RU81544U1

RU81544U1 - TANDEM SEAL WITH ACTIVE ELECTROMAGNETIC CLEARANCE ADJUSTMENT

Info

Publication number: RU81544U1
Application number: RU2008152347/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Андрианов; Альберт Мингаязович Ахметзянов; Яхия Зиннатович Гузельбаев; Ибрагим Габдулхакович Хисамеев
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2009-03-20

Abstract

Полезная модель относится к области концевых уплотнений, в частности к уплотнению роторов для предотвращения утечки рабочей среды из корпусов сжатия центробежных компрессоров и насосов в окружающее пространство и может использоваться в центробежных компрессорных машинах для обеспечения долговечности узлов уплотнения, а, следовательно, для повышения надежности работы компрессора. Уплотнение тандемного типа содержит корпус, установленное на валу упорное кольцо и подпружиненные к нему с двух сторон подвижные в осевом направлении кольца, образующие с упорным кольцом пары уплотнений, систему активного электромагнитного регулирования зазоров, включающую по меньшей мере по одному контуру регулирования каждого из зазоров между упорным и подвижными кольцами, каждый указанный контур включает датчик зазора и электромагнит, причем статор каждого электромагнита соединен с корпусом, подвижное кольцо каждой пары уплотнений соединено с подвижным ярмом соответствующего электромагнита и с подвижной частью соответствующего датчика зазора между этим подвижным ярмом и корпусом. Дополнительно конструкция неподвижной части каждого датчика зазора может быть выполнена с возможностью измерения в осевом направлении зазора между упорным диском и корпусом. В контурах системы автоматического электромагнитного регулирования зазоров предусмотрены усилители, преобразующие сигналы датчиков в токи электромагнитов, автоматически поддерживающие заданные зазоры (5-7 мкм), что обеспечивается соответствующей настройкой контуров. Усилители конструктивно выполнены в виде электронного блока управления, размещаемого вне конструкции уплотнения.The invention relates to the field of end seals, in particular to the sealing of rotors to prevent leakage of the working medium from the compression housings of centrifugal compressors and pumps into the environment and can be used in centrifugal compressor machines to ensure the durability of the seal assemblies and, therefore, to increase the reliability of the compressor . The tandem type seal comprises a housing, a thrust ring mounted on the shaft, and axially spring-loaded axially movable rings forming pairs of seals with a thrust ring, an active electromagnetic gap control system comprising at least one control loop for each of the gaps between the thrust and movable rings, each specified circuit includes a gap sensor and an electromagnet, with the stator of each electromagnet connected to the housing, the movable ring of each pair is sealed d is connected to the movable yoke of the electromagnet and corresponding to the movable portion corresponding to the gap between the sensor and the movable yoke housing. Additionally, the design of the fixed part of each gap sensor can be made with the possibility of measuring in the axial direction of the gap between the thrust disk and the housing. Amplifiers are provided in the circuits of the automatic electromagnetic regulation system of gaps, which convert the sensor signals into currents of electromagnets, automatically supporting the given gaps (5-7 microns), which is ensured by the corresponding configuration of the circuits. Amplifiers are structurally made in the form of an electronic control unit located outside the seal structure.

Description

Полезная модель относится к области концевых уплотнений, в частности, к уплотнению роторов для предотвращения утечки рабочей среды из корпусов сжатия центробежных компрессоров и насосов в окружающее пространство и может использоваться в центробежных компрессорных машинах для обеспечения долговечности узлов уплотнения, следовательно, для повышения надежности работы компрессора.The invention relates to the field of end seals, in particular, to the sealing of rotors to prevent leakage of the working medium from the compression housings of centrifugal compressors and pumps into the surrounding space and can be used in centrifugal compressor machines to ensure the durability of the seal assemblies, therefore, to increase the reliability of the compressor.

