ПРИВОДНОЙ УЗЕЛ НА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ В РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ (ВАРИАНТЫ)
DRIVE ASSEMBLY ON FLUID MEDIUM, AND MOVEMENT METHOD OF ADJUSTABLE SEAL IN RADIAL DIRECTION (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к приводу для турбомашин и его применению. Более конкретно, изобретение относится к приводу для турбомашин, который включает поршневое кольцо улучшенной конфигурации для уплотнения между поршнем привода и цилиндром, и улучшенный способ для приведения в действие регулируемого уплотнения в турбомашинах.
Уровень техники
Приводы на текучей среде в турбомашине обычно подвергаются жестким условиям среды с очень высокими температурами и давлением и использованием высоких давлений запуска до 3000 фунтов на квадратный дюйм для перемещения элементов, таких как уплотнительные кольца и регулируемые уплотнения (см. заявку на патент США 2002/0145259).
Один фактор, ограничивающий величину усилия, которое может быть приложено к приводу, представляет собой эффективность уплотнения привода. Чем более эффективно уплотнение, тем меньше утечка приводной текучей среды и больше возможное приводное усилие. Когда уплотнение становится менее эффективными, в каждом приводе возможны меньшие приводные усилия, таким образом, для перемещения требуемого элемента должно быть использовано большее количество приводов. Если обеспечено более эффективное уплотнение, возможно увеличение величины усилия, прикладываемого каждым приводом, и поэтому количество приводов, необходимых для перемещения требуемых элементов, может быть уменьшено.
Сильфонный привод является одним из типов приводов, используемых в применениях турбомашин. Сильфонный привод содержит цилиндр с поршнем, расположенным в нем, и сильфон, соединяющий поршень с цилиндром, обеспечивающий уплотнение между цилиндром и поршнем, и, таким образом, создающий область высокого давления и область низкого давления. Посредством сильфона, установленного на месте, имеет место практически нулевая утечка между областью высокого давления и областью низкого давления. Однако сильфон подвержен повреждениям в условиях, таких как избыточное давление привода, обратное давление через привод, боковые нагрузки, влага в приводном воздухе, грязь рабочей среды, и в других условиях, ограничивающих ресурс сильфона и, следовательно, эффективный ресурс привода. Повреждение сильфона может привести к сокращению максимального приводного усилия, которое привод может надежно прикладывать, или к полностью нефункционирующему приводу.
Альтернативой сильфонному приводу является привод с уплотняющим поршневым кольцом. Подобно сильфонному приводу привод с уплотняющим поршневым кольцом содержит цилиндр с расположенным в нем поршнем. В этом случае, однако, уплотнение обеспечено одним или более поршневыми кольцами, вставленными в канавки поршневого кольца или канавки в поршне, или в качестве альтернативы вставленными в канавку или канавки в цилиндре. В то время как уплотнение поршневого кольца менее подвержено повреждению, чем уплотнение сильфона, при высоком давлении и температуре, которые присутствуют в среде турбомашины, обычный привод с уплотнением поршневого кольца подвержен утечке между поршневым кольцом и стенкой цилиндра, и между поршневым кольцом и канавкой поршневого кольца. Из-за этой утечки приводное усилие привода с обычным размещением уплотнения поршневого кольца также ограничено, и необходимо больше приводов, чем требуемое количество для перемещения элементов в турбомашине. Кроме того, необходимо больше приводной текучей среды для обеспечения требуемого приведение в действие.
Как описано выше, предпочтительно иметь приводы с длительным сроком службы, которые имеют почти нулевую утечку при высоком давлении, высокой температурной среде в турбомашине. К приводу с более длительным сроком службы и более эффективным уплотнением могут быть приложены большие приводные усилия, таким образом, сокращая количество приводов, необходимых для перемещения требуемого элемента. Приводы с незначительной утечкой также требуют меньше приводной текучей среды, что делает проще общую конструкцию приводной системы. Необходима конструкция уплотнения привода с длительным сроком службы и имеющая практически нулевую утечку из области высокого давления привода в область низкого давления привода.
Раскрытие изобретения
Задачей, на которой направлено настоящее изобретение, является создание приводного узла для текучей среды, имеющего длительный срок службы и практически нулевую утечку из области высокого давления привода в область низкого давления привода, а также способа перемещения регулируемого уплотнения в радиальном направлении.
