ЩЕТОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
BRUSH SEAL

[0001] Настоящее изобретение относится к щеточному уплотнительному узлу, а более конкретно к щеточному уплотнительному узлу с опорной пластиной, имеющей, по меньшей мере, один опорный зубец для выборочного контакта с уплотняющей поверхностью.
[0002] Щеточные уплотнения (US 2002/0140175) широко используются в ряде устройств, таких как газовые и паровые турбины, и обычно применяются для герметизации зазора, расположенного между вращающимся валом и неподвижной частью конструкции. Щеточные уплотнения содержат множество щетинок, которые расположены между передней и опорной пластинами. Щетинки проходят в направлении к уплотняющей поверхности и обеспечивают герметизацию между вращающимся валом и неподвижной частью конструкции.
[0003] Опорная пластина щеточного уплотнения обеспечивает осевую опору для щетинок, а также частично закрывает зазор, расположенный между вращающимся валом и неподвижной частью конструкции. По существу для предотвращения контакта опорной пластины и вращающегося вала во время работы между ними предусмотрен зазор. Этот зазор иногда называют расстоянием отнесения опорной пластины. Расстояние отнесения опорной пластины обычно больше стандартного зазора между металлическими деталями. Для улучшения прижимающей характеристики щеточного уплотнения и уменьшения износа щетинок расстояние отнесения уменьшают так, что увеличивается опора щетинок, и они подвергаются меньшему изгибающему напряжению при нагружении давлением. Однако уменьшение расстояния отнесения может увеличить риск трения о вращающийся вал во время переходных режимов, таких как прохождение системой резонансной скорости, или в случае достижения теплового равновесия между элементами. Если расстояние отнесения выбрано некорректно, поверхность опорной пластины, расположенная против вращающегося вала, может деформироваться при трении о вращающуюся поверхность вала во время переходных режимов.
[0004] В случае если опорный выступ опорной пластины стерт, края опорной пластины могут стать неровными и прерывистыми. Это может вызвать затруднения, так как щетинки не будут легко скользить по опорной пластине.
Если щетинки застревают на неровном краю опорной пластины, они могут погнуться и износиться в случае отклонения вращающегося вала. Таким образом, опорная пластина должна обеспечивать осевую опору для щетинок, но в то же время по существу предотвращать контакт с вращающимся валом.
[0005] Существует несколько способов уменьшения или предотвращения контакта поверхности опорной пластины с подвижным элементом с обеспечением при этом осевой опоры для щетинок. Например, один из способов - нанесение на поверхность опорной пластины трибологически совместимого покрытия, либо верхний слой пластины делают более устойчивым к стиранию. Другой способ состоит в применении материала, который облегчает трение между опорной пластиной и вращающейся поверхностью для по существу предотвращения деформации выступа опорной пластины. Однако эти решения могут увеличить стоимость и сложность щеточного уплотнения. В еще одном способе передняя пластина устанавливается с относительно малым зазором, так чтобы выполнять функции бамперного элемента, защищающего опорную пластину, но это нежизнеспособный вариант, так как при этом образуется струйный поток, который может дестабилизировать щетинки щеточного уплотнения, вызывая вибрации и относительно быстрое изнашивание. Поэтому было бы желательно создать приемлемую по цене систему для уменьшения контакта между опорной пластиной щеточного уплотнения и вращающимся валом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Согласно одному аспекту изобретения предложено щеточное уплотнение, имеющее уплотняющую поверхность, боковую пластину, опорную пластину, множество щетинок и поджимающий элемент. Опорная пластина выборочно расположена в стационарном положении и имеет, по меньшей мере, один опорный зубец и опорный выступ. У опорного зубца есть поверхность зубца, а у опорного выступа есть поверхность выступа. Зазор зубца измеряется между поверхностью зубца и уплотняющей поверхностью. Зазор выступа измеряется между поверхностью выступа и уплотняющей поверхностью. Зазор зубца меньше зазора выступа. Щетинки расположены между боковой пластиной и опорной пластиной и имеют концевую часть для уплотнения с уплотняющей поверхностью. Поджимающий элемент прикладывает поджимающую силу к опорной пластине, направленную в сторону уплотняющей поверхности. Опорный зубец выполнен с возможностью выборочного контакта с уплотняющей поверхностью. При контакте опорного зубца с уплотняющей поверхностью опорная пластина сдвигается из стационарного положения к поджимающему элементу. Поджимающая сила возвращает опорную пластину обратно в стационарное положение.
