Торцовое уплотнение вала

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к торцовым уплотнениям вращающихся валов, снабженных холодильниками. Устройство содержит уплотнительный узел, охватывающий вал встроенный холодильник, гидравлически соединенный с контуром циркуляции охлаждающей жидкости. Корпус холодильника состоит из двух втулок, загерметизированного глухого торца с одной стороны и кольцевого элемента подвода и отвода охлаждающей жидкости с другой. Внутри корпуса размещена цилиндрическая перегородка. На внутренней поверхности корпуса холодильника выполнены винтовые канавки, образованные чередующимися винтовыми выступами различной высоты, причем выступы меньшей высоты имеют оптимальную форму оребрения. Кольцевой элемент подвода и отвода охлаждающей жидкости снабжен каналами для закрутки входящего в холодильник хладагена, а торцовое уплотнение глухого торца снабжено тонкостенными кольцами, в которых выполнены отверстия. Изобретение снижает энергозатраты на охлаждение торцового уплотнения вала при его многорежимной эксплуатации, а также облегченное удаление пузырей при запуске и температурах, близких к температуре кипения хладагента. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к торцовым уплотнениям вращающихся валов роторных машин.

Торцовые уплотнения должны обеспечивать высокую герметичность уплотняющих узлов вращающихся валов насосов и других аппаратов в тяжелых условиях высоких давлений (до 20 мПа), больших скоростей скольжения (до 100 м/с) и высоких температур (выше 500 К).

При таких условиях работы и высокой степени ответственности торцовых уплотнений существует необходимость снижения уровня отрицательного влияния вышеперечисленных факторов на надежность и ресурс прежде всего герметизаторов уплотнений.

Одним из определяющих из них является температурное состояние герметизаторов.

Для снижения их температуры в некоторых конструкциях торцовых уплотнений валов используют специальные встроенные теплообменные аппараты (встроенные холодильники), через которые прокачивают охлаждающую среду, чаще всего воду.

Например, необходимый температурный режим торцового вала насоса "ЦВН-8" обеспечивают охлаждением через встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей воды. Насосы АЭС: Справ. пособие/П.Н.Пак, А.Я.Белоусов, А.И.Тимшин и др.; под общ. ред. П.Н.Пака - М.: Энергоатомиздат, 1989.

Известно также устройство (П.М. №31821, МПК⁷ F 04 D 29/10; F 16 J 15/44, опубл. 27.08.02 г., Бюл.№24), которое содержит включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости встроенный холодильник, представляющий собой кольцевую полость со спиральными канавками, охватывающую вращающийся вал.

Недостатком известного торцового уплотнения вала является его чувствительность к изменению температуры охлаждающей жидкости и взаимодействующих с ним конструктивных элементов и, как следствие, недостаточная надежность, герметичность.

Наиболее близким из известных торцовых уплотнений вала является торцовое уплотнение вала согласно П.М. №33187, МПК⁷ F 04 D 29/10; F 16 J 15/44, опубл.10.10.03 г., Бюл.№28), выбранное в качестве прототипа и содержащее уплотнительный узел, с зазором охватывающий вал встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости. Корпус холодильника состоит из двух втулок, загерметизированного межвтулочного торца, расположенной внутри корпуса цилиндрической перегородки.

При этом на внутренней поверхности корпуса со стороны вала выполнены винтовые канавки, а удаленный от уплотнительного узла торец корпуса встроенного холодильника снабжен установленными в его полости несколькими кольцевыми тонкостенными пластинами.

Недостатком известного торцового уплотнения вала является падение его эффективности при изменении расхода охлаждающей жидкости, подачу которой во многих случаях (температурное состояние герметизаторов торцового уплотнения вала, изменяется в зависимости от режима работы агрегата в целом, температуры окружающей среды и др.) целесообразно регулировать. В зависимости от изменения расхода охлаждающей жидкости меняется ее скорость, углы вхождения ее в винтовые канавки. Это в свою очередь приводит к повышению гидравлических потерь и, следовательно, к росту энергозатрат на прокачивание охлаждающей жидкости через встроенный холодильник.

