5 Расчет концевых уплотнений

Описание конструкции и принципа действия

В настоящее время из газодинамических уплотнений наибольшее распространение получили торцевые уплотнения со спиральными канавками. Они используются в широком диапазоне изменения рабочих скоростей вращения роторов, температур и давлений, а также при сжатии в компрессорах различных газов от водорода до водяного пара, от температуры -150ºС до температуры +300ºС, при давлениях и скоростях, превышающих 16,0 МПа и 40000 об/мин. Наиболее широкое применение такие уплотнения находят в центробежных нагнетателях природного газа для магистральных газопроводов благодаря следующим преимуществам:

1. Резко снижаются утечки рабочего газа и расход затворного газа на уплотнение за счет малых зазоров между вращающимися и неподвижными поверхностями уплотнения.

2. Из-за малой вязкости газа по сравнению с маслом и гарантированного зазора между поверхностями трения резко снижаются потери мощности на трение (в 10 и более раз).

3. Исключается сложная и дорогостоящая масляная система уплотнений (маслобаки, насосы, охладители, фильтры, регулирующая и запорная арматура и т.д.), что, в свою очередь, ведет к существенной экономии эксплуатационных и ремонтных расходов, снижению массогабаритных показателей компрессора.

Обслуживание системы газодинамических уплотнений производится раз в 1-3 года и предусматривает в основном визуальный осмотр и замену при необходимости фильтрующих элементов системы подвода газа в камеры уплотнений. Поэтому затраты на обслуживание системы масляных уплотнений.

4. В связи с отсутствием масла в сжимаемом газе обеспечивается высокое качество вырабатываемого продукта, а также снижаются затраты на очистку газовых трубопроводов.

5. Обеспечивается ресурс работы уплотнения на весь срок службы. Однако следует иметь в виду, что торцовые уплотнения со спиральными

канавками чувствительны к осевым и радиальным колебаниям ротора, температурным и силовым деформациям уплотнительных колец. Они изготавливаются с очень высокой точностью, имеют сложную конструкцию, а также требуют тонкую очистку газа, проходящего через торцевой зазор. Поэтому создание работоспособного уплотнения со спиральными канавками возможно только при правильном выборе методик расчета основных характеристик, материалов пар трения, конструировании, высокой технологии изготовления и тщательной сборке в компрессоре.

В нагнетателе использованы торцевые сухие газодинамические тандемные уплотнения производства английской фирмы Jhоn Crane - мирового лидера по проектированию и изготовлению газодинамических уплотнений со спиральными канавками. Это уплотнение состоит из двух последовательно установленных уплотнительных модулей - первый воспринимает весь перепад давления, а второй является резервным для обеспечения безопасности (рисунок 13).

Рассмотрим конструкцию уплотнения. Торцовая уплотнительная щель образуется между упорным диском со спиральными канавками 1 и графитовым кольцом 2, неподвижным в окружном направлении и подвижным в осевом. Кольцо 2 через кольцо упорное 5 поджимается пружиной 4 к диску 1, что обеспечивает плотное закрепление уплотнения во время отключения (останова) компрессора и, тем самым, устраняются утечки газа. Область высокого давления отделяется резиновым уплотнительным кольцом 3 «О» образного сечения, которое не препятствует осевой подвижности кольца 2. Уплотнение имеет два корпуса: внутренний 10 и внешний 12, и закрепляется на валу при помощи замка 9. В камеру А уплотнения подается очищенный газ под давлением большим, чем в полости компрессора и, совместно с лабиринтным уплотнением, предотвращает попадание в уплотнение загрязненного абразивного газа. Через камеру В отводятся утечки после первой ступени уплотнения.

На рисунке 14 показан вращающийся диск с двунаправленными спиральными канавками и внешним подводом уплотняющего газа. Двунаправленность канавок К обуславливает возможность работы уплотнения независимо от направления вращения ротора компрессора. Канавки имеют глубину 7 мкм. Рабочая поверхность вращающегося кольца (диска) состоит из несущей части А с канавками (зона нагнетания) и уплотняющей части Б (зона расширения). При вращении газ захватывается внутрь к участку Б, который создает сопротивление истоку газа и давление газа увеличивается и поверхность графитового кольца отходит от диска на величину 2...4 мкм. Этот зазор устанавливается, когда сила сжатия F_c , обусловленная нагрузкой пружины, становится равной суммарной силе открытия F₀ от распределения давления в зазоре Н (рисунок 15). Утечки газа через очень маленький зазор Н незначительны, и в этом заключается основной принцип работы уплотнения.

Расчет

Расчет уплотнения производится с использованием ЭВМ по программе, предоставленной ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» для проведения студенческих расчетов.

РАСЧЕТ ТОРЦОВОГО УПЛОТНЕНИЯ СО СПИРАЛЬНЫМИ КАНАВКАМИ

Исходные данные (параметры)

Нapужный paдиуc уплoтнeния	м	0.11	R
Paдиуc окончания кaнaвoк	м	0,095	R1
Внутренний paдиуc уплoтнения	м	0,089	R2
Paдиуc уплoтнитeльнoй пoвepxности	м	0.091	RY
Глубинa кaнaвoк	м	8E-06	DLT
Ширина кaнaвoк	рад	0.2617	ETA1
Ширина выступов	рад	0.2617	ETA2
Число канавок		12	NK
Угол наклона канавок	рад	1.307	BETA
Усилие пружины	Н	0	FPR
Сопротивление уплотнительного резинового кольца	Н	0	FYP
Газовая постоянная	Дж/(кг^К)	496,6	RR
Коэффициент динамической вязкости газа	Па^с	1.2E-05	MU
Длина свободного пробега молекул	м	0	LA
Температура газа	К	300	Г
Давление на входе в уплотнение	Па	4,8E+06	PH
Давление на выходе из уплотнения	Па	100000	P2
Угловая скорость вращения вала	рад/с	554,5	OMG
Показатель адиабаты		1.302	KAD
Число зазоров		5	M

Результаты расчета

Зазор	м	1.5E-06	2E-06	3E-06	4E-06	5E-06	H
Суммарная сила	Н	6896,93	2243,31	-1470.01	-6409,73	-7310,492	FR
Сила открытия	II	64599,2	59945,6	32787.2	51292,5	48270,8	FOT
Жесткость слоя	Н/м	-1,14016Е+10	-8,15845E+09	-2.95466E+09	-1.77129E+09	-241682	K
Расход газа	кг/с	-0.000248859	-0.000454085	-0.000516884	-0.00200431	-0,00125796	Q
Безразмерная сила открытия	-	16,9939	15.7696	14.111	13.4933	15,066	Fx
Безразмерная жесткость слоя	-	-4,49905	-3.21932	-1.90744	-0.698948	-1,953674Е-0,5	Kx
Параметр сжимаемости	-	2147,02	12077	549.967	301,925	530,08	LMBD
Безразмерный расход газа	-	-50352,4	-38760,3	-14883	-21385	-32,3352	Qx

Примечание:

(C) Comressors Machines and Units, KSTU university

Рисунок 16 – График зависимости суммарной силы от зазора

Расчитав торцевое уплотнение со спиральными канавками на компьютере, я построил график зависимости суммарного расхода F от зазора в уплотнительной щели H. И в резултате чего, я выяснил, что устойчивая работа уплотнения достигается, когда суммарная сила FR=0. При этом, зазор в уплотнительной щели равен Н=2.65мм