Система, включающая в себя уплотнение вала - RU2560971C2

Чертежи

Описание

Изобретение касается уплотнения вала для уплотнения зазора прохода вала через корпус, при этом вращающиеся и статичные элементы уплотнения образуют уплотнительный модуль, при этом во внутренней области корпуса находится технологическая жидкость с давлением уплотнения, а вне корпуса - окружающая жидкость с давлением окружающей среды, при этом уплотнение вала включает в себя более одного уплотнительного модуля, по меньшей мере один подвод жидкости и один отвод жидкости, при этом давление окружающей среды отличается от давления уплотнения в рабочем состоянии на разность давлений, и эта разность давлений, разделенная на доли, прикладывается к каждому из отдельных уплотнительных модулей как часть разности давлений, при этом уплотнительные модули включают в себя по меньшей мере одно главное уплотнение, которое выполнено таким образом, что при нормальной, исправной эксплуатации и при разгоне и останове к нему прикладывается наибольшая часть разности давлений, исходя из наибольшего уровня давления изнутри наружу, при этом уплотнительные модули включают в себя по меньшей мере одно второе главное уплотнение, которое выполнено таким образом, что при неисправности первого главного уплотнения к нему прикладывается наибольшая часть разности давлений, исходя из наибольшего уровня давления изнутри наружу, при этом между двумя главными уплотнительными модулями предусмотрен по меньшей мере один отвод жидкости, посредством которого выводится первая отводимая жидкость.

Уплотнения вала вышеназванного рода находят частое применение, в частности, в турбомашинах, которые имеют выведенный из корпуса вал, обеспечивающий возможность присоединения привода или отбора мощности. Природа уплотнения вала такова, что вследствие движения поверхности вала относительно граничащего корпуса достижение стопроцентной плотности невозможно. В частности, в случае токсичных или взрывоопасных технологических жидкостей, которые посредством уплотнения вала должны изолироваться от окружающей среды, необходим тщательный отвод утечек. Также, например, у паровых или газовых турбин посредством такого рода уплотнения вала предотвращается выход технологической жидкости в окружающую среду и утечка уплотнения вала или, соответственно, отсасываемое количество оказывает непосредственное влияние на результирующий тепловой коэффициент полезного действия. Сокращение до минимума утечек уплотнения вала является одной из важнейших задач в рамках конструирования машин такого рода.

У турбокомпрессоров так называемые тандемные газовые уплотнения часто выполняют задачу уплотнения находящегося под давлением пространства внутри корпуса относительно атмосферы. Тандемные газовые уплотнения представляют собой бесконтактные уплотнения и смазываются сухой фильтрованной запирающей жидкостью или, соответственно, запирающим газом.

Традиционная система, включающая в себя уплотнение вала вышеназванного рода, схематично изображена на фиг. 1. Вал S распространяется через проход PT корпуса C. Во внутренней области корпуса C находится технологическая жидкость PF с давлением PPF уплотнения. Технологическая жидкость PF посредством компрессора CO нагнетается до давления PPF уплотнения. Вне корпуса C находится воздух AM с давлением PAM окружающей среды. Зазор G между валом S и корпусом C в области прохода PT уплотнен посредством уплотнения SHS вала. Уплотнение SHS вала включает в себя несколько уплотнительных модулей SM, в том числе два главных уплотнения, первое главное уплотнение MS1 и второе главное уплотнение MS2. Оба главных уплотнения MS1, MS2 выполнены в виде газовых уплотнений DG1, DG2 или, соответственно, сухих газовых уплотнений DGS. Начиная изнутри корпуса C, предусмотрены сначала два лабиринтных уплотнения, лабиринт LS1 для повышения давления и второе лабиринтное уплотнение LS2, между которыми вводится запирающая жидкость SFP для поднятия давления. Лабиринт LS1 для повышения давления и запирающая жидкость SFP для поднятия давления имеют целью повышение давления уплотнения до минимально необходимого уровня давления и необходимы только тогда, когда имеющееся в компрессоре давление меньше, чем минимально необходимый уровень давления. Между первым главным уплотнением MS1 и вторым наружным лабиринтным уплотнением LS2, кроме того, подводится запирающая жидкость в зазор G. Вследствие подвода запирающей жидкости SF через первое главное уплотнение MS1 образуется массовый поток наружу и массовый поток через лабиринт LS2 в направлении компрессора. Этот массовый поток, как правило, относительно мал и не создает значительной разности давлений в лабиринте LS2. Массовый поток запирающей жидкости SFP для поднятия давления должен быть рассчитан так, чтобы он вместе с массовым потоком запирающей жидкости SF, который течет через лабиринт LS2, создавал разность давлений в лабиринте LS1 повышения давления, которая в сумме с давлением в компрессоре соответствует минимально необходимому уровню давления. Этот массовый поток течет обратно внутрь корпуса C. Между первым главным уплотнением MS1 и вторым главным уплотнением MS2 предусмотрено третье лабиринтное уплотнение LS3. Между третьим лабиринтным уплотнением LS3 и вторым главным уплотнением MS2 в зазор G вводится промежуточная запирающая жидкость ISF. В то время как запирающая жидкость SF представляет собой технологическую жидкость PF, промежуточная запирающая жидкость ISF представляет собой либо инертную жидкость или, соответственно, инертный газ, либо окружающую среду, чаще всего азот.