Кроме того, при запуске в работу и высокопотенциальном тепловом режиме работы торцового уплотнения вала из полостей встроенного холодильника должны удаляться паровые пузыри, что затруднено в известном устройстве из-за большого количества нисходящих участков спиральных каналов и их малого гидравлического (эквивалентного) диаметра.

Технический результат, достижение которого обеспечивает использование заявленного торцового уплотнения вала, состоит в снижении энергозатрат на охлаждение устройства при его многорежимной эксплуатации за счет уменьшения гидравлических потерь во строенном холодильнике и улучшения условий для удаления из него пузырей при запуске и температурах, приближающихся к температуре кипения охлаждающей жидкости, снижения вероятности возникновения гидроударов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном торцовом уплотнении вала, содержащем уплотнительный узел, с зазором охватывающий вал встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости, корпус которого включает две коаксиально расположенные втулки с загерметизированным межвтулочным торцом, расположенную внутри корпуса холодильника гладкую цилиндрическую перегородку; на внутренней поверхности корпуса холодильника со стороны вала выполнены винтовые канавки, а у загерметизированного межвтулочного торца установлено по меньшей мере одно кольцо, у торца корпуса встроенного холодильника, обращенного к уплотнительному узлу с отверстиями, соединяющими его полость с каналами подвода и отвода охлаждающей жидкости, установлен закручивающий поток охлаждающей жидкости кольцевой элемент, винтовые канавки на внутренней поверхности корпуса образованы выступами различной высоты, чередующимися между собой, причем выступы меньшей высоты имеют оптимальную с точки зрения теплопередачи форму, а установленное у загерметизированного торца кольцо снабжено отверстиями.

При этом закручивающий поток охлаждающей жидкости кольцевой элемент и винтовые канавки рационально выполнять с учетом снижения тангенциальной составляющей скорости потока охлаждающей жидкости при ее движении между ними за счет потерь на трение.

Существо настоящего изобретения поясняется графическими материалами:

Фиг.1 - продольный разрез торцового уплотнения вала с холодильником, которое включает: 1 - уплотнительный узел с каналами подвода и отвода охлаждающей жидкости 2, вал 3; встроенный холодильник 4, состоящий из корпуса 5, который включает втулки 6 и 7, гладкую цилиндрическую перегородку 8 с герметизирующим торцевым элементом 9 и тонкостенными кольцами 10 и кольцевой закручивающий поток охлаждающей жидкости элемент 11 с каналами 12, соединяющими полость холодильника 4 с каналами 2 подвода и отвода охлаждающей жидкости, винтовое оребрение втулки 7 (винтовыми канавками) различной высоты 14 и 15, фланца 13.

Кольца 10 снабжены отверстиями 16.

На Фиг.2 показан закручивающий поток охлаждающей жидкости элемент 11 с каналами 12.

Работа предложенного холодильника торцового уплотнения вала осуществляется следующим образом.

Охлаждающая жидкость из системы циркуляции поступает в полость встроенного холодильника 4 по каналам подвода 2 во фланце 13.

Проходя через каналы 12 в закручивающем кольцевом элементе 11, поток охлаждающей жидкости, равномерно распределяясь в кольцевой полости, совершает в ней спиральное движение (между втулкой 6 и цилиндрической перегородкой 8). Дойдя до герметизирующего элемента 9 с кольцами 10, охлаждающая жидкость поступает в винтовые каналы, образованные разновысокими ребрами 14 и 15 на внутренней поверхности втулки 7 и гладкой цилиндрической перегородкой 8, после чего отводится из холодильника 4 по каналам 2 во фланце холодильника. Одновременно заполняется зазор между кольцом 10 (кольцами) и торцевым герметизирующим элементом 9.

Закрутка потока охлаждающей жидкости на входе в холодильник 4 равномерно распределяет ее по сечению кольцевого канала, образованного втулкой 6 и гладкой цилиндрической перегородкой 8, исключая образование зон застоя и обратной циркуляции.

