Бесконтактные уплотнения

Лабиринтные уплотнения

Лабиринтные уплотнения используются для уменьшения внутренних (межступенчатых) и внешних (концевых) утечек газа и в системах защиты газа от замасливания.

Работа лабиринтного уплотнения (рис. 15.2) основана на использовании процесса дросселирования газа через группу последовательно расположенных элементов уплотнения. Каждый элемент уплотнения состоит из узкой щели, в которой потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую энергию, и камеры, имеющей достаточно большой объем, в которой кинетическая энергия потока в основном преобразуется в тепловую энергию из-за потерь на вихреобразование и трение.

 

Рис. 15.2. Схема течения газа в лабиринтном уплотнении: 1 – обойма уплотнений (в корпусе) или втулка (на роторе); 2 – ответная часть уплотнения с канавками; 3 – гребни лабиринтного уплотнения; 4 – стопорная проволока

 

Расход газа через щель лабиринтного уплотнения площадью (D_л – средний диаметр зазора) при докритических скоростях газа в щелях определяется по формуле Стодолы

,

где Р _{1 л} и Р _{2 л} – давление газа соответственно перед лабиринтом, т.е. на стороне высокого давления и за лабиринтом; Т_л – средняя температура газа в уплотнении; μ_л – коэффициент расхода, учитывающий характер потока в щели и конструктивные особенности уплотнения; z_л – число лабиринтных уплотнений.

Если в последней ступени лабиринтных уплотнений скорость течения достигает скорости звука, то расход определяется по формуле для критического течения

,

а условием возникновения критического течения в последней щели уплотнения является

,

где P_{z -1} – давление перед последним лабиринтом, которое определяется из соотношения

,

а параметры и В являются функцией только показателя изоэнтропы k, например, при k =1,4 =0,528 и В =0,685, при k =1,67 =0,487 и В = 0,727.

При критическом истечении расход газа через уплотнения является максимальным. На практике, как правило, критического истечения допускать нельзя, что достигается соответствующим выбором числа лабиринтов z_л.

Зазоры в лабиринтных уплотнениях делают по возможности малыми
(0,15–0,2 мм). Однако, учитывая увеличение зазоров во время эксплуатации, в расчетах рекомендуется принимать их вдвое большими, чем на чертежах. В ЦКМ зазор в лабиринтных уплотнениях часто берется по опытной зависимости

,

где D ₂ в м.

В машинах конструкции ОАО «Невский завод» (НЗЛ) обычно применяются лабиринтные уплотнения с шагом между гребнями t = 7,5; 6 и 4,5 мм.

При гладких (прямоточных) лабиринтных уплотнениях коэффициент расхода μ; увеличивается по сравнению со значением при ступенчатой конструкции, т.е. μ_гл > μ_ст. Величину μ_гл можно определить по кривым Эгли представленными на рис. 15.3.

При выборе числа гребней необходимо считаться с назначением уплотнений и располагаемыми габаритами, не рекомендуется иметь z_л < 4 и неэффективно допускать z_л >30 (для думмиса).

Рис 15.3. Зависимость μ_гл / μ_ст = f (s_r / t; z_л) [8]

 

Элементы конструкций гладких и ступенчатых уплотнений конструкции НЗЛ показаны на рис. 15.4, 15.5 и 15.6.

Кромки уплотнительных гребней со стороны потока должны иметь острую форму возможно меньшей толщины. В случае соприкосновения уплотнения с валом тонкие окончания гребней быстро срабатываются и приминаются. Такое конструктивное решение позволяет избежать серьезного повреждения вала, т.к. в результате образующегося при больших скоростях трения происходит местный нагрев вала, в результате чего он может деформироваться. В машинах, работающих с взрывоопасными газами, во избежание искрения применяют гребешки из легких неискрящихся деталей. Гребешки выполняются в основном из латуни (Л62 и Л68), монель-металла (НМЖМ-28-2,5-1,5), нейзильбера, железа Армко, при высоких температурах из нержавеющей стали (Ж-1). Показанные на рисунке статорные уплотнительные элементы выполняются в виде полуколец, устанавливаемых в верхнюю и нижнюю половины корпуса машины.

Так называемые усиковые уплотнения (рис. 15.5, 15.6) изготавливаются из тонких лент (0,2 мм), зачеканенных вместе с проволокой в канавки на поверхности ротора или реже статора. При задевании гребешка усикового уплотнения о статор тепло трения практически не передается через ленту к валу, что исключает повреждение вала.

 

Рис. 15.4. Виды уплотнений (показаны профили сечения обойм уплотнения): а) гладкое с запресованными в обойму гребешками; б) уплотнение для масла; в) ступенчатое с запресованными в обойму гребешками; г) ступенчатое с гребешками выполненными заодно с обоймой

Рис. 15.5. Примеры конструкций унифицированных концевых лабиринтных
уплотнений компрессора конструкции НЗЛ: 1 – переднее уплотнение;
2 – заднее уплотнение; 3 – камера для подвода запирающего газа.

