Газовое уплотнение

Изобретение относится к газовому уплотнению, в частности к сухому газовому уплотнению, продолжающемуся вдоль направления (CDR) по окружности относительно оси (X), содержащему: вращающееся контактное уплотнительное кольцо (RSR) и неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR). Неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) перемещается по оси, причем газовое уплотнение (GDS) содержит скользящую втулку (SLV), причем скользящая втулка (SLV) направляет радиально посредством первой поверхности (SSF 1) скольжения неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) ко второй поверхности скольжения вдоль оси. Скользящая втулка (SLV) фиксирована на статоре (STS) газового уплотнения (GDS), причем скользящая втулка (SLV) имеет продолжающийся в направлении (CDR) по окружности первый вырез (RZ 1), а статор (STS) - продолжающийся в направлении (CDR) по окружности, находящийся на участке фиксации первого выреза (RZ 1) напротив второй вырез (RZ 2), вследствие чего первый вырез (RZ 1) и второй вырез (RZ 2) определяют общую кольцеобразно продолжающуюся в направлении (CDR) по окружности полость (CAV). В полости (CAV) расположен продолговатый фиксирующий элемент (FXE), заполняющий по меньшей мере частично первый вырез (RZ 1) и второй вырез (RZ 2) так, что неограниченное осевое перемещение возможно только при радиальной деформации фиксирующего элемента (FXE). Изобретение обеспечивает эффективную фиксацию керамических компонентов на стальных компонентах газового уплотнения. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к газовому уплотнению, в частности к сухому газовому уплотнению, продолжающемуся вдоль направления по окружности относительно оси, содержащему вращающееся контактное уплотнительное кольцо и неподвижное контактное уплотнительное кольцо, причем неподвижное контактное уплотнительное кольцо перемещается по оси, причем газовое уплотнение содержит скользящую втулку, причем скользящая втулка направляет радиально посредством первой поверхности скольжения неподвижное контактное уплотнительное кольцо ко второй поверхности скольжения вдоль оси.

Газовые уплотнения или сухие газовые уплотнения ранее упомянутой конструкции уже известны из различных публикаций. Примерами являются W02014/037 150 или W02014/023 581.

Такие сухие газовые уплотнения содержат, как правило, конструктивные элементы из керамики, в частности, изготовленные из карбида кремния или карбида вольфрама. Керамические конструктивные элементы в большинстве случаев являются неподвижными и/или вращающимися контактными уплотнительными кольцами, а при необходимости - примыкающими элементами. Другой пример из патентной литературы представлен в DE 39 25 403 C2.

Из документа ЕР 0 177 161 AI уже известно газовое уплотнение ранее указанной конструкции. В ЕР 0 315 941 A2 показано применение спиральной пружины для концентрического соединения двух конструктивных элементов из разных материалов.

Тепловое расширение этих керамических материалов составляет около 3,5xl0^-6 m/K х метр. Тепловое расширение стали, - материала, устанавливаемого, как правило, рядом с этими керамическими компонентами уплотнений, составляет по сравнению с ними около 11 x 10^-6 m/K х метр. Получающееся из этой разницы коэффициентов теплового расширения относительное расширение между керамическими компонентами и стальными компонентами следует соответствующим образом компенсировать, поэтому упрощенная фиксация керамических конструктивных элементов уплотнения вала на стальных конструктивных элементах не рассматривается.

Задача изобретения - создать эффективное и простое техническое решение для фиксации керамических компонентов на стальных компонентах ранее упомянутого газового уплотнения.

Для решения предлагаемой согласно изобретению задачи предложено газовое уплотнение ранее упомянутой конструкции с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Соответствующие зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные усовершенствованные варианты выполнения изобретения.

Такие понятия, как "осевой", "радиальный", "тангенциальный" или "направление по окружности" относятся, если они не представлены по-другому, к центральной оси, в направлении окружности которой продолжается, согласно изобретению, газовое уплотнение. Эта ось совпадает, как правило, с осью вращения вала, к которой газовое уплотнение образует сальниковое уплотнение вала для уплотнения щели между вращающимся валом или ротором и корпусом. Оказалось, что выполнение фиксации скользящей втулки газового уплотнения на статоре газового уплотнения или на прочих конструктивных элементах корпуса является согласно уровню техники, в большинстве случаев, трудоемкой и она занимает большее конструктивное пространство, в частности, в радиальном направлении.