Указанная задача решается посредством приводного узла на текучей среде, содержащего цилиндр, имеющий впускное отверстие, поршень, расположенный по меньшей мере частично в цилиндре, одну или более кольцевых канавок, расположенных в одном из поршня или цилиндра, одно или более поршневых колец, расположенных в одной или более кольцевой канавке так, что образуется зазор между диаметром поршневого кольца и диаметром кольцевой канавки, и по меньшей мере одну пружину рядом с одним или более поршневым кольцом и на поверхности высокого давления одного или более поршневого кольца так, что пружина предварительно нагружает одно или более поршневое кольцо для уплотнения между поверхностью низкого давления одного или более поршневого кольца и поверхностью низкого давления кольцевой канавки.
По меньшей мере одна пружина предпочтительно представляет собой волнистую пружину, имеющую кольцевую форму, вставленную в каждую кольцевую канавку поршня рядом с одним или более поршневым кольцом и на поверхности высокого давления одного или более поршневых колец так, что образуются зазоры между первой поверхностью волнистой пружины и поверхностью высокого давления одного или более поршневых колец и между второй поверхностью волнистой пружины и поверхностью высокого давления кольцевой канавки поршня, так, что волнистая пружина предварительно нагружает одно или более поршневых колец для уплотнения между поверхностью низкого давления одного или более поршневых колец и поверхностью низкого давления кольцевой канавки.
По меньшей мере одна пружина предпочтительно представляет собой винтовую пружину.
По меньшей мере одна пружина предпочтительно представляет собой один или более сегментов плоской пружины.
Каждое поршневое кольцо предпочтительно имеет прорезь от внутреннего диаметра к внешнему диаметру, обеспечивающую легкость установки поршневого кольца в одну или более кольцевую канавку.
Одно или более поршневых колец предпочтительно установлены в одну или более кольцевую канавку так, что угловое положение прорези в каждом поршневом кольце отличается от углового положения прорези в расположенном рядом поршневом кольце.
По меньшей мере одна волнистая пружина предпочтительно имеет прорезь от внутреннего диаметра к внешнему диаметру, обеспечивающая легкость установки волнистой пружины в одну или более кольцевую канавку.
Цилиндр предпочтительно выполнен из более износостойкого материала, чем одно или более поршневых колец.
Указанная задача также решается посредством способа перемещения регулируемого уплотнения в радиальном направлении, при котором перемещают регулируемое уплотнение в осевом направлении, размыкают основной осевой контакт между регулируемым уплотнением и поверхностью первичного уплотнения, уменьшают радиальное усилие давления, действующего на регулируемое уплотнение, и уменьшают величину усилия, требуемого для радиального перемещения регулируемого уплотнения, и перемещают регулируемое уплотнение в радиальном направлении.
Указанная задача также решается посредством способа перемещения регулируемого уплотнения в радиальном направлении, при котором перемещают регулируемое уплотнение в осевом направлении, размыкают основной контакт между регулируемым уплотнением и поверхностью первичного уплотнения, образуют контакт между регулируемым уплотнением и поверхностью вторичного уплотнения, уменьшают радиальное усилие давления, действующего на регулируемое уплотнение, и уменьшают величину усилия, требуемого для радиального перемещения регулируемого уплотнения, и перемещают регулируемое уплотнение в радиальном направлении.
Техническим результатом, который достигается посредством настоящего изобретения, является упрощение конструкции приводного узла, увеличение срока его службы и улучшение его уплотнения, что в совокупности приводит к улучшению работоспособности приводного узла, что позволяет решить указанную задачу изобретения.
Эти и другие задачи и признаки настоящего изобретения станут более очевидными из дальнейшего описания, приведенного с сопутствующими чертежами.
Краткое описание чертежей
Объект, рассматриваемый в настоящем изобретении, подробно показан и отчетливо заявлен в формуле изобретения. Указанные и другие задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из следующего подробного описания, сопровождаемого чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид в поперечном разрезе приводного узла, содержащего поршневые кольца.
Фиг.2 представляет собой увеличенный вид области А, обведенной кружком на фиг.1.