[0007] Эти и другие преимущества станут более очевидны из последующего описания, приведенного в сочетании с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Предлагаемое изобретение ясно описано в формуле изобретения. Вышеприведенные и другие особенности и преимущества изобретения очевидны из дальнейшего подробного описания, приведенного в сочетании с чертежами, на которых:
[0009] Фиг.1 изображает пример щеточного уплотнения в разрезе, а [0010] фиг.2 изображает часть щеточного уплотнения, изображенного на фиг.1
[0011] Подробное описание изобретения объясняет варианты выполнения изобретения, вместе с его преимуществами и особенностями, с помощью примеров и чертежей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Фиг.1 иллюстрирует пример щеточного уплотнения 10, расположенного между вращающимся элементом 20 и корпусом 22 машины. Уплотнение 10 может быть использовано в любом случае, где необходимо уплотнение между двумя областями с разным давлением. Например, уплотнение 10 можно использовать в газовой или паровой турбине, компрессоре или насосе. Уплотнение 10 содержит боковую пластину 26, опорную пластину 28, множество уплотняющих щетинок 30 и поджимающий элемент 32. Щетинки 30 расположены между боковой пластиной 26 и опорной пластиной 28. Щетинки 30 обычно изготавливают из нержавеющей стали, сплава Хейнс 25 или сплава никеля и кобальта, также возможно использование других материалов.
[0013] У щетинок 30 есть первая концевая часть 40 и вторая концевая часть 42. Первая концевая часть 40 расположена между двумя боковыми направляющими 44, 46, причем первая направляющая соединена с боковой пластиной 26, а вторая направляющая 46 - с опорной пластиной 28. Направляющие 44, 46 оказывают сжимающее усилие для закрепления и удержания щетинок 30 на месте. В одном из вариантов направляющие 44, 46 соединены с щетинками 30 с помощью сварки. Вторая концевая часть 42 щетинок 30 выполнена с обеспечением уплотнения с уплотнительной поверхностью 48 вращающегося элемента 20. В одном из вариантов вторая концевая часть 42 щетинок 30 контактирует с уплотняющей поверхностью 48 во время работы вращающегося элемента 20. Уплотняющие щетинки 30 могут быть наклонены в направлении вращения. А именно, согласно фиг.2, щетинки 30 наклонены в направлении вращения R вращающегося элемента 20.
[0014] Согласно фиг.2 уплотнение 10 имеет кольцевую конфигурацию. В одном из вариантов уплотнение 10 может быть разделено на сегменты, где уплотняющие щетинки 10 разделены на отдельные участки или сегменты 50, расположенные по периметру уплотнения 10. Сегменты 50 могут облегчить сборку уплотнения 10 между вращающимся элементом 20 и корпусом 22 машины. Уплотнение 10 может содержать любое количество сегментов 50 щетинок, например, четыре, шесть или восемь отдельных сегментов. Согласно фиг.1-2 поджимающий элемент 32 расположен в углублении 51 корпуса 22 машины, между уплотнением 10 и корпусом 22. Поджимающий элемент 32 расположен между нижней поверхностью 53 углубления и верхней поверхностью 55 опорной пластины 28. Каждая отдельная часть 50 уплотнения 10 может иметь, по меньшей мере, один соответствующий поджимающий элемент 32. В показанном варианте выполнения элемент 32 выполнен в виде плоской пружины, однако подразумевается, что также могут использоваться и другие виды поджимающих элементов. К примеру, в других случаях элемент 32 может быть выполнен в виде волновой или цилиндрической пружины.
[0015] Рассмотрим снова фиг.1. У корпуса 22 есть зацеп или выступ 54, используемый для взаимодействия с соответствующим участком 56 опорной пластины 28 и обеспечения поддержки для этого участка. У пластины 28 имеется как минимум один опорный зубец 52 и опорный выступ 60. И опорный зубец 52, и опорный выступ 60 являются выступами, проходящими наружу от внешней поверхности 62 пластины 28. Опорный выступ 60 расположен вдоль пластины 28 для упора в уплотняющие щетинки 30 и обеспечения опоры щетинкам в осевом направлении. Опорный зубец 52 расположен ближе к уплотняющей поверхности 48 вращающегося элемента 20, чем опорный выступ 60. По существу, у опорного зубца 52 есть поверхность 66 зубца, а у опорного выступа 60 есть поверхность 68 выступа. Зазор С1 зубца измеряется между поверхностью 66 зубца и уплотняющей поверхностью 48, а зазор С2 выступа измеряется между поверхностью 68 выступа и уплотняющей поверхностью 48. Зазор С1 зубца меньше зазора С2 выступа. В одном из примеров размер зазора С1 зубца находится в диапазоне от примерно 0,63 мм (0,025 дюйма) до примерно 3,42 мм (0,135 дюйма), а размер зазора С2 выступа находится в диапазоне от примерно 0,38 мм (0,015 дюйма) до примерно 3,05 мм (0,12 дюйма). Так, разница между зазорами С1 и С2 находится в диапазоне от примерно 0,25 мм (0,010 дюйма) до примерно 0,38 мм (0,015 дюйма).
