Роторная объемная машина

Классификация по МПК: F01C

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2138650
Дата публикации: 
Понедельник, Сентябрь 27, 1999
Начало действия патента: 
Среда, Январь 21, 1998

Роторная объемная машина может быть использована в области энергетического машиностроения. Роторная объемная машина содержит корпус, установленные внутри него роторы с валами, на которых размещены узлы уплотнения. Каждый узел уплотнения выполнен в виде последовательно установленных лабиринтного уплотнения, уплотнения, состоящего из неподвижной втулки и самоустанавливающегося кольца, а также манжетных уплотнений, размещенных в съемной втулке. Повышается надежность работы. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.
, ,

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а более конкретно - к роторной объемной машине, например к паровой расширительной машине, в которой происходит преобразование энергии сжатого пара во вращательный момент, снимаемый с выходного вала для привода, например, электрогенератора.

Известна роторная объемная машина, содержащая корпус с впускными и выпускными каналами, расположенные в расточках корпуса ведущий, ведомый и полый золотник, центробежный регулятор скорости с подвижным штоком и пружиной, причем внутри золотника установлен стакан, закрепленный одним концом на корпусе, а шток снабжен выступом и расположен внутри стакана вместе с пружиной, при этом последняя одним концом упирается в днище стакана, а другим - в выступ штока (см. авторское свидетельство СССР N 853312, F 01 C 1/16, 1981).

В данном устройстве используется винтовая расширительная машина, в которой сжатый газ подводится через впускной канал и профилированные окна в расширительную полость роторов, приводя их во вращение. Вращение от роторов передается через шестерни к вилке центробежного регулятора, на котором установлены грузики. Под действием центробежных сил грузики поворачиваются вокруг своих осей и воздействуют на шток, который, преодолевая усилие пружины, перемещает полый золотник. Двигаясь прямолинейно по расточке корпуса, пояски золотника перекрывают или открывают окна, через которые сжатый газ поступает в рабочую полость роторов. Изменение площади этих окон приводит к изменению степени расширения объемной машины: при уменьшении площади окон увеличивается степень расширения и уменьшается расход газа, а при увеличении площади окон степень расширения уменьшается, а расход газа увеличивается. Соответственно этому изменяется и крутящий момент выходного вала объемной машины.

Недостатком данного устройства является то, что оно достаточно сложно по конструкции и поэтому недостаточно надежно в работе. Кроме того, уплотнение валов роторов не обеспечивает достаточно хорошей герметичности и поэтому возможно проникновение масла в рабочую полость роторов и проникновения газа в масляную систему устройства, где расположены синхронизирующие шестерни, а также шестерни, соединяющие ведущий вал машины с центробежным регулятором. В первом случае это приведет к утечкам масла из масляной системы, а во втором случае - к вспениванию масла и недостаточно хорошей смазке шестерен. Все это отразится на надежности работы данной объемной машины.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по достигаемому результату и числу совпадающих признаков является роторная объемная машина, содержащая корпус с входной и выходной магистралями, установленные внутри корпуса роторы с валами, подшипники и синхронизирующие шестерни, обеспечивающие бесконтактное сопряжение роторов, причем с одной стороны узлов уплотнения помещены роторы, установленные в рабочей полости корпуса, а с другой - подшипники и синхронизирующие шестерни, установленные в масляной полости корпуса (см. авторское свидетельство СССР N 215388, МКИ F 04 C 18/16, 1968).

В данном устройстве представлена винтовая объемная машина со сдвоенными роторами. Впуск сжатого газа осуществляется со стороны свободных торцев роторов, а выпуск - в радиальном направлении через окна, расположенные над стыками роторов. Оба сопряженные пары роторов имеют циклоидальный профиль зубьев одинакового размера и отличаются лишь направлением спирали. Между симметричными частями каждого сдвоенного ротора расположены небольшие участки с цевочными профилями. Все три части одноименных роторов жестко соединены между собою при помощи штифта и выполнены за одно целое с валами, на концах которых установлены узлы уплотнения, подшипники и синхронизирующие шестерни.

Узлы уплотнения представляют собой две обоймы, одна из которых размещена на валу и в ней выполнены канавки для установки в них разрезных колец, а другая - на корпусе и в нее упираются эти разрезные кольца. Во время работы машины разрезные кольца под действием перепада давлений отжимаются в радиальном направлении к наружной обойме и в горизонтальном направлении - к одной из сторон канавки, тем самым достигается достаточно хорошая, но неполная герметичность. При работе данного уплотнения в воздушной винтовой объемной машине проникновение газа в масляную систему или масла в рабочую полость корпуса несущественно скажется на работе этой машины.

