Способ уплотнения газообразной среды и рабочая камера уплотнителя
Изобретения относятся к области машиностроения, а именно двигателестроения, в частности к устройствам осуществления рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, компрессорной технике, в том числе оборудованию для газокомпрессорных станций. Способ уплотнения газообразной среды включает подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между разделительными стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через выпускные отверстия, выполненные около разделительных стенок в периферийной части камеры, последующую подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю. Уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки с периферийной частью камеры со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу вдоль периферийной стенки камеры к выпускному отверстию. Рабочая камера уплотнителя выполнена в виде полой оболочки, установленной на валу, размещена в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабжена входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры. Площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий. Внутренняя полость каждой секции снабжена экранирующей стенкой, образующей вместе с периферийной частью камеры уплотнительный канал для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием секции камеры, снабженный входным отверстием, выполненным в экранирующей стенке около разделительной стенки секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя. Повышается степень уплотнения газообразной среды, КПД, мощность и экономичность уплотнителя. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретения относятся к области машиностроения, а именно двигателестроения, в частности к способам и устройствам осуществления рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), компрессорной технике, в том числе оборудованию для газокомпрессорных станций.
Известны способы и устройства для генерации газообразной среды с повышенным давлением при использовании в двигателях внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С.Ховаха. М., «Машиностроение», 1977, 591 с.; А.Э.Симсон Газотурбинный наддув дизелей. М., «Машиностроение», 1964, 248 с.), а также транспортировки газа по трубопроводам.
Известен способ уплотнения газообразной среды (патент РФ №2221154), включающий подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через отверстия, выполненные около стенок в периферийной части камеры, подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю.
Особенность осуществления известного способа состоит в том, что часть подаваемой в камеру уплотнительного устройства газообразной среды, вследствие неодинакового давления газа у противоположных стенок секций, вызванного вращением камеры, может поступать непосредственно к выходным отверстиям и выходить наружу, минуя зону его уплотнения у периферийной стенки камеры. В результате понижается степень уплотнения газообразной среды, проходящей через камеру уплотнителя, повышаются энергозатраты на уплотнение газа, снижается мощность и КПД уплотнителя.
Известен уплотнитель газообразной среды (патент РФ №2221154), выполненный в виде центробежного устройства, содержащего привод, связанный с двигателем, корпус с полостью, снабженной входным каналом, сообщенным с выходом устройства образования газообразной среды, и выходными каналами, уплотнительную камеру, выполненную в виде полой оболочки, размещенной в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси, снабженную входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними перегородками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.
Особенность выполнения известного устройства состоит в том, что выходное отверстие камеры не защищено от поступления части подаваемой в камеру уплотнительного устройства газообразной среды непосредственно к выходным отверстиям и выходу ее наружу, минуя зону его уплотнения у периферийной стенки камеры. В результате понижается степень уплотнения газообразной среды, проходящей через камеру уплотнителя, повышаются энергозатраты на уплотнение газа, снижается мощность и КПД уплотнителя.
Предлагаемыми изобретениями решаются задачи повышения степени уплотнения газообразной среды, КПД, мощности и экономичности уплотнителя.
Увеличение степени уплотнения газа достигается за счет того, что весь газ, подаваемый в камеру уплотнительного устройства, заставляют проходить около периферийной стенки камеры, где он подвергается наибольшему уплотнению.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ и устройство.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ уплотнения газообразной среды, который, как и в патенте РФ №2221154, включает подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между разделительными стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через выпускные отверстия, выполненные около разделительных стенок в периферийной части камеры, последующую подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю
Отличительные признаки предлагаемого способа состоят в том, что уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки с периферийной частью камеры со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу вдоль периферийной стенки камеры к выпускному отверстию.
Для достижения указанного технического результата предлагается рабочая камера уплотнителя, которая, как и камера в патенте РФ №2221154, выполнена в виде полой оболочки, установленной на валу, размещенная в полости корпуса с возможностью вращения относительно оси вала, снабженная входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, внутренними разделительными стенками, образующими каналы, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий.
Отличительные признаки предлагаемого устройства состоят в том, что внутренняя полость каждой секции снабжена экранирующей стенкой, образующей вместе с периферийной частью камеры уплотнительный канал для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием секции камеры, снабженный входным отверстием, выполненным в экранирующей стенке около разделительной стенки секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
Дополнительными отличительными признаками устройств являются следующие:
- вход уплотнительного канала снабжен скосом, поверхность которого обращена в направлении вращения камеры уплотнителя;
- поверхность скоса выполнена плоской;
- поверхность скоса выполнена изогнутой, причем вогнутая сторона поверхности обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез уплотнителя, используемого в составе системы уплотнения газообразной среды с различными источниками газа для привода газовой турбины; на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1.
При осуществлении предложенного способа с помощью устройства, показанного на фиг.1 и фиг.2, выполняются следующие действия.
