Уплотнение для вращающихся валов

(51) 16 15/40 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Устройством для достижения указанной цели является уплотнение, у которого вал жестко связан с обечайкой, выполненной П-образной формы,которая охватывает собой фланец и цилиндрическую втулку, жестко связанные с крышкой турбины, при этом обечайка заполнена жидким наполнителем, который при вращении, за счет центробежных сил, растекается по внутренней поверхности обечайки и образует кольцо, причем цилиндрическая поверхность фланца погружена в это кольцо. Кроме этого, охлаждение зоны контакта жидкого наполнителя и цилиндрической поверхности фланца выполнено посредством проточных каналов, проходящих через крышку турбины, цилиндрическую втулку и фланец.(76) Овчаров Михаил Степанович Овчаров Андрей Михайлович(54) УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ(57) Изобретение относится к машиностроительной технике и предназначено для использования в качестве уплотнения высокоскоростных валов турбин и генераторов, работающих под высоким давлением и в агрессивных средах. Целью настоящего изобретения является устранение утечек пара при работе турбины,увеличение к.п.д. турбины и снижения длины зоны уплотнения. Предлагаемое уплотнение относится к машиностроительной технике и может быть использовано для уплотнения высокоскоростных валов паровых турбин и генераторов работающих в условиях высоких давлений, температур и в агрессивных средах. В паровых турбинах в зонах соприкосновения вращающихся и неподвижных частей используют три типа уплотнения лабиринтные, графитоугольные и водяные (гидравлические) /Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.,Машиностроение, 1971, страница 616 Энгель-Крон И.В. Слесарь по ремонту оборудования турбинных и химических цехов электростанций. М., Высшая школа, 1966, страница 101. Все уплотнения предназначены для уменьшения утечек пара. Принцип работы лабиринтного и графито-угольного уплотнений заключается в том,что пар, проходя через чередующиеся между собой щели и камеры уплотнений, постепенно теряет скорость и давление и, соответственно, снижаются утечки. Недостаток лабиринтного и графитоугольного уплотнений является сложность изготовления и значительная длина узла уплотнений, что увеличивает длину самой турбины и е вес. В качестве прототипа принято водяное(гидравлическое) уплотнение, которое состоит из вала турбины, на который жестко насажена стальная втулка с гребнем, к гребню жестко крепятся лопастные сегменты, действующие наподобие лопаток центробежного насоса. Лопастные сегменты охватываются неподвижной обоймой. Вода подается в обойму через специальный канал. Работа уплотнения заключается в том, что при вращении вала ротора турбины происходит вращение стальной втулки и лопастных сегментов. Вода, которая находится в обойме, посредством лопастей, отбрасывается к периферии и образует кольцевой слой - гидравлический затвор. Основной недостаток водяных (гидравлических) уплотнений -значительный расход мощности,которое затрачивается на вращение воды и отсутствие возможности уплотнять большие давления пара, что снижает область его использования и к.п.д. турбины. Целью настоящего изобретения является устранение утечек пара при работе турбины,увеличение к.п.д. турбины, снижение длины зоны уплотнения. Технический результат указанной цели достигается тем, что на горизонтальный вал ротора турбины жестко крепится обечайка, выполненная Побразной формы, она охватывает собой фланец и цилиндрическую втулку, жестко связанные с крышкой турбины, при этом обечайка заполнена жидким наполнителем, который при вращении, за счет центробежных сил, растекается по внутренней поверхности обечайки и образует кольцо, причем цилиндрическая поверхность фланца погружена в это кольцо, кроме этого, для вертикального вала турбины обечайка выполнена с кольцевым корытом,а фланец с торцевым выступом, который входит в зону корыта. Для охлаждения зоны контакта жидкого наполнителя и цилиндрической поверхности фланца выполнены проточные каналы,через крышку турбины, цилиндрическую втулку и фланец. На фиг.1 представлено положение уплотнения,когда горизонтальный вал ротора турбины не вращается на фиг.2 представлено положение уплотнения при вращении горизонтального вала ротора на фиг.3 представлено уплотнение не вращающихся вертикальных валов на фиг.4 представлено уплотнение вращающихся вертикальных валов. Уплотнение для вращающихся валов состоит из обечайки 1, которая выполнена П-образной формы и жестко связана с валом ротора турбины 2 и из неподвижной крышки турбины 3, жестко связанной с цилиндрической втулкой 4 и фланцем 5. Внутри обечайки находится жидкий наполнитель 6(например масло, графит, жидкий металл, либо легкоплавкие металлы, которые в период пуска разогревают до температуры плавления и в дальнейшем она работает как жидкость), который при вращении обечайки с валом, за счет центробежных сил, смещается к периферии и образует уплотняющее кольцо, охватывающее цилиндрическую поверхность фланца 5. Между валом 2 и цилиндрической втулкой 4 имеется зазор,через который свободно проходит пар в полость А. Полость В постоянно сообщена с атмосферой. Для отвода тепла из зоны контакта жидкого наполнителя и цилиндрической поверхности фланца может быть использован проточный, либо циркуляционный отвод тепла посредством воды, протекающей через каналы 