RU53396U1 - MULTI-STAGE LABYRINTH-SCREW CENTRIFUGAL PUMP SHAFT SEAL - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к насосостроению и к уплотнительной технике, а именно к бесконтактным уплотнениям валов лабиринтно-винтового типа. Может быть использована в центробежных гидромашинах для герметизации подшипниковых узлов. Для увеличении срока службы гидромашины используют лабиринтно-винтовое уплотнение, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности ротора и статора, на поверхности которых выполнена резьба противоположного направления, причем число зубьев резьбы на роторе не превышает 175, на статоре - 163, угол нарезки резьбы α не превышает 76°, высота h зубьев резьбы не превышает 1 мм, шаги S₁ и S₂ резьбы как на роторе, так и на статоре одинаковы и не превышают 0,7 мм, ширина β верхней площадки зуба не превышает 0,15 мм, при этом радиальный зазор δ между ротором и статором составляет не более 0,15 мм. Для повышения герметичности предлагаемой конструкции, лабиринтно-винтовое уплотнение выполнено многоступенчатым, на выходе из каждой ступени выполнена щель с гладкими стенками - кольцевая проточка прямоугольной формы - с зазором, не менее радиального зазора уплотнения.The utility model relates to pump engineering and to sealing technology, namely to non-contact seals of labyrinth-screw type shafts. It can be used in centrifugal hydraulic machines for sealing bearing assemblies. To increase the service life of the hydraulic machine, a labyrinth-screw seal is used, containing the surfaces of the rotor and stator installed with a radial clearance, on the surface of which the threads are made in the opposite direction, the number of teeth of the thread on the rotor does not exceed 175, on the stator 163, the thread cutting angle α does not exceed 76 °, the height h of the thread teeth does not exceed 1 mm, the thread steps S ₁ and S ₂ on the rotor and on the stator are the same and do not exceed 0.7 mm, the width β of the upper tooth area does not exceed 0.15 mm, while radial clearance δ between po torus and stator is not more than 0.15 mm. To increase the tightness of the proposed design, the labyrinth-screw seal is multi-stage, at the exit of each stage a gap with smooth walls is made - an annular groove of a rectangular shape with a gap of at least a radial clearance of the seal.

Description

Полезная модель относится к насосостроению и к уплотнительной технике, а именно к бесконтактным уплотнениям валов лабиринтно-винтового типа. Может быть использована в центробежных гидромашинах для герметизации подшипниковых узлов.The utility model relates to pump engineering and to sealing technology, namely to non-contact shaft seals of the labyrinth-screw type. It can be used in centrifugal hydraulic machines for sealing bearing assemblies.

Известны лабиринтные винтовые уплотнения для узлов с вращающимися валами, содержащие винтовые канавки в виде резьбы либо на роторе, либо на статоре, либо на роторе и статоре одновременно (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).There are known labyrinth screw seals for assemblies with rotating shafts containing screw grooves in the form of a thread either on the rotor, or on the stator, or on the rotor and stator at the same time (E. Vasiltsev, Non-Contact Seals. L .: Mechanical Engineering, 1974).

Эти уплотнения эффективны лишь в узком расчетном диапазоне частоты вращения вала и ненадежны при переменных режимах работы агрегата, когда частота вращения вала изменяется в широких пределах.These seals are effective only in a narrow design range of the shaft speed and are unreliable under variable operating conditions of the unit, when the shaft speed varies over a wide range.

Известно лабиринтное винтовое уплотнение, содержащее гладкий цилиндрический ротор и охватывающий его статор с винтовыми пазами на внутренней поверхности, в которых установлена герметизирующая вставка в виде упругой ленты (авторское свидетельство СССР №400759, 1973 г.).A labyrinth screw seal is known, containing a smooth cylindrical rotor and a stator covering it with screw grooves on the inner surface, in which a sealing insert in the form of an elastic tape is installed (USSR copyright certificate No. 400759, 1973).

Однако и это «сдвоенное» уплотнение непригодно для обеспечения необходимой герметичности узла при изменении режимов работы агрегата, характеризующихся широким диапазоном частот вращения вала.However, this “double” seal is also unsuitable for providing the necessary tightness of the unit when changing the unit operating modes, characterized by a wide range of shaft rotation frequencies.

Наиболее близким аналогом выбрано аэродинамическое лабиринтно-винтовое уплотнение, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности статора и ротора, по меньшей мере на поверхности последнего из которых выполнена многозаходная резьба, а в случае выполнения резьбы как на роторе, так и на статоре, резьба на них выполнена противоположного направления (Патент РФ №2193698, 2000 г.).The closest analogue was chosen aerodynamic labyrinth-screw seal, containing installed with a radial clearance of the surface of the stator and rotor, at least on the surface of the last of which made multiple threads, and in the case of threads both on the rotor and on the stator, the thread on them is made in the opposite direction (RF Patent No. 2193698, 2000).

