Результат интеллектуальной деятельности: СТОЯНОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Изобретение относится к области центробежного компрессоростроения, в частности вакуумным центробежным компрессорам.

Известны конструкции контактных уплотнений подвижных соединений, обеспечивающие высокую герметизацию полостей в машинах, содержащих газы и жидкости при высоких давлениях или под вакуумом. Это сальники, манжеты, резиновые пружинные кольца, торцевые уплотнения и т.д. В указанных конструкциях уплотнение между подвижной и неподвижной поверхностями достигается непосредственным соприкосновением (контактом) поверхностей (см, например, Орлов П.И. «Основы конструирования» Справочно-методическое пособие, Кн.1, М.: Машиностроение, стр.472-482).

Недостатками известного уплотнения является: ограниченность допустимых скоростей относительного движения уплотняемых поверхностей, изнашиваемость и потеря уплотнительных свойств с износом, наличие утечек газа в атмосферу.

По указанным причинам контактные уплотнения не нашли самостоятельного широкого применения в центробежных компрессорах. Тем не менее, задача герметизации проточной части компрессора при стоянке сохраняет свою актуальность в вакуумных компрессорах и технологических процессах, где требуется сохранение постоянства компонентного состава газа и исключение выбросов технологического газа в атмосферу. Для решения этой задачи в центробежных компрессорах применяют специальные уплотнения комбинированного типа, сочетающие в конструкции бесконтактные и контактные уплотнения.

Известны конструкции торцевых газодинамических уплотнений, содержащие уплотнительную пару, включающую деталь с уплотняемой поверхностью (вращающееся кольцо) и уплотнительный узел (аксиально-подвижное кольцо), подпружиненный в осевом направлении. При стоянке (отсутствии вращения) аксиально-подвижное кольцо прижимается пружинами и давлением газа к детали с уплотняемой поверхностью, осуществляя контактное уплотнение. При запуске компрессора разделение поверхностей трения колец уплотнений происходит уже при достижении окружной скорости порядка 0,6 м/сек, а при обеспечении достаточной газостатической составляющей раскрывающей силы бесконтактный режим наступает сразу после подачи газа под давлением до начала вращения вала (см., например, И.Г.Хисамеев, В.А.Максимов, Г.С.Баткис, Я.З.Гузельбаев «Проектирование и эксплуатация промышленных центробежных компрессоров» - Казань: Изд-во «ФЭН», 2010, стр.158-166).

Так как эти уплотнения при стоянке не являются абсолютно герметичными по геометрическим параметрам - плоскостность уплотнительных торцевых поверхностей 0,002 мм, поэтому, в случае необходимости полной «абсолютной» герметичности, они не могут использоваться в качестве стояночных уплотнений.

Также известно стояночное уплотнение, содержащее корпус, уплотнительную пару, включающую установленный в корпусе неподвижный элемент и установленный на роторе подвижный элемент, фиксатор стопорения, неподвижный в осевом направлении вал, закрепленный на роторе фланец, соединенный по резьбе и пружиной кручения с валом (см. Патент RU 2028524, опубликован 09.02.1995).

Недостатком этого стояночного уплотнения является сложность настройки и регулирования, большие габариты, нестабильность удельного давления в торцовой паре, недостаточная герметичность уплотнения, невысокая надежность при использовании разъемного резьбового соединения.

Техническим результатом изобретения является повышение герметичности проточной части компрессора при его стоянке, исключение утечек технологичного газа в атмосферу, сохранение компонентов состава газа внутри газового контура при стоянке компрессора, повышение надежности и срока службы уплотнения.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что стояночное уплотнение центробежного компрессора содержит уплотнительную пару, включающую деталь роторной части компрессора с уплотняемой поверхностью и уплотнительный узел, установленный на статорной части компрессора и подпружиненный в осевом направлении, при этом уплотнительный узел выполнен в виде кольцевого поршня, установленного в кольцевом пазу статорной части, который сообщен с каналом подвода сжатого газа, причем на торцевой поверхности кольцевого поршня установлен торцевой уплотнительный элемент с возможностью контакта с уплотняемой поверхностью детали роторной части, а на цилиндрических поверхностях кольцевого поршня установлены поршневые уплотнительные элементы, при этом кольцевой поршень подпружинен в направлении от уплотняемой поверхности детали роторной части.

Кроме того, расположенный в кольцевом пазу статорной части торец кольцевого поршня может иметь кольцевую канавку для подвода сжатого газа.

