RU2279005C1 - Shaft end face seal - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to end face seals of rotating shafts provided with coolers. Proposed device contains sealing unit, enclosing the shaft built-in cooler hydraulically connected with cooling liquid circulation circuit. Cooler housing consists of two bushings, blind end face sealed from one side and ring-type cooling liquid inlet and outlet member from other side. Cylindrical partition is placed inside housing. Screw grooves are made on inner surface of cooler housing formed by alternating screw projections of different height. Projections of lower height are optimum ribbed. Ring-type cooling liquid inlet and outlet member is provided with channels to swirl cooling agent entering the cooler, and end face seal of blind end face is provided with thin-walls rings with holes.

EFFECT: reduced energy consumption for cooling shaft end face seal under different modes of operation, facilitated removal of bubbles at starting when temperatures are close to boiling point of cooling agent.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к торцовым уплотнениям вращающихся валов роторных машин.The invention relates to mechanical engineering, in particular, to mechanical seals of rotating shafts of rotary machines.

Торцовые уплотнения должны обеспечивать высокую герметичность уплотняющих узлов вращающихся валов насосов и других аппаратов в тяжелых условиях высоких давлений (до 20 мПа), больших скоростей скольжения (до 100 м/с) и высоких температур (выше 500 К).Face seals must ensure high tightness of the sealing assemblies of the rotating shafts of pumps and other devices under severe conditions of high pressures (up to 20 MPa), high sliding speeds (up to 100 m / s) and high temperatures (above 500 K).

При таких условиях работы и высокой степени ответственности торцовых уплотнений существует необходимость снижения уровня отрицательного влияния вышеперечисленных факторов на надежность и ресурс прежде всего герметизаторов уплотнений.Under such operating conditions and a high degree of responsibility of mechanical seals, there is a need to reduce the level of negative influence of the above factors on the reliability and service life of, primarily, sealants.

Одним из определяющих из них является температурное состояние герметизаторов.One of the determining ones is the temperature state of the sealants.

Для снижения их температуры в некоторых конструкциях торцовых уплотнений валов используют специальные встроенные теплообменные аппараты (встроенные холодильники), через которые прокачивают охлаждающую среду, чаще всего воду.To reduce their temperature in some designs of mechanical shaft seals, special built-in heat exchangers (built-in refrigerators) are used, through which a cooling medium, usually water, is pumped.

Например, необходимый температурный режим торцового вала насоса "ЦВН-8" обеспечивают охлаждением через встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей воды. Насосы АЭС: Справ. пособие/П.Н.Пак, А.Я.Белоусов, А.И.Тимшин и др.; под общ. ред. П.Н.Пака - М.: Энергоатомиздат, 1989.For example, the required temperature regime of the front shaft of the TsVN-8 pump is provided by cooling through an integrated refrigerator included in the cooling water circulation circuit. NPP pumps: Ref. allowance / P.N.Pak, A.Ya.Belousov, A.I. Timshin and others; under the general. ed. P.N.Paka - M .: Energoatomizdat, 1989.

Известно также устройство (П.М. №31821, МПК⁷ F 04 D 29/10; F 16 J 15/44, опубл. 27.08.02 г., Бюл.№24), которое содержит включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости встроенный холодильник, представляющий собой кольцевую полость со спиральными канавками, охватывающую вращающийся вал.Also known is a device (PM No. 31821, IPC ⁷ F 04 D 29/10; F 16 J 15/44, publ. 08.28.02, Bull. No. 24), which contains a built-in coolant circuit a refrigerator, which is an annular cavity with spiral grooves, covering a rotating shaft.

Недостатком известного торцового уплотнения вала является его чувствительность к изменению температуры охлаждающей жидкости и взаимодействующих с ним конструктивных элементов и, как следствие, недостаточная надежность, герметичность.A disadvantage of the known mechanical shaft seal is its sensitivity to changes in the temperature of the coolant and the structural elements interacting with it and, as a result, insufficient reliability, tightness.