Известно уплотнение для предотвращения утечек сжимаемого газа, в котором упорный диск образует с невращающимся графитовым кольцом торцовую уплотнительную щель (Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М: Машиностроение. 1995, стр.146). Область высокого давления отделяется резиновым уплотнительным кольцом O-образного сечения. Прижатие колец друг к другу обеспечивается пружинами. На диске выполнены спиральные канавки глубиной 5-6 мкм, с малым углом β₁ на наружном диаметре. При вращении на тыльных стенках канавок возникают аэродинамические силы, которые захватывают очищенный затворный газ из полости Б с давлением и перемещают его к центру, преодолевая центробежные силы и сопротивления трения. Газодинамическое давление в канавках возрастает до некоторого значения и образует зазор (3-5 мкм) между вращающимся и невращающимся кольцами. Упорный диск изготавливается из высоколегированной стали с твердосплавным покрытием на основе карбида вольфрама. Спиральные канавки изготавливаются физико-химическим методом, ионным травлением. Кольцо изготавливают из графита со специальной пропиткой.A seal is known for preventing leakage of compressible gas, in which the thrust disc forms an end sealing gap with a non-rotating graphite ring (Shnepp VB Design and calculation of centrifugal compressor machines. - M: Mechanical Engineering. 1995, p.146). The high pressure area is separated by an O-ring rubber O-ring. The rings are pressed together by springs. On the disk, spiral grooves with a depth of 5-6 μm are made, with a small angle β ₁ on the outer diameter. When rotating on the back walls of the grooves, aerodynamic forces arise that trap the cleaned gate gas from cavity B with pressure and move it to the center, overcoming centrifugal forces and friction drags. The gas-dynamic pressure in the grooves increases to a certain value and forms a gap (3-5 μm) between the rotating and non-rotating rings. The thrust disc is made of high alloy steel with carbide coating based on tungsten carbide. Spiral grooves are made by physicochemical method, ion etching. The ring is made of graphite with special impregnation.

Техническими недостатками данного уплотнения являются:The technical disadvantages of this seal are:

- отсутствие гарантированного зазора между кольцами во время- lack of guaranteed clearance between the rings during

начала вращения, а, следовательно, присутствие кратковременного трения между ними, что приводит к износу;the beginning of rotation, and, therefore, the presence of short-term friction between them, which leads to wear;

- высокие требования, предъявляемые к материалам и технологии выполнения спиральных канавок на упорном диске;- high requirements for materials and technology for making spiral grooves on a thrust disk;

- увеличение величины утечки затворного газа через уплотнение в случае загрязнения затворного газа, к газовой подъемной силе обеспечивающей зазор в паре уплотнения добавляются гидравлические силы от присутствия примесей в газе.- an increase in the leakage of the gate gas through the seal in the event of contamination of the gate gas, hydraulic forces from the presence of impurities in the gas are added to the gas lifting force providing a gap in the seal pair.

Известно также устройство для регулирования зазора в торцовых уплотнениях (патент RU №2176044 от 20.11.2001 г.), которое содержит вращающееся кольцо, установленное на роторе, невращающееся кольцо, установленное в корпусе, датчик для измерения зазора между невращающимся и вращающимся кольцами, якорь электромагнитной системы, электромагниты, регулятор токов электромагнитов и блок задания требуемого зазора. Работа известного устройства заключается в активном регулировании зазора между вращающимся и невращающимся кольцами с помощью системы автоматического регулирования, образованной датчиком зазора, электромагнитами и регулятором токов.There is also known a device for regulating the gap in mechanical seals (patent RU No. 2176044 dated 11/20/2001), which contains a rotating ring mounted on the rotor, a non-rotating ring installed in the housing, a sensor for measuring the gap between the non-rotating and rotating rings, an electromagnetic anchor systems, electromagnets, current regulator of electromagnets and the unit for setting the required clearance. The operation of the known device consists in actively controlling the gap between the rotating and non-rotating rings using an automatic control system formed by the gap sensor, electromagnets and current regulator.

Недостатком известного устройства является недостаточная надежность уплотнения в случае выхода из строя пары уплотнения, а также сложность обеспечения микрозазоров (5-7 мкм) в уплотняемой паре при осевых перемещениях и биениях вращающегося диска, обуславливаемых температурными и изгибными колебаниями ротора компрессора.A disadvantage of the known device is the insufficient reliability of the seal in case of failure of the pair of seals, as well as the difficulty of providing micro-gaps (5-7 μm) in the pair being sealed during axial movements and beats of the rotating disk, caused by temperature and bending vibrations of the compressor rotor.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание уплотнения, устраняющее указанные недостатки данного известного устройства.The technical task of the proposed utility model is to create a seal that eliminates these disadvantages of this known device.

Данный технический результат достигается за счет применения в уплотнении сдвоенной (тандемной) системы активного электромагнитного регулирования зазора в уплотняемой паре. Тандемное уплотнение с This technical result is achieved through the use in the seal of a double (tandem) system of active electromagnetic regulation of the gap in the pair being sealed. Tandem seal with

активным электромагнитным регулированием зазоров содержит корпус, установленное на валу упорное кольцо и подпружиненные к нему с двух сторон подвижные в осевом направлении кольца, образующие с упорным кольцом пары уплотнений, систему активного электромагнитного регулирования зазоров, включающую по меньшей мере по одному контуру регулирования каждого из зазоров между упорным и подвижными кольцами, каждый указанный контур включает датчик зазора и электромагнит, причем статор каждого электромагнита соединен с корпусом, подвижное кольцо каждой пары уплотнений соединено с подвижным ярмом соответствующего электромагнита и с подвижной частью соответствующего датчика зазора между этим подвижным ярмом и корпусом.active electromagnetic control of the gaps contains a housing mounted on the shaft of the thrust ring and axially spring-loaded axially movable rings forming pairs of seals with the thrust ring, an active electromagnetic control system of the gaps, comprising at least one control loop for each of the gaps between thrust and movable rings, each specified circuit includes a gap sensor and an electromagnet, with the stator of each electromagnet connected to the housing, a movable ring each pair of seals coupled to the movable yoke of the electromagnet and corresponding to the movable portion corresponding to the gap between the sensor and the movable yoke housing.