Однако данное изобретение по патенту рассчитано для работы со сжимаемой средой, которая требует для работы подбора своих геометрических параметров резьбы.However, the invention according to the patent is designed to work with a compressible medium, which requires for the selection of its geometric parameters of the thread.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание такой конструкции лабиринтно-винтового уплотнения, которая исключает попадание перекачиваемой жидкости в подшипниковый узел.The problem solved by the proposed utility model is the creation of such a design of the labyrinth-screw seal, which eliminates the ingress of the pumped liquid into the bearing assembly.

Технический результат заключается в увеличении срока службы гидромашины.The technical result is to increase the life of the hydraulic machine.

Для достижения указанного технического результата используют лабиринтно-винтовое уплотнение, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности ротора и статора, на поверхности которых выполнена резьба противоположного направления, причем число зубьев резьбы на роторе - 175, на статоре - 163, угол нарезки резьбы α-76°, высота h зубьев резьбы - 1 мм, шаги S₁ и S₂ резьбы как на роторе, так и на статоре одинаковы и составляют 0,7 мм, ширина β верхней площадки зуба - 0,15 мм, при этом радиальный зазор δ между ротором и статором составляет 0,15 мм. Для повышения герметичности предлагаемой конструкции, лабиринтно-винтовое уплотнение выполнено многоступенчатым, на выходе из каждой ступени выполнена щель с гладкими стенками - кольцевая проточка прямоугольной формы - с зазором, равным радиальному зазору уплотнения.To achieve the specified technical result, a labyrinth-screw seal is used, containing the rotor and stator surfaces installed with a radial clearance, on the surface of which the threads are made in the opposite direction, the number of teeth of the thread on the rotor is 175, on the stator 163, the thread cutting angle α-76 ° , the height h of the thread teeth is 1 mm, the steps S ₁ and S _{2 of the} thread on the rotor and on the stator are the same and are 0.7 mm, the width β of the upper tooth area is 0.15 mm, while the radial clearance δ between the rotor and the stator is 0.15 mm. To increase the tightness of the proposed design, the labyrinth-screw seal is multi-stage, at the exit of each stage a gap with smooth walls is made - an annular groove of a rectangular shape - with a gap equal to the radial clearance of the seal.

Отличительными признаками данной полезной модели от прототипа будет являться выполнение лабиринтно-винтового уплотнения многоступенчатым, причем на выходе из каждой ступени имеется щель с гладкими стенками -кольцевая проточка прямоугольной формы - с зазором, равным радиальному зазору уплотнения, число зубьев резьбы на роторе - 175, на статоре - 163, угол нарезки резьбы α-76°, высота h зубьев резьбы - 1 мм, шаги S₁ и S₂ резьбы как на роторе, так и на статоре одинаковы и составляют 0,7 мм, ширина β верхней площадки зуба составляет 0,15 мм, при этом радиальный зазор δ между ротором и статором составляет 0,15 мм.The distinguishing features of this utility model from the prototype will be a multi-stage labyrinth-screw seal, with a gap with smooth walls at the exit of each stage — a rectangular groove of a rectangular shape — with a gap equal to the radial clearance of the seal, the number of thread teeth on the rotor is 175, stator - 163, thread cutting angle α-76 °, thread h height h - 1 mm, thread steps S ₁ and S ₂ on the rotor and on the stator are the same and are 0.7 mm, the width β of the upper tooth area is 0 , 15 mm, while the radial The gap δ between the rotor and the stator is 0.15 mm.

На фиг.1 изображено многоступенчатое лабиринтно-винтовое уплотнение, установленное на валу в корпусе центробежного насоса; на фиг.2 - изображен элемент резьбы ступеней уплотнения; на фиг.3 - ротор многоступенчатого лабиринтно-винтовом уплотнения (резьбы показаны пунктиром); на фиг.4 - статор многоступенчатого лабиринтно-винтовом уплотнения (резьбы показаны Figure 1 shows a multi-stage labyrinth screw seal mounted on a shaft in a centrifugal pump housing; figure 2 - shows the thread element of the sealing stages; figure 3 - the rotor of a multi-stage labyrinth-screw seal (threads are shown by a dotted line); figure 4 - stator multistage labyrinth-screw seals (threads are shown

пунктиром); на фиг.5 - расходная характеристика лабиринтно-винтового уплотнения вала центробежного насоса.dotted line); figure 5 - flow characteristics of the labyrinth-screw seal shaft of a centrifugal pump.