Предпочтительно, если уплотнение вала или предлагаемое, согласно изобретению, газовое уплотнение выполняют в виде вставки, пригодной для самостоятельной транспортировки, часто называемой также картриджем, поэтому этот принцип модульного построения обеспечивает, например, простую замену вышедшего из строя газового уплотнения на исправное газовое уплотнение. По существу, также возможно согласно изобретению, что статором, или непосредственной, при необходимости монолитной составной частью корпуса машины, в которой устанавливают газовое уплотнение, является, например, центробежный турбокомпрессор.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что скользящая втулка состоит из керамики, в частности, из карбида кремния или карбида вольфрама. Контактное уплотнительное кольцо и скользящая втулка предпочтительно, состоят из этих керамических элементов, учитывая предъявляемые к ним высокие требования относительно длительного выдерживания размеров.

Для возможности простого монтажа фиксирующего элемента предпочтительно, если его выполняют, согласно предпочтительному усовершенствованному варианту, таким эластичным, что возникает способность его деформации при изгибе поперек к продольному направлению фиксирующего элемента. Благодаря этому фиксирующий элемент можно задвигать, предпочтительно, тангенциально в продолжающуюся в направлении окружности изогнутую полость при соответствующей деформации.

С этой целью, особенно предпочтительно, если либо статор, либо сама скользящая втулка имеют выходящий в полость канал, поэтому фиксирующий элемент можно вводить в полость через канал. Целесообразно, если канал проходит тангенциально к продолжающейся в направлении окружности полости.

Другой предпочтительный усовершенствованный вариант предусматривает, что фиксирующий элемент выполнен в радиальном направлении также пластичным. Для этого фиксирующий элемент может быть выполнен, в частности, в виде винтовой пружины и особенно предпочтительно, в виде кольцевой пружины или витой пружины. По существу, фиксирующий элемент может состоять для этого из эластичного материала или, например, из сформированного подобно винту стального профиля, особенно предпочтительно, имеющего плоский профиль. Винтовая пружина или фиксирующий элемент могут вводиться в значительной степени свободно без зазора в полость или располагаться в полости, поэтому скользящая втулка надежно фиксируется на статоре. Благодаря эластичной деформации фиксирующего элемента, получают дополнительное преимущество эластичности газового уплотнения, в частности, в осевом направлении. Несмотря, на осевую податливость, предлагаемая, согласно изобретению, фиксация скользящей втулки достаточна для обеспечения необходимой устойчивости, в частности, в отношении раскачивания. Так, как ротор раскачивается также по оси, например, в турбомашине, особенно предпочтительна для уплотнения дополнительная осевая эластичность фиксации скользящей втулки.

Далее приводится более подробное разъяснение изобретения посредством примера выполнения со ссылкой на единственную фигуру, на которой представлен схематичный вид в продольном разрезе предложенного согласно изобретению газового уплотнения.

На фигуре схематично показан продольный разрез предложенного, согласно изобретению, газового уплотнения с примыкающим корпусом CAS и примыкающим валом CH.

Согласно изобретению, газовое уплотнение DGS выполнено в виде вставки, пригодной для транспортирования, независимо от корпуса CAS и вала CH.

На вале CH кольцо RRG ротора фиксировано посредством двух выступов SH1, SH2 радиально и по оси, причем, по меньшей мере, один или оба выступа SH1, SH2 фиксированы не изображенным детально способом на валу CH с возможностью разъединения. Кольцо RRG ротора имеет к валу CH вращающееся статичное уплотнение RSS.

На чертеже на левой стороне имеет место внутреннее давление Р 2 машины, а на правой стороне - низкое наружное давление P l.

Вращающееся контактное уплотнительное кольцо RSR фиксировано на кольце RRG ротора посредством витой пружины RSE, причем витая пружина RSE обеспечивает только при радиальной деформации осевое движение вращающегося контактного уплотнительного кольца RSR из заданного положения. Вращающееся контактное уплотнительное кольцо RSR уплотнено с помощью второго вращающегося статичного уплотнения RS2 к кольцу RRG ротора.