Дополнительно конструкция неподвижной части каждого датчика зазора может быть выполнена с возможностью измерения в осевом направлении зазора между упорным диском и корпусом.Additionally, the design of the fixed part of each gap sensor can be made with the possibility of measuring in the axial direction of the gap between the thrust disk and the housing.

Кроме того, в каждом контуре регулирования датчик зазора связан с обмоткой электромагнита через усилитель сигнала.In addition, in each control loop, the gap sensor is connected to the electromagnet winding through a signal amplifier.

Предлагаемое уплотнение показано на чертеже.The proposed seal is shown in the drawing.

Уплотнение тандемного типа содержит вращающийся упорное кольцо 2, насаженный на вал 1, и невращающиеся подвижные в осевом направлении кольца 3, 4. Последние имеют возможность перемещаться в необходимых пределах за счет притяжения установленных по обе стороны от упорного кольца 2 электромагнитов, каждый из которых образован подвижным ярмом 10 и статором 7 с обмотками 11, которые расположены в неподвижном корпусе 12 уплотнения и являются исполнительными устройствами контура системы активного электромагнитного регулирования зазоров. Подвижное кольцо 3 или 4 конструктивно совмещено с подвижным ярмом 10 соответствующего электромагнита и с ротором соответствующего датчика 8 зазора между подвижным ярмом 10 и корпусом 12 уплотнения.The tandem type seal comprises a rotating thrust ring 2, mounted on the shaft 1, and non-rotating axially movable rings 3, 4. The latter have the ability to move within the necessary limits due to the attraction of electromagnets mounted on both sides of the thrust ring 2, each of which is formed by a movable the yoke 10 and the stator 7 with windings 11, which are located in the stationary housing 12 of the seal and are the actuators of the circuit of the active electromagnetic regulation of the gaps. The movable ring 3 or 4 is structurally combined with the movable yoke 10 of the corresponding electromagnet and with the rotor of the corresponding gap sensor 8 between the movable yoke 10 and the seal housing 12.

Чувствительным элементом каждого контура системы активного электромагнитного регулирования зазора является датчик 8 зазора. В контурах системы автоматического электромагнитного регулирования зазоров предусмотрены усилители 9, преобразующие сигналы датчиков 8 в токи электромагнитов, автоматически поддерживающие заданные зазоры (5-7 мкм), что обеспечивается соответствующей настройкой контуров. Усилители 9 конструктивно выполнены каждый в виде электронного блока управления, размещаемого вне конструкции уплотнения.A sensitive element of each circuit of the active electromagnetic regulation system of the gap is the gap sensor 8. Amplifiers 9 are provided in the loops of the system of automatic electromagnetic regulation of gaps, converting the signals of the sensors 8 into currents of electromagnets that automatically maintain the given clearances (5-7 microns), which is ensured by the corresponding configuration of the loops. Amplifiers 9 are each structurally designed as an electronic control unit located outside the seal structure.

В предлагаемом уплотнении применены датчики 8 зазоров, измеряющие в осевом направлении зазоры между торцами упорного кольца 2 и корпусом 12 уплотнения, а также между корпусом 12 уплотнения и торцами подвижных ярем 10. Наличие информационных сигналов о вышеуказанных зазорах позволяет предусмотреть в системе активного электромагнитного регулирования возможность введения корректирующих управлений при тепловых и вибрационных осевых перемещениях упорного диска. В общем случае система активного электромагнитного регулирования зазоров может содержать более одного контура регулирования с каждой стороны уплотнения, при этом может обеспечиваться параллельность стабилизации каждого из невращающихся подвижных колец относительно вращающегося упорного кольца.In the proposed seal, gaps 8 are used that measure axially the gaps between the ends of the thrust ring 2 and the housing 12 of the seal, as well as between the housing 12 of the seal and the ends of the movable yoke 10. The presence of information signals about the above gaps allows for the introduction of active electromagnetic regulation corrective controls during thermal and vibrational axial movements of the thrust disc. In general, an active electromagnetic gap control system may comprise more than one control loop on each side of the seal, and stabilization of each of the non-rotating movable rings relative to the rotating thrust ring can be ensured.