7, либо на поверхности обечайки могут быть выполнены оребрения и использованы высокотемпературные наполнители. Давление р жидкого наполнителя на любом его радиусе может быть определено по формуле (Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.,Машиностроение, 1971, страница 77) где - удельный вес жидкого наполнителя- угловая скорость обечайки- радиус рассчитываемого слоя жидкости. Для нашего случая 1 пара 2, или 2 2(ф 12 )2(ф 22 )пара где ф - радиус цилиндрической части фланца 1.2 - соответственно радиус поверхности жидкого наполнителя со стороны полости А и со стороны полости В. Принцип работы узла уплотнения заключается в следующем 1. В неподвижном состоянии турбинной установки, вал ротора вал 2 и обечайка 1 не вращаются. Жидкий наполнитель 6 находится в нижней части обечайки (фиг.1). При подаче пара в турбину часть его проходит через зазор между валом 2 и втулкой 4, через полость А и полость В 2 попадает в атмосферу и одновременно подогревает и расплавляет легкоплавкий металл. Другая часть пара начинает раскручивать вал турбины 2. При необходимости металл может нагреваться внешним,охватывающей нижнюю часть обечайки,электрическим прибором. 2. При приведении вала ротора во вращение обечайка 1 с валом 2 начинает вращаться и жидкий наполнитель 6, за счет центробежных сил,растекается по внутренней поверхности обечайки,принимает форму кольца и охватывает цилиндрическую поверхность фланца 5, при этом жидкость неподвижна относительно обечайки 1(фиг.2). В жидком наполнителе при вращении обечайки за счет центробежных сил возникает давление, которое зависит от угловой скорости вращения вала с обечайкой и радиуса вращения жидкости 1 и 2 (см. формулу). Так как давление пара в турбине высокое, то оно по зазору между втулкой 4 и валом 2 поступает в полость А, давит на жидкий наполнитель и смещает е в полость В на величину . Величина перепадауровней жидкого наполнителя в полости А и В зависит от удельного веса жидкого наполнителя (см. формулу 2). Чем больше удельный вес жидкого наполнителя, тем меньше перепад и меньше силы трения. Получился гидравлический затвор, в котором жидкость не вращается. Потери в данном уплотнительном узле определяются только на преодоление сил трения между цилиндрической поверхностью фланца 5 и жидким наполнителем 6. Коэффициент трения в режиме жидкостного скольжения не превышает 0,01 0,0001 и определяется видом наполнителя. При работе уплотнения в зоне контакта жидкого наполнителя и цилиндрической поверхности фланца происходит повышение температурного режима. Для отвода тепла из зоны контакта жидкого наполнителя с цилиндрической поверхностью фланца может быть использован проточный, либо циркуляционный отвод тепла посредством воды,протекающей через каналы 7, либо на поверхности обечайки могут быть выполнены оребрения обечайки и использованы высокотемпературные наполнители (например, графит плавится при температуре 3750 градусов Цельсия). Аналогичную схему и принцип работы имеет предлагаемый уплотнитель для вертикально установленного вала (фиг. 3,4). Принципиальное отличие наблюдается только в период пуска турбины. В этом случае пар турбины не сообщается с атмосферой, так как в обечайке имеется кольцевое корыто, в котором при остановке турбины жидкий наполнитель накапливается. На нижней боковой стенке фланца имеется выступ, который окунается в жидкий наполнитель и отсекает пар от атмосферы. При вращении обечайки жидкий наполнитель перемещается из корыта к внутренней поверхности обечайки и занимает положение, соответствующее параметрам вращения вертикального вала и давлению пара. В остальном, принцип работа уплотнителя с вертикальным валом соответствует принципу работы уплотнителя с горизонтальным валом. Преимущества предлагаемой конструкции уплотнения- отсутствуют сопрягаемые поверхности, что значительно упрощает изготовление, уплотняемого узла- устраняются утечки пара, что улучшает экономичность турбины- отсутствует необходимость использования главных масляных насосов, редукторов и т.п.- снижаются длина зон гидравлических уплотнений и соответственно габаритные размеры турбин- снижаются потери на трение вала турбины в подшипниках- имеется возможность полностью отказаться от охладительной системы, за счет использования высоко температурных уплотнителей и низко плавких металлов. Использование жидкостного уплотнения даст народному хозяйству значительный экономический эффект. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Уплотнение для вращающихся валов,содержащее вал ротора и крышку турбины,отличающееся тем, что вал ротора жестко связан с обечайкой, выполненной П-образной формы,которая охватывает собой фланец, жестко связанный с крышкой турбины через цилиндрическую втулку, при этом обечайка заполнена жидким наполнителем, который при вращении, за счет центробежных сил, растекается по внутренней поверхности обечайки и образует кольцо, причем цилиндрическая поверхность фланца погружена в это кольцо. 2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что обечайка выполнена с кольцевым корытом, а фланец с кольцевым торцевым выступом, который погружен в наполнитель. 3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что охлаждение зоны контакта жидкого наполнителя и цилиндрической поверхности фланца выполнено посредством проточных каналов, проходящих через крышку турбины, цилиндрическую втулку и фланец.