Газообразную среду, например, рабочего тела теплового двигателя подают через приосевое отверстие канала 8 в камеру 4 уплотнителя, вращающуюся вокруг оси 3 в полости 2 корпуса уплотнителя. Газообразную среду вращают вместе с камерой 4 и пропускают при этом между разделительными стенками 5 изолированных секций 6 в направлении от оси 3 к периферии камеры 4. Газообразную среду выпускают из камеры 4 уплотнителя через отверстия 13, выполненные около стенок 5 в периферийной части камеры 4. Уплотненную газообразную среду подают по соединительному каналу 15 к потребителю 16. Вращение газообразной среды вместе с камерой 4 осуществляют от рабочего колеса 21 газовой турбины, связанного с камерой 4 уплотнителя. Для этого через лопатки рабочего колеса 21 турбины пропускают газ повышенного давления от источника 23. При этом газообразную среду из камеры 4 уплотнителя выпускают в коллектор 24, образованный зазором между камерой 4 и стенкой полости 2 корпуса уплотнителя, откуда ее подают в соединительный канал 15.
При этом уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры 4 уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки 5 с периферийной частью камеры 4 со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу 26 вдоль периферийной стенки камеры 4 к выпускному отверстию 13.
Особенность осуществления предлагаемого способа состоит в том, что увеличение степени уплотнения газа достигается за счет того, что весь газ, подаваемый в камеру уплотнительного устройства, заставляют проходить около периферийной стенки камеры, где он подвергается наибольшему уплотнению.
Устройство для осуществления способа уплотнения газообразной среды (фиг.1 и фиг.2) выполнено в виде центробежного устройства и содержит корпус 1 с полостью 2, в которой на валу 3 установлена камера 4, снабженная внутри разделительными стенками 5, разделяющими ее полость на изолированные секции 6. Наружные стенки камеры 4 образуют с внутренними стенками полости 2 соответственно подобранные зазоры. Вал 3 установлен в корпусе 1 в самосмазывающемся подшипнике 7 с возможностью вращения относительно продольной оси. Камера 4 уплотнителя снабжена каналом 8, сообщенным с выходом канала 9 источника 10 уплотняемой газообразной среды. Канал 8 снабжен боковыми отверстиями 11. Секции 6 снабжены впускными отверстиями 12, выполненными в их приосевой части в виде радиальной проточки, сообщающей полости секций 6 с боковыми отверстиями 11 канала 8. Кроме того, секции 6 снабжены выпускными отверстиями 13, выполненными в их периферийной пристеночной части и периодически сообщаемыми посредством выходного канала 14 в корпусе с соединительными каналами 15. Выпускные отверстия 13 выполнены в периферийной части секций 6 и сообщены посредством выходного канала 14 и соединительного канала 15 с потребителем 16 уплотненной газообразной среды. Выпускные отверстия 13 секций 6 размещены в пристеночной части секций и смещены в направлении вращения (на фиг.2 обозначено - н.в.) камеры 4. Выпускные отверстия 13 соответственно подобраны впускным отверстиям 12. При этом площадь впускных отверстий 12 секций 6 превышает площадь их выпускных отверстий 13. Привод уплотнителя выполнен в виде газовой турбины, которая содержит корпус 17, снабженный полостью 18, входным 19 и выходным 20 каналами, рабочее колесо 21, установленное соосно на валу 3 камеры уплотнителя, размещенное в полости 18 корпуса турбины. Наружный диаметр камеры 4 уплотнителя выполнен превышающим диаметр рабочего колеса 21 турбины и подобран соответствующим мощности турбины и степени повышения плотности газа в уплотнителе. Входной канал 19 корпуса турбины сообщен с выходным устройством 22 источника сжатого газа 23. Выходной канал 14 корпуса 1 уплотнителя снабжен приемной полостью для газа, выполненной в виде кольцевого коллектора 24, который размещен в периферийной части полости корпуса камеры уплотнителя и расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры 4 уплотнителя.
Внутренняя полость каждой секции 6 снабжена экранирующей стенкой 25, образующей вместе с периферийной частью камеры 4 уплотнительный канал 26 для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием 13 секции камеры, снабженный входным отверстием 27, выполненным в экранирующей стенке 25 около разделительной стенки 5 секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
Вход уплотнительного канала 26 может быть снабжен скосом 28, поверхность которого обращена в направлении вращения камеры уплотнителя. Поверхность скоса может быть выполнена плоской 29 либо изогнутой 30, причем вогнутая сторона поверхности обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
Источником 23 сжатого газа для турбины может быть: баллон с устройством 22 регулирования и подвода газа; роторный, поршневой или газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, выходное устройство 22 которого снабжено выхлопным патрубком, сообщенным с входным каналом 19 корпуса турбины.
Источником 10 уплотняемой газовой среды может быть: атмосфера, газогенератор, газонаполненный трубопровод и др.
Потребителем 16 уплотненного газа может быть баллон, двигатель внутреннего сгорания, напорная ветвь газопровода, реактивное сопло.
Устройство для осуществления способа уплотнения газообразной среды работает следующим образом. При вращении вала 3 уплотняемый газ от источника 10 поступает в канал 9 и далее через боковые отверстия 11 канала 8 и впускные отверстия 12 попадает в секции 6 камеры 4, которая вращается вместе с валом 3. Поступивший в полости 6 газ прижимается к перегородкам 5 и таким образом вовлекается во вращение вместе с камерой 4. При этом под действием центробежных сил инерции газ перемещается в радиальном направлении вдоль перегородок 5 секций 6 от оси вращения к периферии камеры 4.