Наиболее близким из известных торцовых уплотнений вала является торцовое уплотнение вала согласно П.М. №33187, МПК⁷ F 04 D 29/10; F 16 J 15/44, опубл.10.10.03 г., Бюл.№28), выбранное в качестве прототипа и содержащее уплотнительный узел, с зазором охватывающий вал встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости. Корпус холодильника состоит из двух втулок, загерметизированного межвтулочного торца, расположенной внутри корпуса цилиндрической перегородки.The closest known mechanical shaft seal is a mechanical shaft seal according to P.M. No. 33187, IPC ⁷ F 04 D 29/10; F 16 J 15/44, publ. 10.10.03, Bull. No. 28), selected as a prototype and containing a sealing unit, with a gap covering the shaft built-in refrigerator, included in the coolant circuit. The refrigerator case consists of two bushes, a sealed inter-sleeve end located inside the cylindrical partition body.

При этом на внутренней поверхности корпуса со стороны вала выполнены винтовые канавки, а удаленный от уплотнительного узла торец корпуса встроенного холодильника снабжен установленными в его полости несколькими кольцевыми тонкостенными пластинами.Moreover, helical grooves are made on the inner surface of the housing from the shaft side, and the end face of the housing of the built-in refrigerator, remote from the sealing assembly, is equipped with several thin thin-walled plates installed in its cavity.

Недостатком известного торцового уплотнения вала является падение его эффективности при изменении расхода охлаждающей жидкости, подачу которой во многих случаях (температурное состояние герметизаторов торцового уплотнения вала, изменяется в зависимости от режима работы агрегата в целом, температуры окружающей среды и др.) целесообразно регулировать. В зависимости от изменения расхода охлаждающей жидкости меняется ее скорость, углы вхождения ее в винтовые канавки. Это в свою очередь приводит к повышению гидравлических потерь и, следовательно, к росту энергозатрат на прокачивание охлаждающей жидкости через встроенный холодильник.A disadvantage of the known mechanical shaft seal is a drop in its efficiency when the coolant flow rate changes, the supply of which in many cases (the temperature state of the mechanical seal of the shaft seal, changes depending on the operating mode of the unit as a whole, the ambient temperature, etc.) is advisable to regulate. Depending on the change in the flow rate of the coolant, its speed and the angles of its entry into the helical grooves change. This in turn leads to an increase in hydraulic losses and, consequently, to an increase in energy consumption for pumping coolant through the built-in refrigerator.

Кроме того, при запуске в работу и высокопотенциальном тепловом режиме работы торцового уплотнения вала из полостей встроенного холодильника должны удаляться паровые пузыри, что затруднено в известном устройстве из-за большого количества нисходящих участков спиральных каналов и их малого гидравлического (эквивалентного) диаметра.In addition, when starting up and the high-potential thermal operation of the mechanical shaft seal, steam bubbles must be removed from the cavities of the built-in refrigerator, which is difficult in the known device due to the large number of downward sections of the spiral channels and their small hydraulic (equivalent) diameter.

Технический результат, достижение которого обеспечивает использование заявленного торцового уплотнения вала, состоит в снижении энергозатрат на охлаждение устройства при его многорежимной эксплуатации за счет уменьшения гидравлических потерь во строенном холодильнике и улучшения условий для удаления из него пузырей при запуске и температурах, приближающихся к температуре кипения охлаждающей жидкости, снижения вероятности возникновения гидроударов.The technical result, which ensures the use of the claimed mechanical seal of the shaft, consists in reducing energy consumption for cooling the device during its multi-mode operation by reducing hydraulic losses in the built-in refrigerator and improving the conditions for removing bubbles from it at startup and temperatures approaching the boiling point of the coolant , reducing the likelihood of water hammer.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном торцовом уплотнении вала, содержащем уплотнительный узел, с зазором охватывающий вал встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости, корпус которого включает две коаксиально расположенные втулки с загерметизированным межвтулочным торцом, расположенную внутри корпуса холодильника гладкую цилиндрическую перегородку; на внутренней поверхности корпуса холодильника со стороны вала выполнены винтовые канавки, а у загерметизированного межвтулочного торца установлено по меньшей мере одно кольцо, у торца корпуса встроенного холодильника, обращенного к уплотнительному узлу с отверстиями, соединяющими его полость с каналами подвода и отвода охлаждающей жидкости, установлен закручивающий поток охлаждающей жидкости кольцевой элемент, винтовые канавки на внутренней поверхности корпуса образованы выступами различной высоты, чередующимися между собой, причем выступы меньшей высоты имеют оптимальную с точки зрения теплопередачи форму, а установленное у загерметизированного торца кольцо снабжено отверстиями.The specified technical result is achieved by the fact that in the known mechanical shaft seal containing the sealing assembly, a built-in refrigerator is included with a clearance covering the shaft and included in the coolant circuit, the housing of which includes two coaxially located bushings with a sealed inter-sleeve end, a smooth cylindrical partition located inside the refrigerator body ; Screw grooves are made on the inner surface of the refrigerator case on the shaft side, and at least one ring is installed at the sealed inter-sleeve end face, and a screw-in set is installed at the end face of the built-in refrigerator facing the sealing unit with holes connecting its cavity to the channels for supplying and discharging coolant coolant flow annular element, helical grooves on the inner surface of the housing are formed by protrusions of different heights, alternating between themselves, with it protrusions of lesser height are optimum from the viewpoint of heat transfer form, and installed at the sealed end of the ring is provided with holes.