Неподвижное контактное уплотнительное кольцо SSR находится по оси своей соответствующей уплотнительной поверхностью SFC напротив уплотнительной поверхности SFC вращающегося контактного уплотнительного кольца RSR, причем пружина SPR прижимает по оси посредством прижимного элемента PSE неподвижное контактное уплотнительное кольцо SSR с его уплотнительной поверхностью SFC к вращающемуся контактному уплотнительному кольцу RSR.

Прижимной элемент PSE разделен по оси на два участка, продолжающихся в направлении окружности, на первый участок PSE 1 и второй участок PSE 2, причем оба участка прижимаются посредством пружины SPR по оси друг к другу и по оси к неподвижному контактному уплотнительному кольцу SSR. Первый участок PSE 1 выполнен металлическим, а второй участок PSE 2 - керамическим, предпочтительно, из той же самой керамики, что и скользящая втулка SLV, продолжающаяся в направлении окружности и служащая как направляющая для осевого перемещения прижимного элемента PSE и неподвижного контактного уплотнительного кольца SSR. Зазор между скользящей втулкой SLV и вторым участком PSE 2 выполнен небольшим, поэтому второй участок, а вместе с ним весь прижимной элемент PSE установлен радиально и направляется с возможностью перемещения по оси. На чертеже не представлено изображение радиального зазора скользящей втулки SLV с элементами контактного уплотнительного кольца SSR и прижимным элементом PSE, зазор может также показаться, во всяком случае, меньше, а соотношение радиальных зазоров также наглядно не проиллюстрировано.

Второй участок PSE 2 прилегает своим осевым выступом APR, имеющим первую осевую поверхность CS1 прилегания, ко второй поверхности CS 2 прилегания, неподвижного контактного уплотнительного кольца SSR. Обе поверхности CS l, CS 2 прилегания выполнены притертыми друг к другу, поэтому они действуют практически как уплотнение без зазора.

Между обоими участками расположена продолжающееся в направлении окружности тефлоновое уплотнение TFL, и оно фиксируется посредством давления прижима прижимного элемента PSE 1 на неподвижном контактном уплотнительном кольце SSR, поэтому оба первых участка PSE 1, PSE 2 прилегают с уплотнением друг к другу.

Неподвижное контактное уплотнительное кольцо SSR направляется с осевым перемещением на скользящей втулке SLV с небольшим радиальным зазором, поэтому степень свободы движения ограничена осевым движением. Второй участок PSE 2 прижимного элемента PSE установлен так же. Как неподвижное контактное уплотнительное кольцо SSR, так и скользящая втулка SLV изготовлены из карбида вольфрама или карбида кремния.

Тефлоновое уплотнение TFL прижимного элемента PSE продолжается в направлении радиально вовнутрь, через поверхность прилегания между обоими участками PSE 1, PSE 2 прижимного элемента PSE. Тефлоновое уплотнение TFL продолжается также на стороне более высокого давления по оси, за переход между прижимным элементом PSE и скользящей втулкой SLV. Вследствие небольшого радиального зазора между скользящей втулкой SLV и вторым участком PSE 2 прижимного элемента PSE, тефлоновое уплотнение TFL выдавливается при давлении лишь незначительно в эту радиальную щель, поэтому обеспечивается уплотняющий эффект.

Неподвижная скользящая втулка SLV фиксирована посредством крепежного элемента FXE на статоре STS, причем статор STS одновременно является корпусом CSC газового уплотнения DGS.

Полость CAV определена продолжающимся в направлении CDR по окружности первым вырезом RZ 1 скользящей втулки SLV и продолжающимся в направлении CDR по окружности находящимся на участке фиксации напротив вторым вырезом RZ 2 статора STS.

Корпус CSC газового уплотнения DGS уплотнен относительно корпуса CAS турбомашины посредством О-образного кольцевого уплотнения ORG. По существу, предполагается также, что корпус турбомашины и корпус CSC газового уплотнения DGS являются единым конструктивным элементом. Фиксирующий элемент FXE можно тангенциально вводить, по существу, через тангенциальный канал ASC в полость CAV.