Для предотвращения перетечек и попадания перекачиваемой жидкости внутрь защищаемого уплотнением подшипникового узла подбираются геометрические параметры многозаходной резьбы на роторе и статоре уплотнения.To prevent leakage and the pumped liquid into the bearing assembly protected by the seal, the geometrical parameters of the multi-thread on the rotor and seal stator are selected.

Многоступенчатое лабиринтно-винтовое уплотнение, как показано на фиг.1 установлено на валу 1 центробежного насоса со стороны рабочего колеса. Уплотнение содержит (см. фиг.1) установленные с радиальным зазором 5 поверхности ротора 2 и статора 3. На поверхностях ротора и статора выполнена многозаходная резьба. При выполнении резьбы как на роторе 2, так и на статоре 3, резьба на них выполнена противоположного направления. Число зубьев резьбы на роторе 2-175, а на статоре 3-163. Угол нарезки резьбы α (см. фиг.2) - 76°. Высота h зубьев (см. фиг.2) резьбы - 1 мм, шаги S₁ и S₂ резьбы как на роторе, так и на статоре составляют 0,7 мм. Ширина β верхней площадки зуба составляет 0,15 мм. Радиальный зазор δ (см. фиг.1)между ротором 2 и статором 3 составляет 0,15 мм. Разница между диаметрами вершин зубьев резьбы 'D_B1, 'D_B2, "D_B1, "D_B2, '''D_B1, '''D_B2 ротора и статора и диаметрами 'D_O1, 'D_O2, "D_O1, "D_O2, '''D_O1, '''D_O2 оснований их зубьев (см. фиг.3, 4) определяется в зависимости от диаметров ступеней ротора и условия обеспечения необходимых размеров многозаходных резьб ротора 2 и статора 3 уплотнения. Для повышения герметичности предлагаемой конструкции многоступенчатого лабиринтно-винтового уплотнения на выходе из каждой ступени выполнена кольцевая проточка прямоугольной формы 1 (см. фиг.3) с зазором, равным радиальному зазору уплотнения.A multi-stage labyrinth-screw seal, as shown in FIG. 1, is mounted on the shaft 1 of the centrifugal pump from the impeller side. The seal contains (see figure 1) installed with a radial clearance 5 of the surface of the rotor 2 and the stator 3. On the surfaces of the rotor and stator made multi-thread. When performing threads both on the rotor 2 and on the stator 3, the thread on them is made in the opposite direction. The number of thread teeth on the rotor is 2-175, and on the stator 3-163. The angle of thread α (see figure 2) - 76 °. The height h of the teeth (see figure 2) of the thread is 1 mm, the steps S ₁ and S _{2 of the} thread both on the rotor and on the stator are 0.7 mm. The width β of the upper tooth area is 0.15 mm. The radial clearance δ (see FIG. 1) between the rotor 2 and the stator 3 is 0.15 mm. The difference between the diameters of the tops of the thread teeth 'D _B1 ,' D _B2 , 'D _B1 ,' D _B2 , '''D _B1 ,''' D _{B2 of the} rotor and stator and the diameters of 'D _O1 ,' D _O2 , "D _O1 , "D _O2 , '''D _O1 ,''' D _{O2 of the} bases of their teeth (see Figs. 3, 4) is determined depending on the diameters of the stages of the rotor and the conditions for ensuring the required dimensions of the multi-thread threads of the rotor 2 and the stator 3 of the seal. To increase the tightness of the proposed design of a multi-stage labyrinth-screw seal at the outlet of each stage, an annular groove of rectangular shape 1 (see Fig. 3) with a gap equal to the radial clearance of the seal is made.

При истечении через каждую щель, которая является кольцевым не профилированным отверстием, реализуется неравномерное распределение скоростей; в зависимости от схемы лабиринта и его геометрических параметров при обтекании высокоскоростной струей гладкой или ступенчатой стенки возникают отрывы потока и вихреобразования. Интенсивность вихревого движения в отрывных зонах и в промежуточных камерах определяет степень диссипации кинетической энергии и в конечном итоге расходные характеристики лабиринтного Upon expiration through each slot, which is an annular non-profiled hole, an uneven distribution of velocities is realized; Depending on the labyrinth scheme and its geometrical parameters, flow detachment and vortex formation occur when a smooth or stepped wall flows around a high-speed jet. The intensity of the vortex motion in the separation zones and in the intermediate chambers determines the degree of dissipation of kinetic energy and, ultimately, the flow characteristics of the labyrinth