По мере удаления от оси вращения действие центробежных сил инерции возрастает. Возрастает и плотность газа.
Непосредственный выход газа из камеры 4 перекрывает экранирующая стенка 25, поэтому газ через входное отверстие 27 сначала попадает в уплотнительный канал 26, где он максимально уплотняется, а лишь затем по уплотнительному каналу 26 вдоль периферийной стенки камеры 4 поступает к выпускному отверстию 13. При этом на входе в уплотнительный канал 26 поток газа могут поворачивать с помощью скоса 28 в тангенциальном направлении, что увеличивает его абсолютную окружную скорость и повышает тем самым степень уплотнения.
Поскольку площадь впускных отверстий 12 превышает площадь выпускных отверстий 13, не весь поступивший в полости 6 газ успевает выйти через выпускные отверстия 13 и скапливается в периферийной части камеры 4, уплотняясь под действием центробежных сил и инерционного давления со стороны вновь поступающих порций газа. По мере увеличения массы скопившегося в камере 4 вещества возрастает сила давления на периферийные слои газа и, как следствие, увеличивается его расход через выпускные отверстия 13. При определенной скорости вращения камеры 4 наступает динамическое равновесие между количествами поступающего в камеру 4 и исходящего из нее вещества. Поскольку площадь впускных отверстий 12 превышает площадь выпускных отверстий 13, из камеры 4 выходит более плотное вещество.
В результате такого воздействия на выходе из камеры 4 уплотнителя газ имеет более высокую плотность, чем во входном канале 8. Кроме того, при вращении вместе с камерой 4 газ приобретает повышенную кинетическую энергию. Из камеры 4 газ поступает в коллектор 24, где продолжает по инерции вращаться по окружности в кольцевом канале с минимальным торможением. Уплотненный газ по мере потребности из коллектора 24 через выходной канал 14 поступает в соединительный канал 15.
Попав в соединительный канал 15, газ тормозится, что приводит к дополнительному повышению его давления и температуры при поступлении к потребителю 16.
Вращение вала 3 осуществляется за счет энергии сжатого газа, подводимого к рабочему колесу 21 турбины от источника 23. Вращение газообразной среды вместе с камерой 4 осуществляют от рабочего колеса 21 газовой турбины, расположенного на одном валу 3 с камерой 4 уплотнителя. Для этого через лопатки рабочего колеса 21 турбины пропускают газ от внешнего источника 23 газа с повышенным давлением.
Особенность предлагаемого устройства состоит в том, что увеличение степени уплотнения газа достигается за счет того, что весь газ, подаваемый в камеру уплотнительного устройства, заставляют проходить около периферийной стенки камеры, где он подвергается наибольшему уплотнению.
1. Способ уплотнения газообразной среды, включающий подачу газообразной среды, например, рабочего тела теплового двигателя, через приосевое отверстие в камеру уплотнителя, вращающуюся вокруг оси в полости корпуса уплотнителя, вращение газообразной среды вместе с камерой с пропусканием ее при этом между разделительными стенками изолированных секций в направлении от оси к периферии камеры, ее выпуск из камеры уплотнителя через выпускные отверстия, выполненные около разделительных стенок в периферийной части камеры, последующую подачу уплотненной газообразной среды по соединительному каналу к потребителю, отличающийся тем, что уплотненную газовую среду забирают из области внутренней полости камеры уплотнителя, расположенной около места пересечения разделительной стенки с периферийной частью камеры со стороны поверхности разделительной стенки, обращенной в направлении вращения камеры уплотнителя, и подают по уплотнительному каналу вдоль периферийной стенки камеры к выпускному отверстию.
2. Рабочая камера уплотнителя для осуществления способа по п.1, выполненная в виде полой оболочки, установленной на валу, размещенная в полости корпуса уплотнителя с возможностью вращения относительно оси вала, снабженная входным каналом, выполненным в ее приосевой части, выходными отверстиями, выполненными в ее периферийной части, разделительными стенками, образующими каналы изолированных секций, сообщенные с входным каналом и выходными отверстиями камеры, причем площадь поперечного сечения впускного канала камеры превышает суммарную площадь поперечного сечения выпускных отверстий, отличающаяся тем, что внутренняя полость каждой секции снабжена экранирующей стенкой, образующей вместе с периферийной частью камеры уплотнительный канал для газовой среды, сообщенный с выпускным отверстием секции камеры, снабженный входным отверстием, выполненным в экранирующей стенке около разделительной стенки секции, поверхность которой обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
3. Камера по п.2, отличающаяся тем, что вход уплотнительного канала снабжен скосом, поверхность которого обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
4. Камера по п.3, отличающаяся тем, что поверхность скоса выполнена плоской.
5. Камера по п.3, отличающаяся тем, что поверхность скоса выполнена изогнутой, причем вогнутая сторона поверхности обращена в направлении вращения камеры уплотнителя.
