Щелевое уплотнение турбомашины

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к области машиностроения, а конкретно к уплотнениям вращающихся деталей турбомашин и может быть использовано, например, в уплотнениях центробежного насоса. Щелевое уплотнение турбомашины в виде радиального зазора между корпусом и рабочим колесом, на уплотняющей поверхности рабочего колеса нанесены выемки в форме сегмента сферы, с отношением их глубины к диаметру не менее 0,3, расположенные в шахматном порядке с плотностью расположения не менее 0,4, количество рядов выемок по длине уплотняющей поверхности не менее 3, а значение отношения величины зазора к диаметру выемки не более 0,3 и узкого радиального зазора между корпусом и рабочим колесом. В щелевом уплотнении используется эффект образования трехмерных смерчеобразных вихревых структур в выемках, имеющих форму сегмента сферы, и газодинамических тел над ними. Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает более надежное уплотнение рабочего колеса, что повышает КПД турбомашины и способствует постоянству его параметров в течение срока эксплуатации. 1 н.п. ф-лы; 1 з.п. ф.лы; 3 илл.

Полезная модель относится к области машиностроения, а конкретно к уплотнениям вращающихся деталей турбомашин и может быть использовано, например, в уплотнениях центробежного насоса.

Известно уплотнение вращающихся деталей турбомашин, содержащее уплотнительную втулку, установленную в корпусе турбомашины, и рабочее колесо. В уплотняющей втулке выполнены гребни, перпендикулярно которым установлены спрямляющие ребра. Спрямляющие ребра могут быть установлены как по всей длине уплотнения, так и только перед первым по направлению протечек гребнем (Авторское свидетельство 385114, кл. F16j 15/44, F04D 29/16., 1971 год).

Установка спрямляющих ребер перед первым по направлению протечек гребням не оказывает достаточно эффективного влияния на уменьшение утечек через известное уплотнение, так как вследствие малой закрутки потока о неподвижные стенки, рабочее тело при движении вдоль стенки корпуса беспрепятственно попадает в полость между ребрами и далее на вход в лабиринтное уплотнение.

В качестве прототипа принято щелевое уплотнение вращающихся деталей турбомашины, представляющих собой радиальный зазор, образованный поверхностью уплотняющей втулки, установленной в корпусе турбомашины, и рабочим колесом (Ломакин А.А. "Центробежные и осевые насосы". М. - Л., Машиностроение. 1966, см. стр. 160).

В процессе работы турбомашины, за счет абразивного воздействия взвесей, содержащихся в перекачиваемой жидкости, величина зазора увеличивается, а эффективность уплотнения турбомашины падает, за счет того, что имеют место большие утечки рабочего тела через него.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в разработке эффективного бесконтактного щелевого уплотнения турбомашины с минимальными утечками.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности щелевых уплотнений, путем уменьшения утечек, и, следовательно, КПД турбомашины.

Технический результат достигается тем, что в щелевом уплотнении турбомашины в виде радиального зазора между корпусом и рабочим колесом, новым является то, что на уплотняющей поверхности рабочего колеса выполнены выемки.

Выемки выполнены в форме сферических сегментов, с отношением их глубины к диаметру не менее 0,3 и расположены в шахматном порядке.

Значение отношения величины зазора к диаметру выемки в плане не более 0,3. Плотность расположения не менее 0,4. Количество рядов выемок по длине уплотняющей поверхности не менее 3.

на фиг. 1 изображен продольный разрез турбомашины;

на фиг. 2 представлена фотография уплотнительной части рабочего колеса центробежного насоса КМ 20/30-С-У2 ГОСТ 22247-96 с нанесенными выемками;

на фиг. 3 представлены характеристики центробежного насоса КМ 20/30-С-У2 ГОСТ 22247-96, полученные экспериментально.

Турбомашина (фиг. 1), содержит рабочее колесо 1, вал 2, корпус 3, щелевое уплотнение 4 в виде радиального зазора между корпусом 3 и рабочим колесом 1. На уплотняющей поверхности рабочего колеса 1 выполнены выемки 5 в форме сегмента сферы, с отношением их глубины к диаметру не менее 0,3, расположенные в шахматном порядке с плотностью расположения не менее 0,4, количество рядов выемок по длине уплотняющей поверхности не менее 3, а значение отношения величины зазора к диаметру выемки не более 0,3 и узкого радиального зазора между корпусом 3 и рабочим колесом 1.

При работе турбомашины в зазоре между корпусом 3 и рабочим колесом 1 под действием перепада давления происходит утечка рабочего тела в полости с более низким давлением. Устранить или минимизировать утечку позволяет щелевое уплотнение 4 с нанесенными выемками 5 на уплотняющую поверхность рабочего колеса 1. В щелевом уплотнении используется эффект образования трехмерных смерчеобразных вихревых структур в выемках, имеющих форму сегмента сферы, и газодинамических тел над ними (Щукин А.В., Козлов А.П., Агачев P.C., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов / Под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. 143 с).

В результате проведенных экспериментов над центробежным насосом КМ 20/30-С-У2 ГОСТ 22247-96, на рабочем колесе (фиг. 2) которого переднее щелевое уплотнение было выполнено с выемками, были получены напорные характеристики (фиг. 3). Напорные характеристики испытанного насоса на номинальной частоте вращения ротора (n=3000 об/мин), обозначенные треугольными значками, для вариантов гладкой поверхности и поверхности с выемками идентичны (здесь и далее: темные значки - гладкая поверхность; светлые значки - поверхность с выемками), однако на повышенных частотах вращения ротора: при n=3700 об/мин (круглые значки) и n=4300 об/мин (квадратные значки) линии, описывающие опытные точки, расслаиваются. В среднем наличие выемок на уплотнительной части рабочего колеса позволяет увеличить напор насоса на 56%, за счет снижения утечек жидкости через переднее щелевое уплотнение.

Плотность расположения выемок определялась по формуле f=d2/(3.464 tx tz), где tx и tz - продольный и поперечный (по окружности) шаги выемок, a d - их диаметр в плане.

Количество рядов и порядок расположения выемок должны обеспечивать взаимное перекрытие, образующихся над ними газодинамических тел. В результате проведенных экспериментов оптимальным расположением было выбрано шахматное расположение минимум с 3-мя рядами.

Отношение глубины выемки к ее диаметру не менее 0,3 обеспечивает отрывной характер обтекания и образования в ней смерчеобразных вихревых структур.

Величина зазора должна обеспечивать замыкание газодинамического тела образующегося над выемкой на противоположную стенку, это достигается при отношении величины зазора к диаметру выемки не более 0,3.

Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает более надежное уплотнение рабочего колеса, за счет минимизации утечки рабочего тела, что существенно повышает КПД турбомашины и способствует постоянству его параметров в течение срока эксплуатации.

1. Щелевое уплотнение турбомашины в виде радиального зазора между корпусом и рабочим колесом, отличающееся тем, что на уплотняющей поверхности рабочего колеса выполнены выемки в форме сферических сегментов с отношением их глубины к диаметру не менее 0,3, расположенные в шахматном порядке.

2. Щелевое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что значение отношения величины радиального зазора к диаметру выемки не более 0,3, плотность расположения выемок не менее 0,4, а количество рядов выемок по длине уплотняющей поверхности не менее 3.



 

Похожие патенты:
Наверх