При работе данного уплотнения в паровой расширительной машине такая герметичность не является вполне достаточной для нормальной работы этой турбины. Это связано с тем, что во время расширения пара образуется конденсат, который может проникнуть в масляную систему машины, в результате чего масло смешивается с водой и образуется водомасляная смесь. Как правило, масляная система такой машины используется в системах регулирования, например, частоты вращения последней. Наличие воды приведет к изменению настройки поддержания частоты вращения машины, кроме того, наличие воды в масляной системе приводит при длительной эксплуатации к коррозии тех деталей, которые расположены в ней, например, подшипники и шестерни.

Следует еще заметить, что данная конструкция уплотнения хорошо работает в машине небольших габаритов. При работе такого уплотнения для валов с большими габаритами износ отдельных частей этого уплотнения резко возрастает.

Перечисленные выше недостатки приводят в конечном счете к снижению надежности работы объемной машины.

Задачей изобретения является повышение надежности работы объемной расширительной машины.

Указанная задача достигается тем, что в роторной объемной машине, например в паровой расширительной машине, содержащей корпус с входной и выходной магистралями, установленные внутри корпуса роторы с валами, на которых размещены узлы уплотнения, подшипники и синхронизирующие шестерни, обеспечивающие бесконтактное сопряжение роторов, причем с одной стороны узлов уплотнений помещены роторы, установленные в рабочей полости корпуса, а с другой - подшипники и синхронизирующие шестерни, установленные в масляной полости корпуса, каждый узел уплотнения выполнен в виде последовательно установленных лабиринтного уплотнения, уплотнения, состоящего из неподвижной втулки и самоустанавливающегося кольца, образующего с последней неподвижное торцевое уплотнение и с валом - радиальный зазор размером меньшим, чем радиальный зазор лабиринтного уплотнения того же вала с корпусом, а также манжетных уплотнений, размещенных в съемной втулке, при этом в неподвижной втулке выполнена внутренняя канавка, соединенная через эжектор с утилизационной паровой полостью, а между манжетами выполнена полость, связанная с дренажом, в эжекторе сопло подключено к входной магистрали, а его камера смешения - к внутренним канавкам неподвижных втулок узлов уплотнения.

Перечисленные выше новые признаки в данной паровой роторной объемной машине являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данную паровую роторную объемную машину от всех известных роторных объемных машин, и при наличии этих признаков добиваемся получение положительного эффекта, а именно - повышения надежности работы роторной объемной машины.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез данной машины, на фиг. 2 - продольный разрез последней, на фиг. 3 - вид на узел уплотнения, установленный в данной машине.

Роторная объемная машина содержит корпус 1 с входной магистралью 2, выходной магистралью 3, установленные внутри корпуса 1 роторы 4 и 5 с валами 6, на которых размещены узлы 7 уплотнения, подшипники 8 и синхронизирующие шестерни 9, причем роторы 4 и 5 установлены в рабочей полости 10 корпуса, а подшипники 8 и 9 в масляной полости 11.

Каждый узел 7 уплотнения (см. фиг. 3) выполнен в виде последовательно установленных лабиринтного уплотнения 12, уплотнения, состоящего из неподвижной втулки 13 и прижатого к ней торцем самоустанавливающегося кольца 14, образующего с валом 6 радиальный зазор "А", величина которого меньше величины радиального зазора "Б", образованного лабиринтным уплотнением 12 того же вала 6 с корпусом, а также манжетных уплотнений 15, расположенных в съемной втулке 16. Во втулке 13 выполнена внутренняя канавка 17, соединенная через эжектор 18 с утилизационной паровой полостью (на чертеже не указана), а между манжетами 15 - полость 19, соединенная через полость 29 с дренажом (не указан).

В эжекторе 18 сопло 20 связано с входной магистралью 2, а камера 21 смешения - с внутренними канавками 17 втулок 13 узлов 7 уплотнения.

Масляная полость 11 корпуса 1 через штуцер 22 связана с масляным насосом 23, который через канал 24 связан с маслобаком 25. Привод насоса 23 осуществляется через вал 6 от ротора 5. Во втулке 13 выполнен канал 26, и она образует с корпусом 1 полость 27, а во втулке 16 - канал 28, и она образует с корпусом 1 полость 29. Кроме того, во втулке 16 установлены уплотнительные кольца 30. Между подшипниками 8 и буртиками валов 6 установлены кольца 31.

