УПЛОТНЕНИЕ МАСЛЯНОЙ ПОЛОСТИ ОПОРЫ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
SEAL OIL CAVITY SUPPORT OF TURBOMACHINE ROTOR

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения масляной полости опор роторов турбомашин и газотурбинных двигателей.
Известно радиально-торцовое контактное уплотнение (см. а.с. СССР №15537774, МПК F16J 15/34, 9/14. Радиально-торцовое контактное уплотнение / А.И. Белоусов, С.В. Фалалеев, В.Б. Балякин, С.П. Сорока. - Опубл. 30.03.90. Бюл. №12), содержащее вращающуюся втулку, разрезное графитовое уплотнительное кольцо, контактирующее торцовой поверхностью с втулкой, а радиальной поверхностью - с корпусом, и устройство регулирования усилия прижатия уплотнительного кольца к корпусу, выполненное в виде пазов в уплотнительном кольце со стороны разрезов, в которые установлен элемент из пористого упругодемпфирующего материала.
Известно радиально-торцовое контактное уплотнение (см. а.с. СССР №1425401, МПК F16J 15/34. Радиально-торцовое контактное уплотнение / А.И. Белоусов, В.А. Зрелов, С.В. Фалалеев, В.Б. Балякин, Р.В. Харламов. - Опубл. 23.09.88. Бюл. №35), содержащее вращающуюся втулку, разрезное графитовое уплотнительное кольцо, контактирующее торцовой поверхностью с втулкой, а радиальной поверхностью - с корпусом, и кольцо из материала с большим коэффициентом теплового линейного расширения, расположенное концентрично с натягом внутри разрезного графитового уплотнительного кольца, с упором в торец этого кольца.
Известно также радиально-торцовое контактное уплотнение (РТКУ) (см. Эскин И.Д. Конструкция демпферов и контактных уплотнений опор роторов авиационных ГТД: на стр. 8, 9 и 10 / И.Д. Эскин. - Учебное пособие, Куйбышев: КуАИ, 1984. - 48 с.), содержащее разрезное графитовое уплотнительное кольцо, прижатое к корпусу РТКУ упругими силами этих колец и давлением воздуха в предмасляной полости опоры, поступающего из воздушной полости в роторе через отверстия в нем и лабиринтном кольце, а к торцовой поверхности втулки, напрессованной на вал ротора, - этим давлением воздуха, лабиринтное уплотнение, образованное лабиринтным кольцом, закрепленным на валу, и корпусом, уплотняющее предмасляную полость опоры. Втулка выполнена с отбортовкой, образующей кольцевую ванну, заполненную маслом. Во втулке сделаны равнораспределенные по окружности сквозные отверстия, через которые под действием центробежных сил масло из ванны поступает на смазку контактных поверхностей втулки и графитового уплотнительного кольца и равномерно размазывается по этим поверхностям вращающейся втулкой.
Это РТКУ по технической сущности наиболее близко к предлагаемому изобретению и принято за прототип.
Общими недостатками этих конструкций является то, что на рабочих режимах турбомашины при высоких рабочих температурах вследствие большой разницы в величинах коэффициента теплового линейного расширения материалов корпуса и уплотнительного кольца в разрезе уплотнительного кольца появляется зазор, через который происходит утечка воздуха в масляную полость опоры, а на переходных режимах работы турбомашины, когда давление воздуха мало, утечка масла из масляной полости опоры, и высока интенсивность износа уплотнительного кольца вследствие относительно высокой величины коэффициента трения скольжения на контактных поверхностях этого кольца и вращающейся втулки.
Кроме того, у уплотнения по а.с. СССР №15537774 утечка воздуха, а на переходных режимах работы турбомашины масла, происходит и через вставку из пористого материала.
Ставится задача создания конструкции радиально-торцового контактного уплотнения опор роторов турбомашин с меньшими, чем у известных конструкций РТКУ утечками масла и интенсивностью износа контактных поверхностей уплотнительного кольца, т.е. с большей, чем у известных РТКУ, наработкой до замены уплотнительного кольца.