При этом закручивающий поток охлаждающей жидкости кольцевой элемент и винтовые канавки рационально выполнять с учетом снижения тангенциальной составляющей скорости потока охлаждающей жидкости при ее движении между ними за счет потерь на трение.In this case, the twisting coolant flow of the annular element and the helical grooves is rationally performed taking into account the decrease in the tangential component of the flow rate of the coolant when it moves between them due to friction losses.

Существо настоящего изобретения поясняется графическими материалами:The essence of the present invention is illustrated by graphic materials:

Фиг.1 - продольный разрез торцового уплотнения вала с холодильником, которое включает: 1 - уплотнительный узел с каналами подвода и отвода охлаждающей жидкости 2, вал 3; встроенный холодильник 4, состоящий из корпуса 5, который включает втулки 6 и 7, гладкую цилиндрическую перегородку 8 с герметизирующим торцевым элементом 9 и тонкостенными кольцами 10 и кольцевой закручивающий поток охлаждающей жидкости элемент 11 с каналами 12, соединяющими полость холодильника 4 с каналами 2 подвода и отвода охлаждающей жидкости, винтовое оребрение втулки 7 (винтовыми канавками) различной высоты 14 и 15, фланца 13.Figure 1 is a longitudinal section of a mechanical seal of a shaft with a refrigerator, which includes: 1 - a sealing assembly with channels for supplying and discharging coolant 2, shaft 3; an integrated refrigerator 4, consisting of a housing 5, which includes bushings 6 and 7, a smooth cylindrical partition 8 with a sealing end element 9 and thin-walled rings 10, and an annular swirling flow of coolant element 11 with channels 12 connecting the cavity of the refrigerator 4 with supply channels 2 and coolant drain, screw fins of the sleeve 7 (screw grooves) of various heights 14 and 15, flange 13.

Кольца 10 снабжены отверстиями 16.The rings 10 are provided with holes 16.

На Фиг.2 показан закручивающий поток охлаждающей жидкости элемент 11 с каналами 12.Figure 2 shows the swirling flow of coolant element 11 with channels 12.

Работа предложенного холодильника торцового уплотнения вала осуществляется следующим образом.The work of the proposed refrigerator mechanical seal of the shaft is as follows.

Охлаждающая жидкость из системы циркуляции поступает в полость встроенного холодильника 4 по каналам подвода 2 во фланце 13.Coolant from the circulation system enters the cavity of the built-in refrigerator 4 through the supply channels 2 in the flange 13.

Проходя через каналы 12 в закручивающем кольцевом элементе 11, поток охлаждающей жидкости, равномерно распределяясь в кольцевой полости, совершает в ней спиральное движение (между втулкой 6 и цилиндрической перегородкой 8). Дойдя до герметизирующего элемента 9 с кольцами 10, охлаждающая жидкость поступает в винтовые каналы, образованные разновысокими ребрами 14 и 15 на внутренней поверхности втулки 7 и гладкой цилиндрической перегородкой 8, после чего отводится из холодильника 4 по каналам 2 во фланце холодильника. Одновременно заполняется зазор между кольцом 10 (кольцами) и торцевым герметизирующим элементом 9.Passing through the channels 12 in the swirling ring element 11, the coolant flow, evenly distributed in the annular cavity, makes a spiral motion in it (between the sleeve 6 and the cylindrical partition 8). Having reached the sealing element 9 with rings 10, the coolant enters the screw channels formed by uneven ribs 14 and 15 on the inner surface of the sleeve 7 and a smooth cylindrical partition 8, after which it is discharged from the refrigerator 4 through channels 2 in the refrigerator flange. At the same time, the gap between the ring 10 (rings) and the end sealing element 9 is filled.