Фиксирующий элемент FXE выполнен в виде витой пружины и в соответствии с этим речь идет, по существу, о винтовой пружине, предпочтительно, из металлического материала. С целью уплотнения между скользящей втулкой SLV и статором STS предусмотрена еще одно уплотнение SSS статора для поддержания разницы давления между наружным давлением P l и внутренним давлением P 2.

Альтернативно фиксирующий элемент FXE может быть выполнен в виде проволоки, в частности, сплошной проволоки, в частности, без обычных полостей в поперечном сечении. Вариант выполнения в виде проволоки особенно экономичен и хорошо сочетается с возможностью по существу тангенциального введения через тангенциальный канал ASC в полость CAV фиксирующего элемента FXE. При этом пластичности проволоки, как правило, достаточно для компенсации разных коэффициентов расширения.

С целью фиксации в желаемом положении, тефлоновое уплотнение TFL радиально прижимают посредством спирального, продолжающегося в направлении окружности CDR пружинного элемента HSC радиально внутренним выступающим концом к скользящей втулке SLV, так что уплотняется возможная разница давления тефлонового уплотнения TFL, в частности, на участке уплотнена, между статичным контактным уплотнительным кольцом SSR и скользящей втулкой SLV, в частности, между прижимным элементом PSE и скользящей втулкой SLV. Для этого тефлоновое уплотнение TFL частично вдавливают вовнутрь щели между скользящей втулкой SLV и прижимным элементом. Спиральный пружинный элемент HSC удерживает тефлоновое уплотнение TFL только в необходимом для этого положении.

1. Газовое уплотнение, в частности сухое газовое уплотнение, продолжающееся вдоль направления (CDR) по окружности относительно оси (X), содержащее: выполненное с возможностью вращения контактное уплотнительное кольцо (RSR) и неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR),

причем неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) выполнено с возможностью перемещения вдоль оси,

причем газовое уплотнение (GDS) содержит скользящую втулку (SLV),

причем скользящая втулка (SLV) направляет радиально посредством первой поверхности (SSF 1) скольжения неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) ко второй поверхности (SSF2) скольжения вдоль оси,

отличающееся тем, что скользящая втулка (SLV) фиксирована на статоре (STS) газового уплотнения (GDS),

причем скользящая втулка (SLV) имеет продолжающийся в направлении (CDR) по окружности первый вырез (RZ 1), а статор (STS) - продолжающийся в направлении (CDR) по окружности, находящийся на участке фиксации первого выреза (RZ 1) напротив второй вырез (RZ 2), вследствие чего первый вырез (RZ 1) и второй вырез (RZ 2) определяют общую кольцеобразно продолжающуюся в направлении (CDR) по окружности полость (CAV),

причем в полости (CAV) расположен продолговатый фиксирующий элемент (FXE), заполняющий по меньшей мере частично первый вырез (RZ 1) и второй вырез (RZ 2), при этом неограниченное осевое перемещение осуществляется при радиальной деформации фиксирующего элемента (FXE).

2. Газовое уплотнение (DGS) по п. 1, в котором скользящая втулка (SLV) выполнена из керамики, а статор (STS) из металла.

3. Газовое уплотнение (DGS) по п. 1 или 2, в котором фиксирующий элемент (FXE) выполнен эластичным для обеспечения деформации при изгибе поперек к продольному направлению фиксирующего элемента (FXE).

4. Газовое уплотнение (DGS) по п. 3, в котором статор (STS) или скользящая втулка (SLV) имеют выходящий в полость (CRV) канал (ASC), при этом фиксирующий элемент (FXE) выполнен с возможностью введения в полость (CRV) через канал (ASC).

5. Газовое уплотнение (DGS) по п. 4, в котором канал (ASC) проходит по меньшей мере,частично, по существу, тангенциально к полости (CRV).

6. Газовое уплотнение (DGS) по п. 2, в котором скользящая втулка (SLV) состоит по меньшей мере частично из карбида вольфрама или карбида кремния.

7. Газовое уплотнение (DGS) по любому из пп. 1-6, в котором фиксирующий элемент (FXE) выполнен в виде винтовой пружины, в частности в виде кольцевой пружины или витой пружины.

8. Газовое уплотнение (DGS) по любому из пп. 1-6, в котором фиксирующий элемент (FXE) выполнен в виде проволоки, в частности сплошной проволоки.