Поставленная задача решается тем, что предлагается уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины, содержащее радиально-торцовое контактное уплотнение, состоящее из корпуса, образующего масляную полость опоры ротора, закрепленного на корпусе опоры, вращающуюся втулку, разрезное уплотнительное кольцо, контактирующее торцовой поверхностью с втулкой, а радиальной поверхностью - с корпусом, и лабиринтное уплотнение, уплотняющее предмасляную полость опоры, образованное корпусом и лабиринтным кольцом, закрепленным на роторе, причем разрезное уплотнительное кольцо прижато к корпусу упругими силами этого кольца и давлением воздуха в предмасляной полости опоры, поступающего из воздушной полости в роторе через отверстия в нем и лабиринтном кольце, а к торцовой поверхности втулки - давлением воздуха, и фланец втулки выполнен с отбортовкой, образующей кольцевую ванну, заполненную маслом, а во фланце втулки сделаны равнораспределенные по окружности сквозные отверстия, через которые под действием центробежных сил масло из ванны поступает на смазку контактных поверхностей втулки и разрезного уплотнительного кольца и равномерно размазывается по этим поверхностям вращающейся втулкой, отличающееся тем, что с натягом внутри разрезного уплотнительного кольца установлено второе разрезное уплотнительное кольцо, имеющее свободную консольную кольцевую цилиндрическую часть, по которой это кольцо, как и первое, установлено с натягом по цилиндрической поверхности этой части в корпус, встык с первым разрезным уплотнительным кольцом, до упора во втулку так, что разрезы уплотнительных колец расположены диаметрально противоположно, и в торец первого уплотнительного кольца запрессован штифт, входящий с зазором в глухое отверстие во втором разрезном уплотнительном кольце, и величина зазора в разрезах уплотнительных колец и величина натяга между разрезными уплотнительными кольцами и корпусом выбраны такими, чтобы при отсутствии избыточного давления воздуха в предмасляной полости опоры и температуре окружающей среды не происходил проворот разрезных уплотнительных колец относительно корпуса, а при максимальной рабочей температуре в опоре зазор в разрезах либо полностью выбирался, либо оставалась небольшая величина этого зазора, предпочтительно меньше 0,2 мм, а сами разрезные уплотнительные кольца изготовлены из бронзы БрС30, или второе разрезное уплотнительное кольцо изготовлено из бронзы БрС30, а первое - из графита.
Наличие в конструкции второго разрезного уплотнительного кольца, размещенного так, что его разрез расположен диаметрально противоположно разрезу первого уплотнительного кольца, исключает утечки воздуха или масла через разрезы колец даже при наличии зазоров в них.
Коэффициент трения скольжения бронзы БрС30 по стали при смазке по одному источнику (см. интернет, Справочник конструктора-машиностроителя, sprav-constr.ru/htm/tom1/pages/chapter1/ckm18.html) равен µ=0,004, а по другому источнику (см. Интернет, Марочник металлов, metallicheckiy-portal/ru/marki_metallov/broBrS30) µ=0,009, т.е. в 4,5÷10 раз меньше коэффициента трения скольжения графита, из которого делают разрезные уплотнительные кольца РТКУ, по стали при смазанных контактных поверхностях.
Это значит, что при том же усилии прижатия первого уплотнительного кольца к втулке момент трения, действующий на кольцо, а следовательно, работа трения и интенсивность износа уплотнительного кольца при изготовлении его из бронзы БрС30 будут также примерно в 4,5÷10 раз меньше, чем у прототипа.
Отметим также, что твердость бронзы выше, чем у графита и, следовательно, выше ее износостойкость.
Кроме того, бронза более теплопроводна, чем графит, и, следовательно, у предлагаемого уплотнения отвод тепла из зоны трения лучше, чем у прототипа.
Все это положительно сказывается на снижении интенсивности износа уплотнительного кольца предлагаемого уплотнения.