Закрутка потока охлаждающей жидкости на входе в холодильник 4 равномерно распределяет ее по сечению кольцевого канала, образованного втулкой 6 и гладкой цилиндрической перегородкой 8, исключая образование зон застоя и обратной циркуляции.Swirling the flow of coolant at the inlet to the refrigerator 4 evenly distributes it over the cross section of the annular channel formed by the sleeve 6 and a smooth cylindrical partition 8, eliminating the formation of stagnation and reverse circulation zones.

Кроме того, в кольцевой полости, длина которой существенно превышает ее условный гидравлический диаметр, происходит согласование изменяющейся в зависимости от расхода охлаждающей жидкости степени закрутки ее потока (соотношения тангенциальной и осевой составляющих скорости) кольцевым закручивающим элементом и на входе в винтовые каналы. Такое согласование обеспечивается силами трения о поверхности втулки и цилиндрической перегородки, а также влиянием угла закрутки винтовых каналов за счет действия сил вязкости, действие которых распространяется "навстречу" потоку (от винтовых каналов к закручивающему кольцевому элементу).In addition, in the annular cavity, the length of which substantially exceeds its nominal hydraulic diameter, the degree of swirling of its flow (the ratio of the tangential and axial velocity components) varies with the twisting element and at the entrance to the screw channels, which varies depending on the flow rate of the coolant. Such coordination is ensured by the forces of friction on the surface of the sleeve and the cylindrical partition, as well as by the influence of the twist angle of the screw channels due to the action of the viscous forces, the action of which extends “towards” the flow (from the screw channels to the twisting ring element).

Выполнение винтовых ребер 14 и 15 различной высоты обеспечивает лучшее сочетание организации спирального движения охлаждающей жидкости "высокими" ребрами 14 и термодинамически оптимальным оребрением "низкими" ребрами 15 для лучшего теплоотвода в охлаждающую жидкость.The implementation of the screw ribs 14 and 15 of various heights provides the best combination of organizing the spiral movement of the coolant with "high" fins 14 and thermodynamically optimal fins with "low" fins 15 for better heat dissipation into the coolant.

Предварительная закрутка охлаждающей жидкости, согласованность закрутки потока и больший гидравлический диаметр винтовых каналов, а также отверстия 16 в кольце (кольцах) 10 обеспечивают более быстрое и полное удаление пузырей воздуха и пара при запуске или внезапном их образовании.The preliminary twisting of the coolant, the consistency of the twisting of the flow and the larger hydraulic diameter of the screw channels, as well as the holes 16 in the ring (s) 10 provide faster and more complete removal of air and steam bubbles during startup or their sudden formation.

Таким образом, предложенное торцовое уплотнение вала обеспечивает при его использовании более эффективное охлаждение уплотнительного узла при работе системы охлаждения на различных режимах, что позволяет путем регулирования подачи охлаждающей жидкости экономно использовать энергию, затрачиваемую на ее циркуляцию, снижает вероятность возникновения и пребывания в полостях встроенного холодильника воздушных и паровых пузырей.Thus, the proposed mechanical shaft seal provides for more efficient cooling of the sealing assembly during operation of the cooling system in various modes, which makes it possible to economically use the energy spent on its circulation by regulating the supply of coolant, which reduces the likelihood of occurrence and stay in the cavities of the built-in air cooler and steam bubbles.

И, следовательно, предложенное устройство превосходит известные аналоги по совокупности эксплуатационных показателей.And, therefore, the proposed device surpasses well-known analogues in terms of aggregate operational indicators.

Заявитель не обнаружил в доступных источниках информации сведений о торцовом уплотнении вала, характеризующемся идентичными предложенному устройству признаками.The applicant did not find in available sources of information information about the mechanical seal of the shaft, characterized by identical features to the proposed device.