Фиг.3 представляет собой вид альтернативного варианта осуществления приводного узла, содержащего поршневые кольца.
Фиг.4 представляет собой вид поршневого кольца.
Фиг.5 представляет собой частичный внутренний вид поршневых колец и установленной волнистой пружины или плоской пружины.
Фиг.6 представляет собой вид в поперечном сечении регулируемого уплотнения.
Фиг.7 представляет собой частичный внутренний вид поршневых колец и установленной винтовой пружины.
Подробное описание поясняет варианты осуществления изобретения, вместе с преимуществами и признаками, посредством примера со ссылкой на чертежи.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на фиг.1, приводной узел 10 содержит поршень 12, который расположен, по меньшей мере, частично в цилиндре 14. Поршень 12 образует одну или более канавок 16 поршневого кольца по окружности поршня 12, в которые вставлено одно или более поршневое кольцо 20. Как показано на фиг.2, одно или более поршневое кольцо 20 расположено в одной или более канавке 16 поршневого кольца у поверхности 24 низкого давления каждой канавки 16 поршневого кольца, и прижаты к поверхности 24 низкого давления посредством вставления волнистой пружины 22 в каждую канавку поршневого кольца 16 со стороны 20 высокого давления одного или более поршневых колец. Использование волнистой пружины 22 для предварительной нагрузки одного или более поршневых колец 20 к поверхности 24 низкого давления каждой канавки 16 поршневого кольца создает уплотнение между одним или более поршневых колец 20 и стороной 24 низкого давления, предотвращая утечку от поверхности 42 высокого давления приводного узла 10 к стороне 44 низкого давления приводного узла 10.
В качестве альтернативы, как показано на фиг.3, в цилиндре 14 может быть расположена одна или более канавка 16 поршневого кольца. В этом варианте осуществления одно или более поршневых колец 20 расположены в одной или более канавке 16 поршневого кольца у стороны 24 низкого давления каждой канавки 16 поршневого кольца, и прижаты к стороне 24 низкого давления вставлением волнистой пружины 22 в каждую канавку 16 поршневого кольца у стороны высокого давления одного или более поршневых колец 20.
Возвращаясь снова к фиг.2, параметры одного или более поршневых колец 20, тип материала, количество, толщина, и радиальная ширина, выбираются так, что одно или более поршневое кольцо 20 соответствует внутреннему диаметру 32 цилиндра 14, и таким образом, эффективно уплотняют приводной узел 10, при этом смещая износ к более легко заменяемому одному или более поршневому кольцу 20. Например, использование множества тонких поршневых колец 20 может быть более желательным, чем использование одного относительно толстого поршневого кольца 20 в том же самом приводном узле 10, потому что объединенная осевая жесткость в направлении, параллельном оси поршня 12 множества тонких поршневых колец 20 такая же, что и жесткость одного толстого поршневого кольца 20, и тонкие поршневые кольца 20 соответствуют лучше внутреннему диаметру 32 цилиндра 14 ввиду их более низкой жесткости в перпендикулярном направлении относительно оси поршня.
Каждое поршневое кольцо 20 имеет внутренний диаметр 26, который меньше, чем диаметр 28 поршня 12, но больше, чем диаметр 30 одной или более канавки поршневого кольца 16; и внешний диаметр 40, который является достаточно большим для уплотнения с внутренним диаметром 32 цилиндра, когда приводной узел 10 внутренне находится под давлением. Как показано на фиг.4, каждое поршневое кольцо 20 содержит прорезь 34 для обеспечения разделения концов 36 поршневого кольца 20 и затем установки поршневого кольца 20 в канавке 16 поршневого кольца.