уплотнения. Существенную роль в этом процессе играет вязкость жидкости. Чем выше вязкость перекачиваемой жидкости, тем ниже будут расходные характеристики лабиринтного уплотнения. Так как уплотнение устанавливается на вращающихся валах, то вращение внутренней поверхности лабиринта оказывает заметное влияние на структуру потока и расход жидкости за счет образования противотоков. Площадь сечения всех щелей и промежуточных камер одинакова, а расход жидкости через каждую последующую щель будет уменьшаться, так как часть жидкости, прошедшей через щель уплотнения, будет образовывать отрывную зону в промежуточной камере. Кроме того, в лабиринтном уплотнении по его длине будет наблюдаться понижение давления в силу того, что часть кинетической энергии жидкости частично будет преобразовываться в теплоту, а еще часть затрачивается на образование отрывной зоны в промежуточной камере и поддержание возвратно-циркуляционного (вихревого) движения в ней.seals. A significant role in this process is played by the viscosity of the liquid. The higher the viscosity of the pumped fluid, the lower the flow characteristics of the labyrinth seal. Since the seal is mounted on rotating shafts, the rotation of the inner surface of the labyrinth has a noticeable effect on the flow structure and fluid flow due to the formation of countercurrents. The cross-sectional area of all slots and intermediate chambers is the same, and the flow rate of liquid through each subsequent slit will decrease, since part of the liquid passing through the seal gap will form a separation zone in the intermediate chamber. In addition, in the labyrinth seal along its length, a decrease in pressure will be observed due to the fact that part of the kinetic energy of the liquid is partially converted into heat, and another part is spent on the formation of a separation zone in the intermediate chamber and maintaining the back-circulation (vortex) movement in it .

Предлагаемое лабиринтно-винтовое уплотнение допускает работу на загрязненных жидкостях с 5 процентным включением абразивных частиц. Для исключения изнашивания выступов зубьев резьбы ротора и статора уплотнения среднеарифметический размер песчинок 0,5 мм не должен превышать половины величины радиального зазора уплотнения (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).The proposed labyrinth-screw seal allows operation on contaminated liquids with 5 percent inclusion of abrasive particles. To exclude wear of the protrusions of the teeth of the thread of the rotor and stator of the seal, the arithmetic average size of the grains of sand 0.5 mm should not exceed half the size of the radial clearance of the seal (Vasiltsev EA. Non-contact seals. L .: Engineering, 1974).

Ограничение уменьшения ширины β верхней площадки зуба определяется только технологическими соображениями или износом при перекачке сред с абразивными частицами (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).The limitation of reducing the width β of the upper tooth area is determined only by technological considerations or wear when pumping media with abrasive particles (EA Vasiltsev, Non-Contact Seals. L .: Engineering, 1974).

Для турбулентного режима движения жидкости оптимальное значение относительного радиального зазора составляет 0,15. При этом значении наступает автомодельный режим течения жидкости (Васильцев Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л.: Машиностроение, 1974 г.).For turbulent fluid motion, the optimal value of the relative radial clearance is 0.15. At this value the self-similar mode of fluid flow sets in (Vasiltsev EA, Non-Contact Seals. L .: Mechanical Engineering, 1974).

Шаг резьбы на фиксированной длине определяет число зубьев резьбы на роторе и статоре. Увеличение числа зубьев на роторе до 185, на статоре до 173 приводит к уменьшению шага резьбы и составляет 0,66 мм. Угол нарезки резьбы The thread pitch at a fixed length determines the number of thread teeth on the rotor and stator. An increase in the number of teeth on the rotor to 185, on the stator to 173 leads to a decrease in the pitch of the thread and is 0.66 mm. Thread angle

α увеличится до 78°, при этом увеличится расходная характеристика предлагаемого лабиринтно-винтового уплотнения вала центробежного насоса. Под расходной характеристикой уплотнения понимается зависимость величины утечек жидкости Q через лабиринтно-винтовое уплотнение от величины радиального зазора и удерживаемого им давления (напора). Известно, что величина давления, удерживаемого уплотнением, обратно пропорциональна величине радиального зазора, т.е. ΔР~1/δ. Следовательно, чем больше величина радиального зазора, тем меньше величина удерживаемого давления и тем больше величина утечек жидкости Q через уплотнение.α will increase to 78 °, while the flow characteristic of the proposed labyrinth-screw shaft seal of a centrifugal pump will increase. Consumption characteristic of a seal is understood as the dependence of the amount of fluid leakage Q through a labyrinth-screw seal on the value of the radial clearance and the pressure (pressure) held by it. It is known that the pressure held by the seal is inversely proportional to the radial clearance, i.e. ΔP ~ 1 / δ. Therefore, the larger the radial clearance, the smaller the amount of pressure held and the greater the amount of fluid leakage Q through the seal.