Между первым главным уплотнением MS1 и вторым главным уплотнением MS2, а именно внутри третьего лабиринтного уплотнения LS3, скапливающаяся там смесь из запирающей жидкости SF и промежуточной запирающей жидкости ISF или, соответственно, из технологической жидкости и инертной жидкости или, соответственно, жидкости окружающей среды отводится для последующей, подробно не изображенной переработки. Переработка может также представлять собой факел, посредством которого сжигается смесь. Снаружи второго главного уплотнения MS2 часто находится еще одна дополнительная тандемная система лабиринтного уплотнения, состоящая из двух уплотнений LS4, LS5, между которыми вводится разделительная жидкость SPF. Смесь из разделительной жидкости SPF и промежуточной запирающей жидкости ISF, которая течет в наружном направлении через второе главное уплотнение MS2 в виде утечки, посредством второго отвода EX2 направляется на переработку или также подается к факелу.

Ниже уплотнительной системы на фиг. 1 показан график изменения давления в осевом направлении, из которого следуют направления течения через уплотнения. Сухие газовые уплотнения не являются произвольным образом реверсивными в отношении протекания. Поэтому в определенных условиях эксплуатации должно подаваться повышенное количество жидкости SFP для поднятия давления.

Показанная на фиг. 1 система газового уплотнения называется также тандемным газовым уплотнением. В конструкции тандемного газового уплотнения, с лабиринтом или без него между двумя главными уплотнениями, промежуточная запирающая жидкость необходима только при конструкции с лабиринтом. Промежуточная запирающая жидкость представляет собой обычно азот из внешнего источника. Как отдельные количества запирающей жидкости SF между главным уплотнением MS1 и дополнительным уплотнением LS2 вала, так и отдельные количества промежуточной запирающей жидкости ISF между главным уплотнением MS2 и соседним дополнительным уплотнением LS3 вала подаются к первому отводу EX1, причем эти давления, как на графике изменения давления, показанном на фиг. 1 под схематичным изображением, выбраны таким образом, что наибольшая часть подводимого количества жидкости попадает в первый отвод EX1. Меньшая часть промежуточной запирающей жидкости подпадает через второе главное уплотнение MS2 во второй отвод EX2. Дополнительные уплотнения LS4 и LS5 вала с подводимой разделительной жидкостью SFP служат по существу для ограждения второго главного уплотнения MS2 от загрязнения окружающей среды AM, которая, например, может быть загрязнена масляным туманом из расположенного рядом подшипника. Разделительная жидкость частично выходит в окружающую среду AM, а частично она отводится во втором отводе EX2. Для уплотнительного модуля SM, состоящего из дополнительных уплотнений LS4, LS5 вала, могут также применяться угольные кольца или другие типы уплотнений.

