RU2697019C1

RU2697019C1 - Газовое уплотнение

Info

Publication number: RU2697019C1
Application number: RU2019110961A
Authority: RU
Inventors: Христиан КИРХНЕР
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN109715994B; US20190186635A1; WO2018050378A1; EP3293426A1; CN109715994A; US10670149B2; EP3485185B1; EP3485185A1

Abstract

Изобретение относится к газовому уплотнению (DGS), 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 (DGS) содержит скользящую втулку (SLV), прижимной элемент (PSE), прилегающий к неподвижному контактному уплотнительному кольцу (SSR) к первой поверхности (CSF 1) прилегания с помощью второй поверхности (CSF 2) прилегания, причем прижимной элемент (PSE) перемещается по оси. Эластичный элемент (EEL) прижимает в осевом направлении своей уплотнительной поверхностью (SFC) неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) с помощью прижимного элемента (PSE) к вращающемуся контактному уплотнительному кольцу (RSR), причем скользящая втулка (SLV) радиально направляет посредством первой поверхности (SSF 1) скольжения прижимной элемент (PSE) к третьей поверхности (SSF 3) скольжения вдоль осевой подвижности. Прижимной элемент (PSE) содержит уплотнение (SSL), уплотняющее продолжающуюся в направлении по окружности щель между прижимным элементом (PSE) и скользящей втулкой (SLV), и имеет два продолжающихся в направлении окружности отделенных друг от друга участка (PSE 1, PSE 2). Первый участок (PSE 1), к которому прилегает эластичный элемент (EEL) и второй участок (PSE 2), имеющий вторую поверхность (CSF 2) прилегания, причем уплотнение расположено, по меньшей мере частично, участком (FXS) фиксации между обоими участками (PSE 1, PSE 2), причем второй участок (PSE 2) содержит третью поверхность (SSF 3) скольжения. Для широкой области применения компоновки целесообразно, если первый участок (PSE 1) состоит, по существу, из металла, причем второй участок (PSE 2) состоит, по существу, из керамики. Изобретение обеспечивает разгрузку вторичных уплотнений. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

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 газовое уплотнение содержит прижимной элемент, прилегающий к неподвижному контактному уплотнительному кольцу к первой поверхности прилегания с помощью второй поверхности прилегания, причем эластичный элемент прижимает в осевом направлении своей уплотнительной поверхностью неподвижное контактное уплотнительное кольцо с помощью прижимного элемента к вращающемуся контактному уплотнительному кольцу RSR.

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 документов DE 202 17 983 U1, DE 20 2007 012 050 U1, DE 10 2011 007071 A1, WO 96/04497 A1 уже известны признаки ранее упомянутого сальникового уплотнения вала. Наряду с первичным уплотнением газового уплотнения, в частности сухим газовым уплотнением, необходимо, чтобы, как вращающееся уплотнительное кольцо, так и неподвижное уплотнительное кольцо были уплотнены относительно ротора или статора (корпуса или связанных конструктивных элементов) посредством, по существу, статичного уплотнения. Из-за всевозможных осевых раскачиваний, по меньшей мере, одно из этих уплотнений должно быть подвижным по оси. Таким является, как правило, по меньшей мере, неподвижное уплотнение, так как в этом конструктивном элементе можно легче преобразовывать движение. Вследствие высокой динамики движений это вторичное уплотнение крайне нагружено.

Оказалось, что вторичное уплотнение, обеспечивающее, как правило, осевую подвижность, является в обычных компоновках менее эффективным и более подверженным дефектам.

Задача изобретения состоит в усовершенствовании вторичного уплотнения, далее называемого уплотнением (на чертеже - уплотнением SSL).

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.

Предлагаемое согласно изобретению газовое уплотнение выполнено в виде сальникового уплотнения вала. 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.

Предпочтительно, если сальниковое уплотнение вала или предлагаемое, согласно изобретению, газовое уплотнение выполняют в виде вставки, пригодной для самостоятельной транспортировки, называемой также часто "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 уплотнение выполнено состоящим, по меньшей мере, частично из тефлона.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что прижимной элемент имеет два продолжающихся в направлении окружности, отделенных друг от друга участка: первый участок, к которому прилегает эластичный элемент и второй участок, имеющий вторую поверхность прилегания, причем уплотнение расположено, по меньшей мере, частично, участком фиксации между обоими участками.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что второй участок содержит третью поверхность скольжения.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что первый участок состоит, по существу, из металла.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что второй участок состоит, по существу, из керамики.

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.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что уплотнение продолжается радиально внутри через поверхность прилегания между обоими участками прижимного элемента и на осевой стороне более высокого давления также по оси через переход между прижимным элементом и скользящей втулкой.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что скользящая втулка радиально направляет посредством первой поверхности скольжения неподвижное контактное уплотнительное кольцо ко второй поверхности скольжения вдоль осевой подвижности.

Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что третья поверхность скольжения имеет меньший радиальный зазор с первой поверхностью скольжения, чем вторая поверхность скольжения.

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. Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает с этой целью, что скользящая втулка фиксирована на статоре газового уплотнения, причем скользящая втулка имеет продолжающийся в направлении по окружности первый вырез, а статор - продолжающийся в направлении по окружности, находящийся на участке фиксации первого выреза, напротив, второй вырез, вследствие чего, первый вырез и второй вырез определяют общую кольцеобразно продолжающуюся в направлении по окружности полость, причем в полости расположен продолговатый фиксирующий элемент, заполняющий, по меньшей мере, частично первый вырез и второй вырез так, что неограниченное осевое относительное перемещение возможно только при радиальной деформации фиксирующего элемента.