При выключении системы активного электромагнитного регулирования зазоров невращающиеся кольца 3 и 4 прижимаются к упорному диску 2 с помощью пружин 5 и 6, чем обеспечивается запирание области высокого давления машины в стояночных режимах.When you turn off the system of active electromagnetic regulation of gaps non-rotating rings 3 and 4 are pressed against the thrust disk 2 using springs 5 and 6, which ensures locking of the high pressure area of the machine in the parking modes.

Уплотнение работает следующим образом. Перед запуском компрессора в работу включается система активного электромагнитного регулирования зазора и подается в область высокого давления затворный газ. При этом активизируются контуры системы, и электромагниты притягивают подвижные кольца 3 и 4, образуя с упорным кольцом 2 заданные настройкой зазоры. Чистый затворный газ, подаваемый в уплотнение, проходит через первую ступень уплотнения и идет на факел по Sealing works as follows. Before starting the compressor, an active electromagnetic clearance control system is turned on and gate gas is supplied to the high-pressure region. In this case, the system circuits are activated, and the electromagnets attract the movable rings 3 and 4, forming with the stop ring 2 the gaps specified by the setting. Pure gate gas supplied to the seal passes through the first stage of the seal and goes to the flare through

линии утечек после первого каскада. Оставшийся затворный газ проходит через вторую ступень уплотнения и выбрасывается в атмосферу. Контуры системы активного электромагнитного регулирования зазора обеспечивают стабилизацию зазоров, осуществляя необходимое изменение токов электромагнитов и, следовательно, сил притяжения при отклонениях сигналов датчиков 8 зазоров от заданного значения.leakage lines after the first stage. The remaining gate gas passes through the second stage of the seal and is released into the atmosphere. The contours of the active electromagnetic regulation of the gap provide stabilization of the gaps, making the necessary change in the currents of the electromagnets and, therefore, the attractive forces when the signals of the sensors 8 of the gaps deviate from the set value.

Таким образом, предлагаемое тандемное уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазоров существенно уменьшает утечку рабочего газа из области высокого давления машины при зазоре 5-7 мкм в каждой паре уплотнения и обеспечивает при этом характеристики, сравнимые с характеристиками известных сухих газодинамических уплотнений. При этом достигается поставленная задача, а именно:Thus, the proposed tandem seal with active electromagnetic clearance control significantly reduces the leakage of the working gas from the high pressure area of the machine with a gap of 5-7 μm in each pair of seals and at the same time provides characteristics comparable to those of known dry gas-dynamic seals. In this case, the task is achieved, namely:

- исключается возможность возникновения сухого трения при вращении, а, следовательно, износа элементов пар уплотнения, что приводит к увеличению ресурса и надежности работы уплотнения;- eliminates the possibility of dry friction during rotation, and, consequently, wear of the elements of the seal pairs, which leads to an increase in the resource and reliability of the seal;

- при изготовлении не требуется применения сложных технологий (получение спиральных канавок на упорном диске), дорогостоящих материалов и оборудования;- in the manufacture does not require the use of complex technologies (obtaining spiral grooves on the thrust disc), expensive materials and equipment;

- загрязнение затворного газа не приводит к изменению характеристик уплотнения, т.к. требуемая для работы уплотнения величина зазора может изменяться за счет введения корректирующей обратной связи по величине расхода газа в линиях утечек газа;- pollution of the gate gas does not lead to a change in the characteristics of the seal, because the clearance required for the seal operation can vary due to the introduction of corrective feedback on the gas flow rate in the gas leak lines;

- двойной контур системы уплотнения обеспечивает надежную работу уплотнения в случае выхода из строя одной из ступеней пары трения.- the double contour of the sealing system ensures reliable seal operation in the event of failure of one of the stages of the friction pair.

Claims

1. A tandem seal with active electromagnetic clearance control, comprising a housing, a thrust ring mounted on the rotor and axially spring-loaded axially movable rings on the rotor, forming pairs of seals with a thrust ring, an active electromagnetic gap control system comprising at least one the control loop of each of the gaps between the thrust and movable rings, each specified circuit includes a gap sensor and an electromagnet, characterized in that the stator of each ektromagnita connected to the housing, the movable seal ring of each pair is connected to the movable yoke of the electromagnet and corresponding to the movable portion corresponding to the gap between the sensor and the movable yoke housing.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the fixed part of each gap sensor is configured to axially measure the gap between the thrust ring and the housing.

3. The seal according to claim 1, characterized in that in each control loop, the gap sensor is connected to the winding of the electromagnet through a signal amplifier.