[0016] Опорный зубец 52 выполнен с возможностью выборочного контакта с уплотняющей поверхностью 48 вращающегося элемента 20. А именно зубец 52 расположен так, что в случае приближения опорной пластины 28 вплотную к уплотняющей поверхности 48 вращающегося элемента 20 только зубец 52 имеет возможность контакта с уплотняющей поверхностью 48. Таким образом, контакт между опорным выступом 60 и уплотняющей поверхностью 48 по существу исключается. Опорный зубец 52 опорной пластины 28 обычно контактирует с уплотняющей поверхностью 48 во время отклонения вращающегося элемента, которое может произойти из-за тепловых переходных режимов или вибраций ротора при переходе через резонансную скорость. Обычно у опорного зубца 52 две функции. Первая - опорный зубец 52 по существу обеспечивает защиту выступа 68 опорной пластины в случае отклонения ротора или температурного сжатия. Вторая функция опорного зубца 52 - выступать в роли резервного уплотнения.
[0017] В примере, приведенном на фиг.1, опорная пластина 28 находится в стационарном положении S. Опорная пластина 28 остается в стационарном положении S во время нормальной работы до тех пор, пока опорный зубец 52 не коснется уплотняющей поверхности 48 вращающегося элемента 20 во время тепловых переходных условий работы, таких как, например, запуск и остановка. Контакт опорного зубца 52 с уплотняющей поверхностью 48 приводит к тому, что опорная пластина 28 выводится из стационарного положения S и проталкивается в первом направлении D1 к поджимающему элементу 32. А именно согласно фиг.1-2 контакт между опорным зубцом 52 и уплотняющей поверхностью 48 вызывает смещение сегментного участка 50 щеточного уплотнения 10 из стационарного положения S, радиально в сторону от вращающегося элемента 20 так, что опорный выступ 60 по существу не стирается вращающимся валом 20.
[0018] Поджимающий элемент 32 прикладывает поджимающую силу F к опорной пластине 28. Сила F направлена в сторону уплотняющей поверхности 48 вращающегося элемента 20. Если опорный зубец 52 контактирует с уплотняющей поверхностью 48 вращающегося элемента 20, соответствующий сегментный участок 50 щеточного уплотнения 10 смещается радиально наружу и в направлении поджимающего элемента 32. Поджимающий элемент 32 прикладывает поджимающую силу F, направленную в сторону уплотняющей поверхности 48 вращающегося элемента 20, что возвращает сегмент 50 обратно в стационарное положение S.
[0019] Опорный зубец 52 используется для уменьшения или по существу исключения контакта опорного выступа 60 с ротором 20, при этом также уменьшая зазор С2 между опорным выступом 60 и уплотняющей поверхностью 48. А именно зазор С2 выступа опорной пластины 28, содержащей опорный зубец 28, по существу меньше зазора С2 выступа опорной пластины 28, имеющей опорный зубец 28. Зазор С2 выступа должен быть уменьшен до наименьшего возможного размера для обеспечения осевой опоры уплотняющих щетинок, но в то же время по существу исключая контакт с вращающимся валом 20 путем истирания опорного зубца 52 в случае трения. При этом опорный зубец 52 может также выступать в роли резервного уплотнения.
[0020] Хотя изобретение подробно описано при помощи ограниченного количества вариантов выполнения, подразумевается, что оно не ограничено этими описанными вариантами выполнения. Более того, изобретение может быть модифицировано и может включать любое количество вариаций, замен или эквивалентных решений, не описанных выше, но которые соответствуют сущности и объему изобретения. Также, хотя были описаны несколько вариантов выполнения изобретения, должно быть понятно, что аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных примеров. Соответственно, изобретение не ограниченно предшествующим описанием, а ограничено только объемом прилагающейся формулы.