Для возможности простого монтажа фиксирующего элемента предпочтительно, если его выполняют согласно предпочтительному усовершенствованному варианту таким эластичным, что возникает способность 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 вставной канал, поэтому фиксирующий элемент можно вводить в полость через вставной канал. Целесообразно, если вставной канал проходит тангенциально к продолжающейся в направлении окружности полости.

Другой предпочтительный усовершенствованный вариант предусматривает, что скользящая втулка состоит из керамики, а статор из металла.

Следующий предпочтительный усовершенствованный вариант предусматривает, что статор или скользящая втулка имеют выходящий в полость вставной канал, поэтому фиксирующий элемент можно вводить в полость через вставной канал.

Другой предпочтительный усовершенствованный вариант предусматривает, что вставной канал проходит, по меньшей мере, частично, по существу, тангенциально к полости.

Другой предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что скользящая втулка и/или неподвижное контактное уплотнительное кольцо и/или второй участок состоят, по меньшей мере, частично или полностью из карбида вольфрама или карбида кремния.

Следующий предпочтительный усовершенствованный вариант предусматривает, что фиксирующий элемент выполнен в виде винтовой пружины, в частности, в виде кольцевой пружины или витой пружины.

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 устойчивость, 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 единственной 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 валу CH кольцо RRG ротора фиксировано посредством двух выступов SH1, SH2 радиально и по оси, причем, 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 фигуре 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, во всяком случае, зазор также может казаться меньше, а соотношение радиальных зазоров также наглядно не проиллюстрировано.

Радиальный зазор между скользящей втулкой SLV и вторым участком PSE 2, предпочтительно, меньше 1 мм в диаметре, так что второй участок, а вместе с ним весь прижимной элемент PSE установлен радиально и направляется с возможностью перемещения по оси.

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 PSE 1, PSE 2 прижимного элемента PSE расположено продолжающееся в направлении окружности уплотнение SSL, выполненное в виде тефлонового уплотнения 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.

Уплотнение SSL прижимного элемента PSE продолжается в направлении радиально вовнутрь через поверхность прилегания между обоими участками PSE 1, PSE 2 прижимного элемента PSE. Уплотнение SSL 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 (меньшего, чем зазор между неподвижным контактным уплотнительным кольцом SSR и скользящей втулкой SLV), уплотнение SSL только незначительно выдавливается при давлении 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 вставной 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 предусмотрено еще одно уплотнение SSS статора для поддержания разницы давления между наружным давлением P l и внутренним давлением P 2.

С целью фиксации в желаемом положении, уплотнение SSL или тефлоновое уплотнение TFL прижимают радиально 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, 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.

Claims

1. Газовое уплотнение (DGS), 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 (DGS) содержит скользящую втулку (SLV),

причем газовое уплотнение (DGS) содержит прижимной элемент (PSE), прилегающий к неподвижному контактному уплотнительному кольцу (SSR) к первой поверхности (CSF 1) прилегания с помощью второй поверхности (CSF 2) прилегания, причем прижимной элемент (PSE) выполнен с возможностью перемещения вдоль оси,

причем эластичный элемент (EEL) прижимает в осевом направлении своей уплотнительной поверхностью (SFC) неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) с помощью прижимного элемента (PSE) к выполненному с возможностью вращения контактному уплотнительному кольцу (RSR),

причем скользящая втулка (SLV) радиально направляет посредством первой поверхности (SSF 1) скольжения прижимной элемент (PSE) к третьей поверхности (SSF 3) скольжения вдоль оси,

причем прижимной элемент (PSE) содержит уплотнение (SSL), уплотняющее продолжающуюся в направлении по окружности щель между прижимным элементом (PSE) и скользящей втулкой (SLV),

причем прижимной элемент (PSE) имеет два продолжающихся в направлении окружности отделенных друг от друга участка (PSE 1, PSE 2): первый участок (PSE 1), к которому прилегает эластичный элемент (EEL), и второй участок (PSE 2), имеющий вторую поверхность (CSF 2) прилегания,

причем уплотнение расположено, по меньшей мере частично, участком (FXS) фиксации между обоими участками (PSE 1, PSE 2),

причем второй участок (PSE 2) содержит третью поверхность (SSF 3) скольжения,

отличающееся тем, что первый участок (PSE 1) выполнен, по существу, из металла,

причем второй участок (PSE 2) выполнен, по существу, из керамики,

причем скользящая втулка (SLV) выполнена из керамики.

2. Газовое уплотнение (DGS) по п. 1, в котором уплотнение (SSL) выполнено, по меньшей мере, частично состоящим из тефлона.

3. Газовое уплотнение (DGS) по п. 1 или 2, в котором уплотнение (SSL) продолжается радиально внутри через поверхность прилегания между обоими участками (PSE 1, PSE 2) прижимного элемента (PSE) и на осевой стороне более высокого давления также по оси через переход между прижимным элементом (PSE) и скользящей втулкой (SLV).

4. Газовое уплотнение (DGS) по любому из пп. 1–3, в котором скользящая втулка (SLV) радиально направляет посредством первой поверхности (SSF 1) скольжения неподвижное контактное уплотнительное кольцо (SSR) ко второй поверхности (SSF 2) скольжения вдоль оси.

5. Газовое уплотнение (DGS) по п. 4, в котором третья поверхность (SSF 3) скольжения имеет меньший радиальный зазор с первой поверхностью (SSF 1) скольжения, чем вторая поверхность (SSF 2) скольжения.

6. Газовое уплотнение (DGS) по любому из пп. 1–5, в котором уплотнение (SFC) содержит продолжающийся в направлении (CDR) окружности пружинный элемент (HSC), предварительно напряженный в радиальном направлении и прижимающий посредством предварительного напряжения уплотнение (SFC) к скользящей втулке (SLV).