При более низких давлениях уплотнения бывает, что давление уплотнения посредством дополнительной запирающей жидкости SFP для подъема давления в первом лабиринте LS1 для повышения давления должно повышаться, чтобы возникал перепад давлений к первому отводу EX1. Это происходит, в частности, потому, что выполненное в виде газового уплотнения первое главное уплотнение MS1 всегда требует перепада давлений от подлежащего уплотнению пространства или, соответственно, давления уплотнения в наружном направлении, чтобы не разрушаться при вращении вала. Также на второе главное уплотнение MS2 всегда должен действовать перепад ΔpMS2 давлений, чтобы обеспечивать надлежащее функционирование и контроль. Надлежащий контроль достаточного перепада давления на втором главном уплотнении MS2 является также важным аспектом надежности у уплотнения такого рода, потому что поврежденное первое главное уплотнение S1 может быть установлено по подъему давления или увеличению количества в отводе EX1 жидкости только тогда, когда второе главное уплотнение MS2 к этому моменту времени безупречно работоспособно. Этот перепад давлений на втором главном уплотнении MS2 должен быть прибавлен к перепаду ΔpMS1 давлений и должен возникать в лабиринте LS1 для повышения давления с технологической стороны. В зависимости от того, насколько высоко должна быть поднята разность ΔpMS1 давлений посредством лабиринта LS1 повышения давления, для этого необходимы существенные количества запирающей жидкости SFP для подъема давления. Это, в свою очередь, ухудшает коэффициент полезного действия всей установки.

Поэтому изобретение поставило перед собой задачу усовершенствовать систему, включающую в себя уплотнение вала вышеназванного рода, таким образом, чтобы уменьшить необходимость в уплотнительных жидкостях без ущерба в отношении плотности и надежности эксплуатации.

Для решения задачи изобретения предлагается система вышеназванного рода с признаками отличительной части п. 1 формулы изобретения.

При использовании в дальнейшем терминов внутренний или наружный, внутри или снаружи, указание этих направлений относится к увеличивающейся или уменьшающейся близости к внутренней области корпуса или, соответственно, наружной области корпуса.

С помощью признаков изобретения обеспечиваются особые преимущества. Количество запирающей жидкости сильно сокращается, так как по сравнению с изображенной на фиг. 1 традиционной системой больше нет необходимости дополнительно создавать разность давлений на наружном втором главном уплотнении MS1, так что можно полностью или частично обойтись без подъема давления посредством запирающей жидкости для подъема давления при низких давлениях уплотнения. Так как радиальное двойное уплотнение требует или, соответственно, создает перепад давления поступающей запирающей жидкости с обеих сторон, давление между двумя главными уплотнениями может опускаться до атмосферного давления. Благодаря отсутствию или уменьшению подъема давления на лабиринте LS1 для повышения давления внутренние циркулирующие количества подлежащей уплотнению жидкости сокращаются и объемный коэффициент полезного действия, например, компрессора улучшается. Наконец, становится возможным контроль радиального двойного уплотнения как главного уплотнения непосредственно посредством подачи запирающей жидкости и тем самым обеспечение надежности отключения при повреждении первого главного уплотнения MS1 путем контроля давления или контроля количества в отводе EX1 жидкости.

Предпочтительно неподвижный держатель радиального двойного уплотнения второго главного уплотнения MS2 посредством эластичного элемента предварительно натянут в направлении вращающегося держателя. Таким образом, подверженная действию центробежной силы конструкция ротора выполнена менее сложной.

Пары уплотнительных поверхностей предпочтительно расположены коаксиально, так что получается простая и компактная конструкция.

Оптимальная эксплуатация предлагаемой изобретением системы уплотнений предусматривает, что на второе главное уплотнение подается технологическая жидкость в качестве запирающей жидкости.

Первое главное уплотнение может быть выполнено в виде простого сухого газового уплотнения. Промежуточная запирающая жидкость при этом, например, представляет собой азот. Решающим является обеспечить, чтобы второе главное уплотнение в каждой рабочей точке с обеих сторон имело положительную разность давлений, и при этом образовывалась стабильная жидкостная пленка между противолежащими уплотнительными поверхностями пар уплотнительных поверхностей. При этом отпадает требование создания соответствующего давления в отводе между главными уплотнениями.

Один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предусматривает, что между двумя главными уплотнениями MS1 и MS2 расположено добавочное первое дополнительное уплотнение LS3 вала, предпочтительно лабиринтное уплотнение вала. Таким образом обеспечивается, что никакие утечки первого лавного уплотнения MS1 через второе главное уплотнение MS2 не попадут во второй отвод EX2. В варианте осуществления с этим первым дополнительным управлением вала целесообразно, если первый отвод запирающей жидкости расположен на внутренней стороне этого дополнительного уплотнения вала между двумя главными уплотнениями.