Рис. 15.6. Примеры промежуточных уплотнений конструкции НЗЛ

Газовый затвор

Газовый затвор применяется в концевых лабиринтных уплотнениях и используется для герметизации внутренней полости турбокомпрессора при его работе на взрывоопасных и токсичных газах (хлор, сероводород, ацетилен, углекислота, метан, пропан и др.). Лабиринтные уплотнения с затворным газом используют для кислородных компрессоров с уплотняемым давлением Р_г £ 2,5 МПа, для газовых компрессоров с Р_г £ 0,35 МПа. В качестве затворного газа применяют чаще всего азот или чистый воздух.

 

Щелевые уплотнения

В случае сжатия в турбокомпрессоре газа высокого давления при дросселировании его через уплотнения сжимаемость проявляется очень мало. В связи с этим такие уплотнения могут выполняться по типу уплотнений насосов. В виду практической несжимаемости газа лабиринт обычного типа является малоэффективным. Перепад давлений в уплотнениях насосного типа осуществляется в результате трения в узкой щели, за счет потерь при входе и выходе из щели, а также при резком изменении направления потока.

Конструкция такого уплотнения показана на рис. 15.7. Невращающееся уплотнительное кольцо в виде графитовой втулки 1, плотно вставленной в обойму 2, прижато пружиной 3 к корпусу 4 узла уплотнения и может радиально перемещаться относительно корпуса. Уплотнительный эффект заключается в торможении потока утечки вязкого газа в узком кольцевом зазоре s_r. Давление газа понижается от начального значения Р 1 л до Р 2 л.

Необходимый для работы зазор s_r устанавливается путем радиальных перемещений уплотнительной втулки под действием сил, возникающих при касаниях с валом, при всплытии его в подшипниках во время пуска. Уплотнительное кольцо фиксируется в корпусе силой трения контактирующих торцевых поверхностей.

 

Рис. 15.7. Схема щелевого уплотнения: 1 – графитовая втулка; 2 – обойма; 3 – пружина; 4 – корпус узла уплотнения

 

Торцевые газодинамические уплотнения

Основными элементами этого уплотнения являются два кольца (рис. 14.8): вращающееся кольцо 1, жестко связанное с валом компрессора и невращающееся графитовое кольцо 2, которое опирается на ряд цилиндрических пружин 5, стремящихся прижать это кольцо к вращающемуся кольцу 1. Зазор между кольцом 2 и корпусом 3 уплотняется неподвижным упругим полимерным кольцом 4, препятствующим утечкам газа со стороны высокого давления в область низкого давления. Уплотнительное кольцо 4 не препятствует осевым перемещениям кольца 2.

Вращающееся кольцо образует с невращающимися кольцом торцевую уплотнительную щель h. На торцевой поверхности одного из колец, как правило, вращающегося, от радиуса r ₁ до радиуса r ₂ выполнены канавки глубиной Δ h = 5-6 мкм. Поэтому при переходе от канавки к межканавочному промежутку имеются ступеньки и зазор между поверхностями колец изменяется от величины h+ Δ h над поверхностью канавки до величины h в межканавочном промежутке.

При вращении кольцо 1 посредством канавок захватывает очищенный от примесей газ из полости с давлением Р ₁ и газ начинает перемещаться к центру от радиуса r ₁ к радиусу r ₂, преодолевая центробежные силы и силы трения. В связи с тем, что зазор между кольцами 1 и 2 в окружном направлении уменьшается от величины h+ Δ h до h, давление, напротив, возрастает и в некоторой области значений зазоров h осредненное по окружности давление Р_ср оказывается более высоким, чем давление перед уплотнением Р ₁. Таким образом, участок с канавками обеспечивает появление силы, препятствующей исчезновению зазора между кольцами. Эта сила называется распорной силой, а участок – «распорным».

За участком с канавками располагается осесимметричная радиальная кольцевая щель малой ширины, оказывающая вследствие этого большое сопротивление протекающему через нее потоку. Давление на бесканавочном участке убывает от величины Р ₂ в конце канавочного участка до давления Р ₀ в выходном сечении щели. Бесканавочный участок называется «запорным», т.к. его выходное сечение определяет предельный расход газа через уплотнение при достижении потоком скорости звука в этом сечении.

Твердые частицы, которые могут находиться в уплотняющем газе, подаваемом в зазор уплотнения, отбрасываются центробежными силами от входа в зазор и не попадают в него, даже если размер частиц позволяет им попасть в зазор.

Рис. 15.8. Торцевое газодинамическое уплотнение: 1 – вращающееся кольцо;
2 – невращающееся графитовое кольцо; 3 – корпус;
4 – упругое полимерное уплотнение; 5 – пружина; r _у – радиус, уплотняемый полимерным кольцом; r ₁ – наружный радиус вращающегося кольца;
r ₂ – внутренний радиус канавок; r ₃ – внутренний радиус уплотнения