1
Коэффициент трения скольжения бронзы БрС30 по стали без смазки µ=0,165 (см. Марочник металлов).
Сравним крутящие моменты Мкр и Мкр1, при которых при одном и том же давлении воздуха в предмасляной полости опоры происходят проскальзывания втулки относительно первого уплотнительного кольца, и уплотнительных колец относительно корпуса. Рассмотрим худший по сравнению с практическими гипотетический случай, когда уплотнительные кольца установлены в корпус без натяга. Для простоты примем, что наружный диаметр втулки D и наружные диаметры уплотнительных колец одинаковы, а суммарная длина образующих цилиндрических поверхностей разрезных уплотнительных колец, контактирующих с корпусом, равна ширине L торцовой контактной поверхности втулки, измеренной в радиальном направлении. Тогда
1
Мкр1/Мкр=_2µ(1-L/D)/µ(1-L/2D).
Примем L/D=0,1. Тогда, при воздействии на уплотнительные кольца со стороны втулки некоторого момента Мкр (при заданном давлении воздуха в предмасляной полости опоры) проворот уплотнительных колец относительно корпуса не произойдет, так как для этого потребуется момент Мкр1, больший момента Мкр в 82 раза при µ=0,004 и приблизительно в 36 раз при µ=0,009.
Следовательно, даже в худшем гипотетическом случае запас надежности исключения проворота разрезных уплотнительных колец относительно корпуса у предлагаемого уплотнения очень большой.
Заметим, что благодаря наличию штифта, запрессованного в первое уплотнительное кольцо, кольца при возникновении условий, приводящих к провороту, будут вращаться совместно.
6
Коэффициент температурного линейного расширения (удлинения) бронзы БрС30 а·10=18,41/град (см. Марочник металлов) в 2÷2,6 раза больше, чем у стали. Поэтому с ростом рабочей температуры опоры натяг по цилиндрическим контактным поверхностям разрезных уплотнительных колец будет увеличиваться, в отличие от известных конструкций РТКУ, у которых он уменьшается. Кроме того, модуль упругости Е бронзы больше, чем у графита. С учетом описанного выше большого запаса по величине момента Мкр1 и этих положительных качеств предлагаемого уплотнения можно сделать вывод, что без нанесения ущерба его работоспособности начальный натяг по цилиндрическим контактным поверхностям разрезных уплотнительных колец, получаемый при сборке уплотнения, измеряемый не только в мм, но и Н, можно сделать меньшим, чем у известных конструкций РТКУ, удобным для сборки уплотнения.
В случае изготовления первого разрезного уплотнительного кольца из графита, как и у прототипа, с ростом температуры опоры ротора второе разрезное уплотнительное кольцо будет прижимать первое к корпусу. При этом зазор в разрезе первого кольца будет увеличиваться, но, в отличие от прототипа, не будет происходить утечка воздуха или масла через этот зазор.
Для того чтобы разрезные уплотнительные кольца своими торцами плотно без зазоров прижимались к торцу вращающейся втулки, эти торцы обрабатывают совместно в сборе этих колец.
Кроме того, с целью обеспечения гарантированного прижатия контактных поверхностей уплотнительных колец друг к другу и контактной поверхности втулки с исключением возможности проворота разрезных уплотнительных колец относительно корпуса на всех режимах работы турбомашины, а также при запуске и останове турбомашины, предлагается уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины, отличающееся тем, что суммарная длина образующих цилиндрических контактных поверхностей разрезных уплотнительных колец меньше или равна ширине торцовой контактной поверхности втулки, измеренной в радиальном направлении.
Большой запас по величине момента Мкр1 у предлагаемого уплотнения позволяет выполнять это уплотнение с суммарной длиной образующих цилиндрических контактных поверхностей разрезных уплотнительных колец, не только большей или равной ширине торцовой контактной поверхности втулки, измеренной в радиальном направлении, но и с меньшей, чем эта ширина. Это может оказаться важным при наличии жестких условий, ограничивающих габариты опоры.