Кроме того, в кольцевой полости, длина которой существенно превышает ее условный гидравлический диаметр, происходит согласование изменяющейся в зависимости от расхода охлаждающей жидкости степени закрутки ее потока (соотношения тангенциальной и осевой составляющих скорости) кольцевым закручивающим элементом и на входе в винтовые каналы. Такое согласование обеспечивается силами трения о поверхности втулки и цилиндрической перегородки, а также влиянием угла закрутки винтовых каналов за счет действия сил вязкости, действие которых распространяется "навстречу" потоку (от винтовых каналов к закручивающему кольцевому элементу).

Выполнение винтовых ребер 14 и 15 различной высоты обеспечивает лучшее сочетание организации спирального движения охлаждающей жидкости "высокими" ребрами 14 и термодинамически оптимальным оребрением "низкими" ребрами 15 для лучшего теплоотвода в охлаждающую жидкость.

Предварительная закрутка охлаждающей жидкости, согласованность закрутки потока и больший гидравлический диаметр винтовых каналов, а также отверстия 16 в кольце (кольцах) 10 обеспечивают более быстрое и полное удаление пузырей воздуха и пара при запуске или внезапном их образовании.

Таким образом, предложенное торцовое уплотнение вала обеспечивает при его использовании более эффективное охлаждение уплотнительного узла при работе системы охлаждения на различных режимах, что позволяет путем регулирования подачи охлаждающей жидкости экономно использовать энергию, затрачиваемую на ее циркуляцию, снижает вероятность возникновения и пребывания в полостях встроенного холодильника воздушных и паровых пузырей.

И, следовательно, предложенное устройство превосходит известные аналоги по совокупности эксплуатационных показателей.

Заявитель не обнаружил в доступных источниках информации сведений о торцовом уплотнении вала, характеризующемся идентичными предложенному устройству признаками.

Отдельные признаки, приведенные в формуле изобретения, являются известными, однако их сочетание в предложенном торцовом уплотнении вала обеспечивает получение нового, более высокого, чем простая сумма эффектов, технического результата.

Предложенное торцовое уплотнение вала может быть тиражировано и использовано, поскольку его основные составляющие элементы известны и используются в технике.

Использование предложенного устройства позволяет повысить эффективность, экономичность прокачивания жидкости через торцовые уплотнения валов роторных машин, работающих при повышенных температурах.

Повышаются также их надежность и ресурс, так как снижается воздействие на поверхности встроенного холодильника схлопывающихся (при их наличии, либо возникновении) пузырей.

1. Торцовое уплотнение вала, включающее уплотнительный узел, с зазором охватывающий вал встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости, корпус которого включает две коаксиально расположенные втулки с загерметизированным межвтулочным торцом, расположенную между втулками цилиндрическую перегородку, на внутренней поверхности корпуса холодильника со стороны вала выполнены винтовые канавки, а у загерметизированного межвтулочного торца установлено, по меньшей мере, одно кольцо, отличающееся тем, что у торца встроенного холодильника, обращенного к каналам подвода и отвода охлаждающей жидкости, установлен закручивающий поток охлаждающей жидкости кольцевой элемент, винтовые канавки на внутренней поверхности корпуса холодильника образованы выступами различной высоты, чередующимися между собой, а каждое установленное у загерметизированного межвтулочного торца кольцо снабжено, по меньшей мере, двумя отверстиями.

2. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что образующие винтовые канавки ребра меньшей высоты имеют оптимальную форму оребрения жидкостных теплообменных аппаратов.

3. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что отверстия в каждом из колец, установленных у загерметизированного межвтулочного торца, выполнены симметрично.

4. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что кольцевой закручивающий поток охлаждающей жидкости элемент выполнен в виде установленного между цилиндрической перегородкой и наружной втулкой встроенного холодильника кольца, в котором выполнены, по меньшей мере, два канала под острым углом к плоскости кольца.

5. Торцовое уплотнение вала по п.4, отличающееся тем, что каналы в закручивающем поток охлаждающей жидкости кольце выполнены в виде прорезей на его наружной поверхности.