Паровая роторная объемная машина работает следующим образом.

Через входную магистраль 2 под давлением подается перегретый водяной пар к роторам 4 и 5. Порция водяного пара, поступая в полость 33, на лопасти ротора 4 создает перепад давлений, под действием которого последний поворачивается по часовой стрелке, отсекая эту порцию от входной магистрали 2. Одновременно поворачивается и ротор 5, который связан с ротором 4 при помощи синхронизирующих шестерен 9, обеспечивающих бесконтактное сопряжение роторов 4 и 5. В полости 33 происходит расширение пара с падением давления и его температуры, в результате чего пар переходит из перегретого состояния во влажное состояние с выделением конденсата. Под действием центробежных сил часть конденсата отбрасывается к периферии роторов, заполняя зазоры между ними и корпусом 1. Другая же часть размещается в торцевых зазорах между роторами 4 и 5 и корпусом 1. Давление в этих зазорах еще значительное, и поэтому при подходе пара и конденсата к лабиринтному уплотнению 12 узла 7 на последнем будет существовать определенный перепад давлений. Под действием этого перепада часть пара и конденсата начинает по зазорам "Б" проникать в это лабиринтное уплотнение, которое состоит из определенного количества поясков. В этих поясках постепенно происходит падение давления. В полости 32 давление значительно упадет, однако оно еще достаточно для того, чтобы поджать левый торец самоустанавливающегося кольца 14 к неподвижной втулке 13, образуя торцевое неподвижное уплотнение. Кольцо 14 с валом 6 образует зазор "А" меньший по размеру, чем зазор "Б". При этом кольцо 14 устанавливается концентрично валу 6 под действием перепада давлений пара в зазоре "А" и снаружи кольца 14.

Пар и конденсат, прошедший через кольцо 14, засасывается во внутреннюю канавку 17 втулки 13 и через канал 26 и полость 27 направляется к камере 21 смешения эжектора 18, где, смешиваясь с потоком, поступающим через сопло 20, поступает в утилизационную полость машины.

Манжетные уплотнения 15 узла 7 препятствуют проникновению пара со стороны неподвижной втулки 13 и масла со стороны масляной полости 11, однако в случае проникновения через эти уплотнения как масла, так пара и конденсата последние поступают в полость 19 съемной втулки 16. Из полости 19 по каналу 26 все содержимое поступает в полость 29, откуда оно направляется в дренаж.

Таким образом, узлы 7 уплотнения, размещенные на валах 6 объемной машины, позволяют в максимальной степени исключить попадание масла в рабочую полость 10 корпуса 1, а также пара и конденсата - в масляную полость 11 этого же корпуса.

В данной объемной машине ротор 5 приводит во вращение маслонасос 23, который обеспечивает подачу масла для смазки и охлаждения подшипников 8 и синхронизирующих шестерен 9. Маслобак 25 служит для размещения дополнительного объема масла и связан каналом 24 с маслонасосом 23 и сливными каналами с масляными полостями 11.

Для преобразования скорости вращения вала 4 в частоту электрических импульсов в данной машине предусмотрен датчик 34 частоты вращения, который передает эти сигналы в автоматическую систему управления подачей пара в паровую роторную объемную машину.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Роторная объемная машина, например паровая расширительная машина, содержащая корпус с входной и выходной магистралями, установленные внутри корпуса роторы с валами, на которых размещены узлы уплотнения, подшипники и синхронизирующие шестерни, обеспечивающие бесконтактное сопряжение валов, причем с одной стороны узлов уплотнения помещены роторы, а с другой - подшипники и синхронизирующие шестерни, установленные в масляной полости корпуса, отличающаяся тем, что каждый узел уплотнения выполнен в виде последовательно установленных лабиринтного уплотнения, уплотнения, состоящего из неподвижной втулки и самоустанавливающегося кольца, образующего с последней неподвижное торцевое уплотнение и с валом радиальный зазор размером, меньшим, чем радиальный зазор лабиринтного уплотнения того же вала с корпусом, а также манжентных уплотнений, размещенных в съемной втулке, причем в неподвижной втулке выполнена внутренняя канавка, соединенная через эжектор с утилизационной полостью, а между манжетами выполнена полость, связанная с дренажом.

2. Роторная расширительная манжета по п.1, отличающаяся тем, что в эжекторе сопло соединено с входной магистралью, а его камера смешения - с внутренними канавками неподвижных втулок узлов уплотнений.