С целью повышения качества смазывания контактных поверхностей первого разрезного уплотнительного кольца и втулки предлагается уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины, отличающееся тем, что на торцовой контактной поверхности фланца втулки по его периферии выполнены равнорасположенные по окружности канавки, выполненные по дуге окружности, отделяющие сегменты контактной поверхности, а каждое сквозное отверстие во фланце втулки выходит в свою канавку в радиальном сечении, соединяющем центры втулки и канавки.
Выполнение на торцовой контактной поверхности фланца втулки дугообразных канавок, равнорасположенных по окружности, сообщающихся с масляной полостью начальным и конечным сечениями, в которые масло под действием центробежных сил подается из масляной ванны, образованной отбортовкой фланца втулки, через отверстие, расположенное в среднем сечении каждой канавки, обеспечивает под действием этих сил полное заполнение канавок маслом, размазывание масла из канавок вращающейся втулкой равномерно по всем контактным поверхностям стыка втулки и первого разрезного уплотнительного кольца и, в конечном итоге, выброс всего масла, попавшего встык, под действием центробежных сил обратно в масляную полость опоры. Соответствующим подбором параметров отверстий и канавок можно добиться высокого качества смазывания контактных поверхностей стыка первого разрезного уплотнительного кольца и втулки, характеризуемого значением коэффициента трения скольжения µ=0,004(0,009) при высокой герметичности предлагаемого уплотнения.
Кроме того, с целью повышения герметичности предлагаемого уплотнения при неработающей турбомашине, ее запуске и останове предлагается уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины, отличающееся тем, что на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнена кольцевая канавка, в которой с натягом размещено разрезное стопорное кольцо, в которое упирается шайба, изготовленная из того же металла, что и корпус, и сцентрированная по его внутренней поверхности, а между шайбой и торцом второго уплотнительного кольца с упором в них с натягом вставлена пружина сжатия, выполненная в виде пакета гофрированных шайб, изготовленных холодной штамповкой из нагартованного тонкого шлифованного стального листа, собранных «гофр в гофр», причем шайбы выполнены без радиального разреза или с радиальным разрезом, в последнем случае в пакете шайбы размещены так, что их разрезы располагаются в вершинах гофров и равномерно размещены по окружности.
Выполнение каждой гофрированной шайбы с радиальным разрезом и размещение их в пакете так, что разрезы равномерно по окружности располагаются в вершинах гофров, позволяет обеспечить в собранном уплотнении концентричность и минимальную величину зазора между пакетом шайб и корпусом вплоть до нулевой (обеспечить центрирование в собранном уплотнении пакета по корпусу) и одинаковость сил давления каждого гофра пакета на второе уплотнительное кольцо, что благоприятно сказывается на интенсивности износа уплотнительных колец.
Конструкции предлагаемых уплотнений масляной полости опоры ротора турбомашины поясняются фигурами, на которых детали опор, неописанные в описании, показаны тонкой сплошной линией, как «обстановка» на сборочном чертеже.
На фиг. 1 изображен продольный разрез опоры ротора турбомашины с предлагаемым уплотнением.
На фиг. 2 изображен разрез по А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 изображен разрез по Б-Б на фиг. 2.
На фиг. 4 изображен вид по стр. В на фиг. 1 втулки с дугообразными канавками, выполненными на ее фланце.
На фиг. 5 изображен продольный разрез предлагаемого уплотнения масляной полости опоры ротора турбомашины с пружиной сжатия, выполненной в виде пакета гофрированных шайб.
