает жесткость несущего газового слоя и делает зазор между вращающимся и аксиально-подвижным кольцами более устойчивым.Several options for the implementation of the grooves (figure 2 ÷ 4). Depending on the achieved goal, the groove may be additionally provided with a recess (protrusion), the contours of which are symmetrical to the side walls of the groove. Performing a stepped groove (i.e., different depths) allows for stable operation of the seal in various modes and in different environments. At the same time, due to a stepwise change in the depth of the groove, areas of increased pressure are created, which increases the rigidity of the carrier gas layer and makes the gap between the rotating and axially movable rings more stable.

Канавки могут быть выполнены различными способами, например, ионным или электроэррозионным травлением с использованием масок, лазерной обработкой, или же канавки могут изготавливаться механическим путем, например, с использованием традиционных методов металлообработки, в частности шлифованием.Grooves can be made in various ways, for example, by ion or electroerosive etching using masks, laser processing, or grooves can be made mechanically, for example, using traditional metal processing methods, in particular grinding.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает значительными технико-экономическими преимуществами, заключающимися в повышении надежности уплотнительного узла путем поддержания номинального рабочего зазора между уплотнительными кольцами в Thus, the claimed technical solution in comparison with the prototype and other known technical solutions has significant technical and economic advantages, consisting in increasing the reliability of the sealing unit by maintaining the nominal working clearance between the sealing rings in

широком диапазоне частот вращения, а также в возможности широкого промышленного применения уплотнений такой конструкции в качестве концевых уплотнительных узлов центробежных компрессоров, перекачивающих агрессивные, взрывоопасные, токсичные и другие газы.a wide range of rotational speeds, as well as the possibility of wide industrial use of seals of this design as end seal assemblies of centrifugal compressors pumping aggressive, explosive, toxic and other gases.

Claims

1. The shaft seal of the turbocharger, containing an axially movable ring mounted in the housing, and a rotating sealing ring mounted on the shaft, and on the end sealing surface of one of them made pressure grooves with radial side walls, characterized in that the side walls of the grooves are made radius R, the optimal value of which is determined from the inequality

and the beginning of the radii R of the side walls of the grooves are located at the intersection of the midline of the grooves with the installation circle, the diameter of which D _mouth is determined according to the formula

and the smallest diameter of the pressure section is determined from the ratio

D _k = D ₁ -k · (D ₁ -D ₂ ),

Where

- coefficient of the width of the pressure section, the optimal value of which is in the range of 0.55 ÷ 0.7;

D ₁ and D ₂ - the outer and inner diameter of the working end surface of the sealing pair of the mechanical seal;

D ₀ - discharge diameter of the mechanical seal;

D _k - the smallest diameter of the pressure section on which the grooves are made.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the beginning of the radii of the side walls of the grooves are spaced apart by an angle φ, which does not exceed 10 °.

3. A seal according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the grooves are further provided with at least one recess and / or protrusion, the contours of which are symmetrical to the side walls of the groove, and the radius of the side walls of the inner recess (protrusion) is made with one point of the installation circle, and the points from which the radii of the side walls of the groove are made are spaced by an angle φ, which does not exceed 10 °.

4. The seal according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the groove has a variable depth from the center to the periphery.