Одно из предпочтительных усовершенствований изобретения предусматривает, что между вторым главным уплотнением MS2 и этим вышеназванным дополнительным уплотнением LS3 вала предусмотрена подача промежуточной запирающей жидкости ISF.

По тем же причинам, по каким первое дополнительное уплотнение вала может быть предпочтительно расположено между двумя главными уплотнениями, целесообразно внутри первого главного уплотнения MS1 предусмотреть второе дополнительное уплотнение вала, предпочтительно выполненное в виде лабиринтного уплотнения вала. Если технологическая жидкость загрязнена с частицами или прочей грязью, целесообразно предусмотреть между первым главным уплотнением и вторым дополнительным уплотнением вала подачу промывочной жидкости, которая предпочтительно представляет собой очищенную технологическую жидкость. Эта промывочная жидкость предпочтительно имеет избыточное давление по сравнению с технологической жидкостью.

Для ограждения чувствительной системы уплотнения вала может быть, кроме того, целесообразно, если снаружи второго главного уплотнения дополнительно друг за другом расположены два уплотнения вала, предпочтительно лабиринтных уплотнения вала, внутреннее третье дополнительное уплотнение вала и наружное четвертое дополнительное уплотнение вала. Ограждение особенно эффективно, если между этими двумя дополнительными уплотнениями вала предусмотрен подвод разделительной жидкости. Эта разделительная жидкость может представлять собой фильтрованную окружающую среду. Такого рода система особенно интересна, когда снаружи всей системы уплотнения, например, предусмотрен масляный подшипник, из которого выходящий масляный туман мог бы попадать в системы уплотнения и при известных условиях приводить к опасным смесям жидкостей.

Подводимая разделительная жидкость может целесообразно отводиться между вторым главным уплотнением и двумя расположенными друг за другом третьим и четвертым дополнительными уплотнениями вала посредством второго отвода.

Отводы могут при необходимости подводиться к одному общему факелу одной системы сжигания.

Ниже изобретение описано подробнее на примерах осуществления со ссылкой на чертежи. Наряду с приведенными в примерах осуществления вариантами осуществления изобретения специалист найдет в описании дополнительные возможности осуществления. Показано:

фиг. 1: схематичное изображение традиционной системы;

фиг. 2: пример изображения радиального двойного уплотнения;

фиг. 3-4: соответственно примеры осуществления предлагаемой изобретением системы в схематичном изображении.

Стрелки под уплотнительными модулями SM указывают в каждом случае устанавливающееся при номинальном режиме эксплуатации направление течения.

На фиг. 2 показано схематичное изображение радиального двойного уплотнения RDS, которое уплотняет зазор G между валом S и корпусом C. В области прохода PT вала S через корпус C вал S снабжен кольцевым уступом SC, который поддерживает вращающуюся часть радиального двойного уплотнения RDS. Радиальное двойное уплотнение состоит по существу из двух расположенных радиально друг за другом газовых уплотнений DGS1, DGS2, каждое из которых имеет вращающуюся уплотнительную поверхность RSS и неподвижную уплотнительную поверхность SSS, которые соответственно образуют две пары SSP уплотнительных поверхностей. Между двумя парами SSP уплотнительных поверхностей в находящуюся там распространяющуюся в окружном направлении камеру SFC подается запирающая жидкость SF, которая вытекает вследствие избыточного давления между вращающейся уплотнительной поверхностью RSS и неподвижной уплотнительной поверхностью SSS каждой из двух пар SSP уплотнительных поверхностей. Вращающиеся уплотнительные поверхности RSS и неподвижные уплотнительные поверхности SSS двух пар SSP уплотнительных поверхностей жестко соединены друг с другом посредством общего держателя RSUP, SSUP. Неподвижный держатель SSUP посредством эластичного элемента EEL предварительно натянут относительно вращающегося держателя RSUP.