Предлагаемое уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины (см. фиг. 1) содержит радиально-торцовое контактное уплотнение (РТКУ), состоящее из корпуса 1, образующего масляную полость 2 опоры ротора, закрепленного на корпусе опоры 3 с помощью шпилек 4, шайб 5 и самоконтряхщися гаек 6, вращающуюся втулку 7, два разрезных уплотнительных кольца 8 (первое уплотнительное разрезное кольцо) и 9 (второе уплотнительное разрезное кольцо), установленных в корпусе 1 встык друг к другу с натягом по цилиндрическим поверхностям колец так, что разрезы 10 уплотнительных колец 8 и 9 (см. фиг. 2) расположены диаметрально противоположно, и лабиринтное уплотнение, уплотняющее предмасляную полость 11 опоры ротора, образованное лабиринтным кольцом 12 (см. фиг. 1), закрепленным на роторе 13, и корпусом 1. Причем разрезное уплотнительное кольцо 9 расположено концентрично с натягом внутри разрезного уплотнительного кольца 8, а свободная консольная часть этого кольца контактирует с корпусом 1. Разрезные уплотнительные кольца 8 и 9 прижаты к корпусу 1 упругими силами этих колец и давлением воздуха в предмасляной полости 11 опоры ротора, поступающего из воздушной полости 14 в роторе 13 через отверстия 15 в нем и лабиринтном кольце 12, а к друг другу и торцовой поверхности втулки 7 - давлением воздуха. Фланец 16 втулки 7 выполнен с отбортовкой, образующей кольцевую ванну 17, заполненную маслом. Во фланце 16 сделаны равнораспределенные по окружности сквозные отверстия 18, через которые под действием центробежных сил масло из ванны поступает на смазку контактных поверхностей втулки 7 и разрезного уплотнительного кольца 8 и равномерно размазывается по этим поверхностям вращающейся втулкой 7. В торец уплотнительного кольца 8 запрессован штифт 19 (см. фиг. 2 и 3), входящий с зазором в глухое отверстие 20 в разрезном уплотнительном кольце 9. Величина зазора в разрезах 10 уплотнительных колец 8 и 9 (см. фиг. 2) и величина натяга между разрезными уплотнительными кольцами 8 и 9 и корпусом 1 выбраны такими, чтобы при отсутствии избыточного давления воздуха в предмасляной полости 11 опоры ротора и температуре окружающей среды не происходил проворот разрезных уплотнительных колец 8 и 9 относительно корпуса 1, а при максимальной рабочей температуре в опоре зазор в разрезах в случае, когда разрезные уплотнительные кольца 8 и 9 изготовлены из бронзы БрС30, либо полностью выбирался, либо оставалась небольшая величина этого зазора, например, меньше 0,2 мм, и при этом обеспечивалось удобство установки разрезных уплотнительных колец 8 и 9 в корпус 1 и прочность этих колец. В случае изготовления кольца 8 из графита допускается большая величина зазора в разрезе этого кольца.
При необходимости разрезные уплотнительные кольца 8 и 9 могут быть дополнительно зафиксированы от проворота с помощью штифта, запрессованного в корпус 1, входящего в ответный паз в уплотнительном кольце 9 (на фигуре не показано).
Предлагается также уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины (см. фиг. 1), отличающееся тем, что суммарная длина образующих цилиндрических контактных поверхностей разрезных уплотнительных колец 8 и 9 меньше или равна ширине каждой из торцовых контактных поверхностей этих колец и втулки 7, измеренной в радиальном направлении.
Предлагается уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины, отличающееся тем, что на торцовой контактной поверхности фланца 16 втулки 7 (см. фиг. 4) по его периферии выполнены равнорасположенные по окружности канавки 21, выполненные по дуге окружности, отделяющие сегменты 22 контактной поверхности, а каждое сквозное отверстие 23 во фланце 16 втулки 7 выходит в свою канавку 21 в радиальном сечении, соединяющем центры втулки и канавки.
Кроме того, предлагается уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины (см. фиг. 5), отличающееся тем, что на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнена кольцевая канавка 24, в которой с натягом размещено разрезное стопорное кольцо 25, в которое упирается шайба 26, изготовленная из того же металла, что и корпус 1, и сцентрированная по его внутренней поверхности. Между шайбой 26 и торцом разрезного уплотнительного кольца 9 с упором в них с натягом вставлена пружина сжатия 27, выполненная в виде пакета гофрированных шайб 28, изготовленных холодной штамповкой из нагартованного тонкого шлифованного стального листа, собранных «гофр в гофр». Причем шайбы 28 могут быть выполнены без радиального разреза или с радиальным разрезом 29. В последнем случае в пакете шайбы 28 размещены так, что их разрезы 29 располагаются в вершинах гофров и равномерно размещены по окружности (на фигуре не показано).