При фиксированном давлении жидкости перед уплотнением (в нашем случае 1 МПа) увеличение радиального зазора увеличит величину утечек через уплотнение (см. фиг.5). Жидкость достигнет подшипникового узла и смазка будет вымываться из него. Последнее приведет к снижению срока службы гидромашины.At a fixed fluid pressure before the seal (in our case 1 MPa), an increase in the radial clearance will increase the amount of leakage through the seal (see Fig. 5). Fluid will reach the bearing assembly and grease will be washed out of it. The latter will reduce the life of the hydraulic machine.

Уменьшение числа зубьев на роторе до 165, на статоре до 153 приводит к увеличению шага резьбы до 0,74 мм. Угол нарезки резьбы α уменьшается до 73°, что, как известно, увеличит потребляемую уплотнением мощность. Увеличение потребляемой мощности приведет к дополнительному нагреву жидкости. Нагрев жидкости приведет к снижению ее вязкости и нагреву уплотнительного узла в целом. Процессы теплопередачи обусловят разогрев смазки подшипникового узла и уменьшение вязкости смазки приведут к ее вытеканию. Что опять приведет к снижению срока службы гидромашиныA decrease in the number of teeth on the rotor to 165, on the stator to 153 leads to an increase in the pitch of the thread to 0.74 mm. The angle of thread α decreases to 73 °, which, as you know, will increase the power consumed by the seal. An increase in power consumption will lead to additional heating of the liquid. Heating the liquid will reduce its viscosity and heat the sealing assembly as a whole. Heat transfer processes will cause the lubrication of the bearing assembly and a decrease in the viscosity of the lubricant will cause it to leak. Which again will lead to a decrease in the life of the hydraulic machine

В силу выше сказанного технический результат - увеличение срока службы гидромашины - не будет достигнут.In view of the foregoing, the technical result - an increase in the service life of the hydraulic machine - will not be achieved.

Как показали экспериментальные исследования при соблюдении в конструкции многоступенчатого лабиринтно-винтового уплотнения размеров, характеризующих многозаходную резьбу и радиальный зазор между ротором 2 и статором 3, в ступенях уплотнения обеспечивается создание необходимого давления в нашем случае 1,168 МПа, которое исключает попадание перекачиваемой жидкости в подшипниковый узел.As experimental studies have shown, while observing in the design of a multi-stage labyrinth-screw seal the dimensions characterizing the multi-thread and the radial clearance between the rotor 2 and the stator 3, the necessary pressure in our case is 1.168 MPa, which prevents the pumped liquid from entering the bearing assembly.

Установка уплотнений, имеющих конструкцию в соответствии с данным устройством, в центробежных насосах исключит попадание перекачиваемой жидкости в подшипниковый узел и одновременно увеличивает срок службы гидромашины.Installation of seals having a design in accordance with this device in centrifugal pumps eliminates the ingress of pumped fluid into the bearing assembly and at the same time increases the life of the hydraulic machine.

Claims (1)

Лабиринтно-винтовое уплотнение вала центробежного насоса, содержащее установленные с радиальным зазором поверхности ротора и статора, на поверхности которых выполнена многозаходная резьба противоположного направления, отличающееся тем, что число зубьев резьбы на роторе составляет 175, на статоре - 163, угол нарезки резьбы α - 76°, высота зубьев резьбы h 1 мм, шаги S₁ и S₂ резьбы на роторе и статоре одинаковы и составляют 0,7 мм, радиальный зазор δ между ротором и статором составляет не более 0,15 мм, уплотнение выполнено многоступенчатым, в конце каждой ступени выполнена кольцевая проточка прямоугольной формы с зазором, равным радиальному зазору уплотнения.

Labyrinth-screw seal of the shaft of a centrifugal pump, containing rotor and stator surfaces mounted with a radial clearance, on the surface of which multi-threading in the opposite direction is made, characterized in that the number of teeth of the thread on the rotor is 175, on the stator is 163, the thread cutting angle α is 76 °, the height of the thread teeth h 1 mm, the steps S ₁ and S _{2 of the} threads on the rotor and stator are the same and are 0.7 mm, the radial clearance δ between the rotor and stator is not more than 0.15 mm, the seal is multi-stage, at the end of each An annular groove of a rectangular shape with a gap equal to the radial clearance of the seal was made for each step.