На фиг. 3 показан предлагаемый изобретением вариант осуществления системы из вала S, корпуса C и уплотнения SHS вала, включающей в себя несколько уплотнительных модулей SM. К уплотнительным модулям относятся, начиная изнутри корпуса C, лабиринт LS1 повышения давления, выполненный в виде лабиринтного уплотнения вала, одно главное уплотнение MS1, выполненное в виде простого сухого газового уплотнения, второе главное уплотнение MS2, выполненное в виде радиального дойного уплотнения, показанного на фиг. 2, и система из двух дополнительных уплотнений LS4, LS5 вала, которые расположены друг за другом в виде лабиринтных уплотнений вала.

Давление PAM окружающей среды отличается от давления PPF уплотнения в рабочем состоянии разностью ΔPtot давлений, причем эта разность ΔPtot давлений, разделенная на доли, прикладывается к каждому из отдельных уплотнительных модулй SM в виде части ΔPi разности давлений. Первое главное уплотнение MS1 выполнено таким образом, что к нему прикладывается или, соответственно, на нем создается наибольшая, соответственно рассматриваемая на уплотнительном модуле часть ΔPi разности давлений.

Во внутренней области корпуса C действует давление PPF уплотнения технологической жидкости PF. Между лабиринтом LS1 для повышения давления и первым главным уплотнением MS1 подается запирающая промывочная жидкость SPF, и эта очищенная технологическая жидкость PF имеет избыточное давление по сравнению с давлением уплотнения. Эта подача препятствует загрязнению всей уплотнительной системы содержащей грязь технологической жидкостью PF. Если технологическая жидкость достаточно чиста, а давление PPF уплотнения достаточно велико, лабиринт LS1 для повышения давления и второе дополнительное уплотнение LS2 вала могут отсутствовать. Между первым главным уплотнением MS1 и вторым главным уплотнением MS2 находится первый отвод EX1, который отводит текущую из первого главного уплотнения MS1 наружу технологическую жидкость PF. Во втором главном уплотнении MS2 подается запирающая жидкость SF в форме, например, азота с избыточным давлением, так что обеспечивается отток через две пары SSP уплотнительных поверхностей радиального двойного уплотнения как изнутри, так и снаружи. Между вторым главным уплотнением MS2 и следующими снаружи уплотнениями находится второй отвод EX2, который отводит жидкость, поступающую из второго главного уплотнения MS1 и следующей снаружи комбинации уплотнений. Снаружи корпуса находится окружающая среда AM с давлением PAM окружающей среды. Между двумя дополнительными уплотнениями LS4 и LS5 вала на наружном конце системы подводится разделительная жидкость SPPF, которая вытекает в двух направлениях и должна предотвращать возможные загрязнения снаружи на входе в систему. Разделительная жидкость SPPF представляет собой либо очищенную окружающую среду, либо инертную жидкость, например азот.

На фиг. 4 система фиг. 3 дополнена третьим дополнительным уплотнением LS3 вала, которое выполнено в виде лабиринтного уплотнения, между двумя главными уплотнениями MS1, MS2. Первый отвод EX1 находится внутри этого добавочного третьего дополнительного уплотнения LS3 вала. Между добавочным третьим дополнительным уплотнением LS3 вала и вторым главным уплотнением MS2 вводится промежуточная запирающая жидкость ISF, например азот. Благодаря этому достигается, что запирающая жидкость SF первого главного уплотнения MS1 не может попадать ко второму главному уплотнению MS2.

Изображенный на фиг. 3 и 4 график изменения давления в осевой протяженности уплотнительной системы показывает, что давление P применяемой запирающей жидкости SF выше других давлений, и соответственно этому в рабочем состоянии всегда обеспечен надежный эффект уплотнения.

Реферат

Изобретение касается уплотнения вала, которое включает в себя более одного уплотнительного модуля, по меньшей мере один подвод жидкости и один отвод жидкости, снабженной главным уплотнением, на которое приходится наибольшая часть разности давлений. Второе главное уплотнение выполнено в виде радиального двойного уплотнения, которое образовано двумя газовыми уплотнениями, каждое из которых включает в себя вращающуюся уплотнительную поверхность и неподвижную уплотнительную поверхность, и эти пары уплотнительных поверхностей соответственно расположены напротив друг друга в одной плоскости уплотнения, при этом обе плоскости уплотнения распространяются по существу радиально относительно вала. Изобретение повышает надежность устройства. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула