Узел уплотнения вала ротора центробежного компрессора

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к уплотнениям вала центробежных компрессоров общего назначения для сжатия воздуха или технологических компрессоров для сжатия инертных газов.

Узел уплотнения вала, ограничивающий или исключающий утечки рабочего газа и попадание смазки в проточную часть является одним из основных узлов компрессоров с принудительной смазкой.

Известен узел уплотнения вала фирмы "Cooper Bessemer" (США), выполненный в виде масляного уплотнения с плавающими кольцами, состоящего из двух колец с резиновыми кольцами на их контактных поверхностях, предварительно поджатых к корпусу посредством пружины (В.А. Максимов, М.Б. Хадиев. "Бесконтактные уплотнения роторов центробежных и винтовых компрессоров", ФЭН, Казань, 1998 г., с. 20).

Данная конструкция имеет радиальные проточки на валу, которые являются концентраторами напряжения, что при определенных обстоятельствах может приводить к разрушению вала. В такой конструкции для достаточного запаса прочности требуется увеличение размеров вала.

Известна конструкция узла уплотнения фирмы "Ingersoll-Rand" (США), представляющего собой газодинамическое уплотнение в виде пакета уплотнительных плавающих бесконтактных колец и проставков (В.А. Максимов, М.Б. Хадиев. "Бесконтактные уплотнения роторов центробежных и винтовых компрессоров", ФЭН, Казань, 1998 г., с. 86).

В данной конструкции в период пуска и останова компрессора, в случаях, когда имеют место резкие колебания давления сжимаемого газа и возможен унос масла со стороны подшипника, осуществляется наддув воздуха или инертного газа повышенного давления в камеру перед кольцом со стороны опорного подшипника, что, с одной стороны, предотвращает попадание смазки в проточную часть машины, а, с другой стороны, требует наличия системы наддува буферного газа.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание узла уплотнения вала компрессора, не требующего подвода в него буферного газа при пуске и останове компрессора, за счет исключения попадания масла из подшипникой опоры в прототочную часть компрессора.

Технический результат достигается тем, что узел уплотнения вала центробежного компрессора, содержащий установленное в корпусе подшипника между его опорной втулкой и проточной частью компрессора газовое уплотнение, включающее уплотнительные кольца и проставки, дополнительно содержит жестко закрепленный на газовом уплотнении гидростатический масляный затвор, состоящий из внутренней и внешней стенок, ограничивающих внутреннюю кольцевую полость, открытую в сторону вала и сообщенную с внутренней полостью корпуса подшипника через дренажное отверстие, выполненное во внешней стенке, и с проточной частью компрессора через отверстие, выполненное во внутренней стенке, при этом внутренняя кольцевая полость в меридианальном сечении имеет диффузорность.

Наличие в узле уплотнения наряду с газовым уплотнением жестко связанного с ним масляного затвора, состоящего из внутренней и внешней стенок, ограничивающих внутреннюю кольцевую полость, открытую в сторону вала, повышает герметичность узла уплотнения. Сообщение внутренней кольцевой полости через отверстия во внешней и внутренней стенках соответственно с внутренней полостью корпуса подшипника и с проточной частью компрессора позволяет разгрузить радиальный зазор между поверхностью вала и стенками масляного затвора при возникновении перепада давления между проточной частью и внутренней полостью корпуса подшипника, и, тем самым, предотвратить утечку масла в проточную часть компрессора.

Наличие диффузорности в меридианальном сечении у внутренней кольцевой полости, образованной внешней и внутренней стенками масляного затвора, повышает активность отвода масла из этой полости за счет изменения профиля мениска (искривления поверхности жидкости) с вогнутого на плоский или выпуклый, что способствует образованию капель масла.

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 представлен узел уплотнения вала ротора центробежного компрессора; на фиг. 2 укрупненно представлен масляный затвор узла уплотнения - место А фиг. 1; на фиг. 3 также представлен масляный затвор узла уплотнения - место Б фиг. 1.

Узел уплотнения содержит газовое уплотнение 1, установленное в корпусе подшипника 2 между опорной втулкой 3 и проточной частью 4 компрессора, представляющее собой размещенный в корпусе пакет уплотнительных колец и проставков, а также гидростатический масляный затвор 5, состоящий из внутренней стенки 6, внешней стенки 7 и дистанционных шайб 8, образующих пакет уплотнения. Данный пакет жестко закреплен на газовом уплотнении 1. Внутренняя полость 9, ограниченная внутренней и внешней стенками 6, 7, выполнена открытой в сторону вала 10 и сообщается с внутренней полостью подшипника через дренажное отверстие 11, выполненное в нижней части внешней стенки 7, а со стороной проточной части - через отверстие 12, выполненное в верхней части внутренней стенки 6.

Полость 13 между газовым уплотнением 1 и масляным затвором 5 может сообщаться с атмосферой или коллектором сброса утечек из уплотнения.

При подготовке к пуску компрессора или его останове маслосистемой компрессора осуществляется подача масла в опорную втулку 3.

Из втулки 3 масло попадает на поверхность вала 10 и под действием смачивания распространяется по этой поверхности, в том числе в направлении газового уплотнения 1 и проточной части 4. Попадая в радиальный кольцевой зазор 14 затвора 5, находящийся между поверхностью вала 10 и внутренними калиброванными расточками стенок 6, 7, масло заполняет зазор 14 с образованием торцовых стенок жидкости, удерживаемых за счет вязкости и поверхностного натяжения масла.

Гидростатические силы дополнительно удерживают масло в кольцевой полости 9, образованной стенками 6 и 7, от его продвижения в сторону проточной части 4.

Внутренняя полость 9 в меридианальном сечении имеет диффузорность, то есть расширяется от вала 10 к периферии. Раскрывающийся канал (диффузор) позволяет удалять масло из кольцевой полости 9, т.к. в его нижней части изменяется профиль мениска с вогнутого (для смачивающих жидкостей при наличии параллельных стенок мениск имеет вогнутый профиль со стороны жидкости) на плоский или выпуклый профиль (в зависимости от давления в зоне раздела сред в полости 9), и под действием гравитации, а также за счет вязкости масла, происходит образование капель масла, которые отводятся из полости 9 через дренажное отверстие 11.

Работа масляного затвора осуществляется следующим образом.

На режиме, когда давление в проточной части 4 и во внутренней полости корпуса подшипника 2, находящейся со стороны втулки 3, относительно равны, масло удерживается в радиальном зазоре 14 за счет сил поверхностного натяжения масла в зазоре 14 и капиллярности в полости 9, что препятствует его распространению в сторону проточной части.

В случае, когда давление газа в проточной части 4 выше, чем давление со стороны втулки 3, избыточное давление проточной части 4 вытесняет масло из радиального зазора 14 в сторону втулки 3, обеспечивая защищенность проточной части 4 от попадания масла.

На режиме, когда давление газа со стороны втулки 3 больше, чем в проточной части 4, поверхностного натяжения масла недостаточно для обеспечения затвора в радиальном зазоре 14, и защита от протечки масла в проточную часть 4 обеспечивается за счет усиления капиллярности во внутренней полости 9, путем разрежения во внутреннем объеме затвора, обеспечиваемого наличием отверстия 12 во внутренней стенке 6, соединяющего полость 9 с проточной частью 4. Масло отбирается из радиального зазора 14 в зоне вала 10 и из полости 9, и под действием гравитации отводится через отверстие 11 во внешней стенке 7 в сторону втулки 3.

Предлагаемый масляный затвор, кроме защиты от попадания масла в проточную часть, практически не требует увеличения пространства для его размещения и применим с другими типами уплотнений.