Для уменьшения утечки со стороны 42 высокого давления приводного узла 10 к стороне 44 низкого давления приводного узла 10, прорезь 34 в каждом поршневом кольце 20 образует соединение внахлест, как показано на фиг.4, таким образом, оставляя маленький и извилистый путь утечки между концами 36 каждого поршневого кольца 20, когда поршневое кольцо 20 установлено на поршне 12. Кроме того, в случае, когда множество поршневых колец 20 вставлено в каждую канавку 16 поршневого кольца, поршневые кольца 20 образуют стопку, когда установлены так, что каждая прорезь 34 расположена на 180 градусов по кругу от прорези 34 в поршневом кольце 20, расположенном рядом с ним. Например, если прорезь 34 в первом поршневом кольце 20 в стопке из трех поршневых колец 20 расположена приблизительно в 0°, то прорезь 34 во втором поршневом кольце 20 расположена приблизительно в 180°, и прорезь 34 в третьем поршневом кольце 20 расположена приблизительно в 0°. Ориентация таким образом прорезей 34 в соответствующих поршневых кольцах 20 приводит ко вторичному извилистому пути утечки от каждой прорези 34 поршневого кольца к каждой другой прорези 34 поршневого кольца, таким образом, уменьшая до минимума утечку от стороны 42 высокого давления к стороне 44 низкого давления.
Волнистая пружина 22 вставлена в каждую одну или более канавку 16 поршневого кольца со стороны 42 высокого давления приводного узла 10. Волнистая пружина 22 имеет волнообразную форму по окружности. Как показано на фиг.5, волнистая пружина 22 такая, что когда волнистая пружина 22 вставлена в канавку поршневого кольца 16, образуются зазоры между волнистой пружиной 22 и расположенным рядом поршневым кольцом 20, и между волнистой пружиной 22, и поверхностью 46 высокого давления канавки 16 поршневого кольца. Настоящее изобретение не ограничено использованием волнистой пружины 22, вставленной в каждую канавку 16 поршневого кольца. Могут быть использованы другие типы пружин, например, винтовая пружина 84, как показано на фиг.7, или сегменты плоской пружины, которые также показаны на фиг.5, расположенные по окружности.
Волнистая пружина 22 действует для предварительного поджатия поршневых колец 20 к поверхности 24 низкого давления каждой одной или более канавки 16 поршневого кольца, таким образом, уменьшая до минимума утечку со стороны 42 высокого давления приводного узла 10 к стороне 44 низкого давления приводного узла 10. Волнистая пружина 22 имеет прорезь подобно каждому поршневому кольцу 20 для облегчения ее установки в одну или более канавку 16 поршневого кольца. Для дополнительного уменьшения до минимума утечки волнистую пружину 22 вставляют в канавку 16 поршневого кольца так, что прорезь в волнистой пружине 22 находится приблизительно на 180 градусов относительно прорези 34 в расположенном рядом поршневом кольце 20. Таким образом, поршневые кольца 20 предварительно прижаты к поверхности 24 канавки 16 поршневого кольца, обеспечивая начальное уплотнение прежде, чем приводной узел 10 будет находиться под давлением.
В одном варианте осуществления цилиндр 14 имеет внутренний диаметр 32 больший, чем поршень 12, и поршень 12, который в нем расположен. Кроме того, основание 50 цилиндра 14 имеет форму усеченного конуса. Форма усеченного конуса увеличивает прочность и жесткость цилиндра 14, в результате чего увеличена толщина центра основания 50 цилиндра 14, что обеспечивает цилиндру 14 большую способность выдерживать высокие давления приводной текучей среды, не испытывая больших деформаций или повреждений. Как показано на фиг.1, цилиндр 14 содержит впускное отверстие 52, которое обеспечивает введение приводной текучей среды снаружи цилиндра 14 во внутреннюю часть цилиндра 14.
В другом варианте осуществления цилиндр 14 может также иметь канавку 54 однородности потока в основании внутреннего диаметра 32 внутри цилиндра 14. Канавка 54 однородности потока находится в таком месте, чтобы выровнять давление по окружности цилиндра 14 в момент начальной подачи давления в приводной узел 10. Первоначально поршень 12 полностью отодвинут, опираясь на основание 50 цилиндра 14. Когда приводная текучая среда поступает в цилиндр 14 через впускное отверстие 52, приводная текучая среда сначала заполняет канавку 54 однородности потока по полной окружности, и затем поднимают поршень 12. Выровненное давление по окружности цилиндра 14 из-за присутствия канавки 54 однородности потока вызывает начальное перемещение поршня 12 ближе к параллели внутреннего диаметра 32 цилиндра 14. Это уменьшает потенциальный износ и увеличивает потенциальную работоспособность привода.
В еще одном варианте осуществления и как показано на фиг.1, чтобы предотвратить вращение поршня 12 относительно цилиндра 14 в течение работы приводного узла 10, цилиндр 14 также имеет синхронизирующий паз 58 в основании 50. В соответствующем месте на нижней поверхности 62 поршня 12 находится выступающий из нее синхронизирующий стержень 60. Когда поршень 12 приводится в действие в цилиндре 14, синхронизирующий штырь 60 остается расположенным в синхронизирующем пазу 58, и таким образом предотвращается вращение поршня 12 относительно цилиндра 14.
Поршень 12 и одно или более поршневых колец 20 обеспечивают уникальный способ усиления уплотнения между поршнем 12, одним или более поршневым кольцом 20, и внутренним диаметром 32 цилиндра 14 во время работы приводного узла 10. Когда в приводном узле 10 первоначально создано давление приводной текучей средой, поступающей через впускное отверстие 52 цилиндра 14, приводная текучая среда заполняет зазор между волнистой пружиной 22 и канавками 16 поршневого кольца, зазор между волнистой пружиной 22 и расположенным рядом поршневым кольцом 20 и пространство 64 между внутренним диаметром 26 одного или более поршневых колец 20 и диаметром 30 канавки 16 поршневого кольца. Давление приводной текучей среды в пространстве 64 оказывает радиально направленное наружу усилие на одно или более поршневое кольцо 20, таким образом, усиливая уплотнение между одним или более поршневым кольцом 20 и внутренним диаметром 32 цилиндра 14. Улучшенное уплотнение приводного узла 10 обеспечивает более высокое давление текучей среды в приводном узле 10, приводящее к максимально возможным приводным усилиям.
В одном варианте осуществления цилиндр 14 выполнен из материала с большими износостойкими свойствами, чем одно или более поршневых колец 20. Тогда, так как приводной узел 10 функционирует через какое-то время, форма одного или более поршневых колец 20 будет соответствовать внутреннему диаметру 32 цилиндра 14. Таким образом, уплотнение между одним или более поршневым кольцом 20 и внутренним диаметром 32 цилиндра 14 будет дополнительно улучшено.
Другим вариантом изобретения является улучшенный способ приведения в действие регулируемого уплотнения, используя описанные выше приводы, уплотненные поршневым кольцом. На фиг.6 показан один такой способ приведения в действие. В этом случае приводное усилие 82 сначала приложено по оси, а не радиально. Как только осевое нагружающее усилие 80 преодолено, и контакт у поверхности 76 первичного уплотнения нарушен, текучая среда под высоким давлением может вытечь из полости 74, таким образом выравнивания распределенное давление вокруг регулируемого уплотнения 70. Таким образом, когда выполнено радиальное приведение в действие регулируемого уплотнения 70, требуемое приводное усилие меньше, и усилия, действующие на регулируемое уплотнение 70, не изменяются так резко, и перемещение регулируемого уплотнения 70 может контролироваться более точно. Кроме того, этот способ помогает уменьшать размер и количество необходимых приводов, потому что регулируемое уплотнение 70 больше не находится в контакте с поверхностью 76 первичного уплотнения во время радиального приведения в действие. Таким образом, имеет место существенное сокращение необходимого приводного усилия из-за большого уменьшения радиального усилия давления и устранения межповерхностной силы трения.
В качестве альтернативы, может быть осуществлен способ приведения в действие, в котором осевое приведение в действие регулируемого уплотнения 70 может перемещать уплотненную поверхность от поверхности 76 первичного уплотнения к поверхности 78 вторичного уплотнения. Это приводит к низкому давлению над регулируемым уплотнением 70, и, таким образом, усилие, необходимое для перемещения регулируемого уплотнения 70 в радиальном направлении, значительно уменьшается. Следовательно, количество и размер приводов, необходимых для перемещения регулируемого уплотнения 70, могут быть уменьшены.
Хотя варианты осуществления изобретения были описаны выше, понятно, что специалисты в данной области техники могут сделать различные улучшения и усовершенствования, которые находятся в рамках формулы изобретения, приведенной ниже. Эта формула изобретения должна быть рассмотрена для обеспечения надлежащей охраны впервые описанного изобретения.