Межвальное контактное уплотнение
INTERVAL CONTACT SEALING

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к уплотнениям масляных полостей опор роторов газотурбинных двигателей.
Известно радиально-торцевое контактное уплотнение опоры турбомашины, содержащее установленные на роторе турбомашины два упругих графитовых кольца с поперечными разрезами и два контактных кольца, торцевые поверхности которых выполнены контактирующими с соответствующими торцевыми поверхностями упругих графитовых колец. На роторе между контактными кольцами установлена распорная втулка. Уплотнение дополнительно содержит упругое кольцо с поперечным разрезом, контактирующее своими наружными коническими поверхностями с соответствующим коническим внутренними поверхностями упругих графитовых колец. Уплотнительная втулка своей внутренней цилиндрической поверхностью контактирует с наружной цилиндрической поверхностью упругих графитовых колец с поперечными разрезами (патент РФ №2 525 370, МПК F16J 15/30, F01D 11/00, опубл. 10.08.2014 г.).
Наиболее близким предлагаемому техническому решению является радиально-торцевое контактное уплотнение опоры турбомашины, содержащее установленные на роторе турбомашины два упругих графитовых кольца с поперечными разрезами и два контактных кольца, торцевые поверхности которых выполнены контактирующими с соответствующими торцевыми поверхностями упругих графитовых колец На роторе между контактными кольцами установлена распорная втулка. Уплотнение содержит третье упругое графитовое кольцо с поперечным разрезом, расположенное между упомянутыми упругими графитовыми кольцами, наружная цилиндрическая поверхность которого выполнена контактирующей с внутренней цилиндрической поверхностью уплотнительной втулки. Это кольцо контактирует своими внутренними коническими поверхностями с соответствующими коническими наружными поверхностями упругих графитовых колец (патент РФ №2516729, МПК F16J 15/30, F01D 11/00, опубл. 10.05.2014 г.).
Недостаток известных устройств состоит в том, что из-за отсутствия взаимной фиксированной угловой ориентации графитовых колец, в условиях работы межвального уплотнения соосных высокоскоростных роторов со встречным направлением вращения возможно достижение высокого уровня их скоростей скольжения относительно контактных колец, соответствующего сумме частот вращения роторов, с произвольным его изменением при смене режима работы турбомашины. Это ограничивает работоспособность известных устройств и снижает их надежность.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности межвального контактного уплотнения соосных высокоскоростных роторов со встречным направлением вращения.
При создании данного изобретения решается задача расширения арсенала технических средств - надежных межвальных контактных уплотнений соосных высокоскоростных роторов со встречным направлением вращения.
Поставленная задача решается тем, что в межвальном контактном уплотнении масляной полости опоры соосных высокоскоростных роторов встречного направления вращения турбомашины, содержащем графитовые уплотнительные кольца, контактирующие с торцевыми контактными поверхностями валов, в валу одного из роторов установлена обойма с возможностью ее вращения относительно общей оси вращения роторов, а графитовые уплотнительные кольца, с упругим элементом между ними, установлены в обойме в фиксированном угловом положении.
На фиг. 1 показано межвальное контактное уплотнение в разрезе; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1 в увеличенном виде.
Межвальное контактное уплотнение масляной полости 1 опоры 2 с подшипниками 3 и 4 валов соосных роторов высокого 5 и низкого давления 6, соответственно, содержит обойму 7, установленную с зазором в цилиндрической расточке (не показана), выполненной в валу ротора высокого давления 5. Внутри обоймы 7 установлены графитовые уплотнительные кольца 8, контактирующие с соответствующими торцевыми контактными поверхностями 9 и 10 валов соосных роторов высокого 5 и низкого давления 6. Между графитовыми уплотнительными кольцами 8 расположен упругий элемент в виде пружины 11. Для фиксации графитовых колец 8 в угловом положении на внутренней поверхности обоймы 7 и на графитовых уплотнительных кольцах 8 выполнены сопряженные пазы 12 и выступы 13. Вращение обоймы 7 относительно общей оси вращения роторов 14 обеспечено за счет образования цилиндрической наружной поверхностью обоймы 7 и цилиндрической расточкой (не показана), выполненной в валу ротора высокого давления 5, подшипника скольжения. В опоре 2 установлена форсунка 15 с соплом 16 для подачи масла в заборник 17, расположенный в валу ротора высокого давления 5. В валу ротора высокого давления 5 выполнены радиальные отверстия 18, сообщающиеся с масляной полостью 1.
Межвальное контактное уплотнение масляной полости опоры соосных высокоскоростных роторов встречного направления вращения турбомашины работает следующим образом.
При работе валы роторов высокого 5 и низкого давления 6 посредством подшипников 3 и 4 вращаются в опоре 2 относительно общей оси вращения роторов 14, навстречу друг другу с частотами вращения ωвд и ωнд соответственно, при этом абсолютное значение частоты вращения ротора высокого давления 5, как правило, выше частоты вращения ротора низкого давления 6, т.е. ωвд > ωнд. Торцевые поверхности 9 и 10 валов и графитовых уплотнительных колец 8 попарно контактируют между собой под действием усилия пружины 11. Идентичные геометрические размеры торцевых контактных пар «вал - графитовое уплотнительное кольцо» и равенство усилий со стороны пружины (упругого элемента) 11 обеспечивают равенство моментов трения скольжения в торцевых контактных парах «вал - графитовое уплотнительное кольцо». Вследствие этого обойма 7 в абсолютном движении имеет скорость вращения близкую к нулю, а валы роторов высокого 5 и низкого давления 6 вращаются относительно нее в противоположном направлении с частотой, равной ω = (ωвд + ωнд)/2, в том числе при изменении режима работы турбомашины и скоростей вращения ее роторов. При этом взаимная фиксированная угловая ориентация графитовых уплотнительных колец 8 сопряженными пазами 12 и выступами 13 обеспечивает уровень их скоростей скольжения относительно торцевых контактных поверхностей 9 и 10 валов соосных роторов высокого 5 и низкого давления 6, соответствующий частоте вращения ω = (ωвд + ωнд)/2, что повышает надежность межвального контактного уплотнения соосных высокоскоростных роторов со встречным направлением вращения.
Подшипник скольжения, образованный наружной поверхностью обоймы 7 и сопряженной цилиндрической поверхностью расточки (не показана) в валу ротора высокого давления 5, смазывается маслом, поступающим из сопла 16 форсунки 15 в заборник 17, при этом масло из подшипника скольжения удаляется под действием центробежных сил по радиальным отверстиям 18 в масляную полость 1.
Имеющие место при смене режима работы турбомашины взаимные смещения роторов высокого 5 и низкого давления 6 в осевом направлении компенсируются адекватным смещением графитовых уплотнительных колец 8 относительно обоймы 7 под действием усилия пружины 11 с обеспечением их постоянного контакта с соответствующими торцевыми контактными поверхностями 9 и 10 валов соосных роторов высокого 5 и низкого давления 6, что исключает произвольное изменение скоростей скольжения при смене режима работы турбомашины.
Таким образом, предлагаемое изобретение повышает надежность межвального контактного уплотнения соосных высокоскоростных роторов со встречным направлением вращения и обеспечивает расширение арсенала технических средств - надежных межвальных контактных уплотнений соосных высокоскоростных роторов со встречным направлением вращения.