Сборка предлагаемых уплотнений проста и ясна из фигуры и не описывается.
Предлагаемое уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины работает следующим образом.
При останове турбомашины воздух из предмасляной полости 11 (см. фиг. 1) будет постепенно стравливаться через лабиринтное уплотнение и избыточное давление воздуха в этой полости будет падать медленнее, чем противодавление вспененного масла в масляной полости 2, и до полного останова ротора турбомашины разрезные уплотнительные кольца 8 и 9 этим избыточным давлением будут прижаты к друг к другу и втулке 7, а к цилиндрической поверхности корпуса 1 уплотнительные кольца 8 и 9 будут прижаты как этим избыточным давлением воздуха, так и упругими силами, обусловленными натягом между корпусом и кольцами, и даже, когда избыточные давления в обеих полостях 2 и 11 будут равны нулю (при неработающей турбомашине), стыки РТКУ будут закрыты. Следовательно, предлагаемое уплотнение будет герметичным в процессе останова турбомашины и при неработающей турбомашине. Причем в этом случае для раскрытия стыка между кольцами 8 и 9 и втулкой 7 надо будет преодолеть силы трения на цилиндрических поверхностях колец 8 и 9, контактирующих с корпусом 1, а для раскрытия стыка между этими кольцами и корпусом 1 - упругие силы, обусловленные натягом между корпусом и кольцами.
тр
При запуске турбомашины, даже в наиболее трудном случае, когда избыточное давление в масляной полости 2 будет нарастать существенно быстрее, чем избыточное давление в предмасляной полости 11, ввиду малой площади кольцевого пояска 30 (см. фиг. 1) уплотнительного кольца 8, на который действует противодавление масла в осевом направлении (ширина пояска в радиальном направлении не намного превышает допустимую величину смещения ротора в опоре, и, следовательно, может не превышать 0,5 мм), равнодействующая сил давления масла F мала и не может превышать даже при нулевом избыточном давлении воздуха в предмасляной полости 11 равнодействующей сил трения F, действующей на цилиндрических поверхностях уплотнительных колец 8 и 9, контактирующих с корпусом 1.
Поэтому предлагаемое уплотнение масляной полости опоры ротора турбомашины будет герметичным при запуске турбомашины.
Заметим, что для упрощения описания выше указано, что уплотнительные кольца 8 и 9 прижаты к втулке 7 избыточным давлением воздуха в предмасляной полости 11. Здесь просто пренебрегли влиянием силы F ввиду ее малости на силу прижатия этих колец к втулке 7.
С ростом температуры опоры ротора натяг между уплотнительными кольцами 8 и 9 и корпусом 1 будет возрастать, и предлагаемое уплотнение будет герметично на всех режимах работы турбомашины.
В ряде случаев полезным может оказаться постановка в уплотнение пружины сжатия 27, выполненной в виде пакета гофрированных шайб 28 (см. фиг. 5), так как это позволит снизить величину первоначального натяга между уплотнительными кольцами 8 и 9 и корпусом 1 и, следовательно, величину этого натяга при максимальной рабочей температуре опоры ротора, что в свою очередь облегчит установку колец 8 и 9 в корпус 1 и увеличит запас их прочности.
Кроме вышеописанных преимуществ, предлагаемое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин обладает еще следующими важными положительными качествами.
Оно расчетно.
Оно удобно для стендовой доводки уплотнения, особенно в случае, когда подшипник закрепляется на отдельной цапфе, закрепленной на роторе турбомашины. В этом случае стендовую доводку уплотнения можно производить в составе опоры ротора.
Оно позволяет статорным и вращающимся деталям опоры удлиняться и расширяться с ростом температуры, и сохраняет работоспособность и при обратном процессе при падении температуры.