Кроме того, кольцевой поршень может иметь в осевом сечении ступенчатую форму, причем первая ступень расположена в кольцевом пазу статорной части компрессора, на второй ступени расположен торцевой уплотнительный элемент, а кольцевой поршень подпружинен посредством упругого элемента, расположенного между упором статорной части компрессора и поверхностью первой ступени кольцевого поршня.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана конструкция предлагаемого стояночного уплотнения.

Стояночное уплотнение центробежного компрессора содержит контактную уплотнительную пару, включающую деталь 1 роторной части 2 с уплотняемой поверхностью 3 и уплотнительный узел, выполненный в виде кольцевого поршня 4, установленного на статорной части 5 (торцевой крышке) компрессора. Кольцевой поршень 4 установлен в кольцевом пазу 6 статорной части 5 компрессора и подпружинен в осевом направлении от уплотняемой поверхности 2 детали 1 роторной части 3 посредством упругого элемента 7, выполненного, например, в виде пружины, рессора, сильфона и т.п.Кольцевой паз 6 сообщен с каналом 8 для подвода сжатого газа извне. Кольцевой поршень 4 имеет в осевом сечении ступенчатую форму, причем первая ступень 9 расположена в кольцевом пазу 6 статорной части 5 и имеет на торцевой поверхности кольцевую канавку 10 для подвода сжатого газа, а на цилиндрических поверхностях имеет кольцевые канавки 11, в которых расположены вторичные поршневые уплотнительные элементы 12, уплотняющие цилиндрические поверхности поршня 4 и кольцевого паза 6. Вторая ступень 13 кольцевого поршня 4 на своем торце имеет кольцевую канавку 14, в которой расположен вторичный торцевой уплотнительный элемент 15, контактирующий с уплотняемой поверхностью 3 при стояночном положении компрессора.

Ступень 9 кольцевого поршня 4 с цилиндрической поверхностью ступени 13 образует кольцевой уступ, в котором между опорной поверхностью 16 ступени 9 и упором 17 (выступом) статорной части 5 компрессора расположен упругий элемент 7, упирающийся с одной стороны в поверхность 16, а с другой стороны в упор 17. Упор 17 закреплен на статорной части 5 посредством крепежного элемента 18 и удерживает упругий элемент 7 от выпадения.

Работает стояночное уплотнение центробежного компрессора следующим образом. При вращении роторной части 2 (ротора) с уплотняемой поверхностью 3 кольцевой поршень 4 находится в отжатом положении от уплотняемой поверхности 2 за счет действия пружины 7, т.е. нахождения ее в спокойном состоянии, образуя осевой зазор δ_а между статорными и роторными деталями компрессора. После остановки компрессора по каналу 8 подачи сжатого газа в кольцевой паз 6 и канавку 10 поступает под давлением сжатый газ из стороннего источника (баллона), создающий усилие на поршень 4, превышающее сумму сил, действующих на поршень 4 от давления газа внутри проточной части и усилия упругого элемента 7. Кольцевой поршень 4 перемещается до полного перекрытия осевого зазора δ_а, прижимается к уплотняемой поверхности 3, обеспечивая герметичность проточной части компрессора. Условие перекрытия зазора δ_а:

f₃*p₃>f₂*p₂+c*δ_a,

где f₃ - площадь торцевой поверхности кольцевого поршня 4, находящейся под давлением сжатого газа (из баллона);

f₂ - площадь торцевой поверхности кольцевого поршня 4, находящейся под давлением р₂ газа в проточной части компрессора;

с - жесткость упругого элемента 7;

δ_а - величина осевого зазора в стояночном уплотнении.

Пример конкретного исполнения

Для вакуумного компрессора при проверке проточной части на герметичность создается давление внутри корпуса сжатия, равное 10 Па (0,00001 кгс/см²). При даже без подачи сжатого воздуха в паз 6 и канавку 10 на кольцевой поршень 4 действует усилие, примерно, 190 кгс, прижимающее поршень 4 к уплотняемой поверхности 3. Следовательно, усилие с*δ_а, создаваемое упругим элементом 7, должно быть более 190 кгс, но не менее 300 кгс. Тогда при подаче сжатого воздуха давлением 2 кгс/см² в паз 6 стояночное уплотнение будет надежно перекрывать зазор δ_а, а при сбросе воздуха из паза 6 в атмосферу, наоборот, открывать зазор δ_а.