Отдельные признаки, приведенные в формуле изобретения, являются известными, однако их сочетание в предложенном торцовом уплотнении вала обеспечивает получение нового, более высокого, чем простая сумма эффектов, технического результата.The individual features shown in the claims are known, but their combination in the proposed mechanical shaft seal provides a new, higher than a simple sum of effects, technical result.

Предложенное торцовое уплотнение вала может быть тиражировано и использовано, поскольку его основные составляющие элементы известны и используются в технике.The proposed mechanical shaft seal can be replicated and used, since its main constituent elements are known and used in the art.

Использование предложенного устройства позволяет повысить эффективность, экономичность прокачивания жидкости через торцовые уплотнения валов роторных машин, работающих при повышенных температурах.Using the proposed device can improve the efficiency, efficiency of pumping fluid through mechanical seals of the shafts of rotary machines operating at elevated temperatures.

Повышаются также их надежность и ресурс, так как снижается воздействие на поверхности встроенного холодильника схлопывающихся (при их наличии, либо возникновении) пузырей.Their reliability and resource are also increased, since the impact on the surface of the built-in refrigerator of collapsing bubbles (if any, or occurrence) is reduced.

Claims (5)

1. Торцовое уплотнение вала, включающее уплотнительный узел, с зазором охватывающий вал встроенный холодильник, включенный в контур циркуляции охлаждающей жидкости, корпус которого включает две коаксиально расположенные втулки с загерметизированным межвтулочным торцом, расположенную между втулками цилиндрическую перегородку, на внутренней поверхности корпуса холодильника со стороны вала выполнены винтовые канавки, а у загерметизированного межвтулочного торца установлено, по меньшей мере, одно кольцо, отличающееся тем, что у торца встроенного холодильника, обращенного к каналам подвода и отвода охлаждающей жидкости, установлен закручивающий поток охлаждающей жидкости кольцевой элемент, винтовые канавки на внутренней поверхности корпуса холодильника образованы выступами различной высоты, чередующимися между собой, а каждое установленное у загерметизированного межвтулочного торца кольцо снабжено, по меньшей мере, двумя отверстиями.1. The mechanical seal of the shaft, including the sealing assembly, with a gap enclosing the shaft is an integrated refrigerator included in the coolant circuit, the housing of which includes two coaxially located bushings with a sealed inter-sleeve end, a cylindrical partition located between the bushings, on the inner surface of the refrigerator case on the shaft side helical grooves are made, and at the sealed inter-sleeve end face, at least one ring is installed, characterized in that at the end face a triple cooler facing the coolant inlet and outlet channels, a ring element swirling coolant flow is installed, screw grooves on the inner surface of the refrigerator body are formed by protrusions of different heights alternating with each other, and each ring installed at the sealed inter-sleeve end is provided with at least two holes. 2. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что образующие винтовые канавки ребра меньшей высоты имеют оптимальную форму оребрения жидкостных теплообменных аппаратов.2. The mechanical seal of the shaft according to claim 1, characterized in that the forming helical grooves of the ribs of lower height have the optimal shape of the fins of liquid heat exchangers. 3. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что отверстия в каждом из колец, установленных у загерметизированного межвтулочного торца, выполнены симметрично.3. The mechanical seal of the shaft according to claim 1, characterized in that the holes in each of the rings installed at the sealed intershell end face are made symmetrically. 4. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что кольцевой закручивающий поток охлаждающей жидкости элемент выполнен в виде установленного между цилиндрической перегородкой и наружной втулкой встроенного холодильника кольца, в котором выполнены, по меньшей мере, два канала под острым углом к плоскости кольца.4. The mechanical shaft seal according to claim 1, characterized in that the annular swirling flow of coolant element is made in the form of a ring mounted between the cylindrical partition and the outer sleeve of the built-in refrigerator, in which at least two channels are made at an acute angle to the plane of the ring . 5. Торцовое уплотнение вала по п.4, отличающееся тем, что каналы в закручивающем поток охлаждающей жидкости кольце выполнены в виде прорезей на его наружной поверхности.5. The mechanical shaft seal according to claim 4, characterized in that the channels in the ring swirling the flow of coolant are made in the form of slots on its outer surface.

Images