ЛАБИРИНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
LABYRINTH PACKING

Предлагаемое изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно к конструкции лабиринтных уплотнений.
Известно лабиринтное уплотнение, образованное участками ступенчатых поверхностей вращающегося и неподвижного компонентов с соответствующей уплотняющей структурой. На ступенчатой поверхности вращающегося компонента уплотнения имеются гребни, причем каждая последующая ступень ниже предыдущей не более чем на половину высоты гребня. На ступенчатой поверхности неподвижного компонента расположены ответные сотовые элементы. Гребни и сотовые элементы находятся на определенном расстоянии друг от друга и образуют радиальный зазор (патент США №4554789, F01D 11/04).
Недостатком данной конструкции является увеличение радиального зазора уплотнения вследствие тепловых расширений на нестационарных режимах работы. При этом из-за небольшой высоты ступени в уплотнении возникает сквозная щель, что приводит к увеличению утечки рабочей среды и снижению тем самым эффективности уплотнения.
Наиболее близким устройством к предлагаемому по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является лабиринтное уплотнение, образованное участками ступенчатых поверхностей вращающегося компонента (ротора) и неподвижного компонента (статора) с соответствующей уплотняющей структурой. На ступенчатой поверхности ротора имеется, по меньшей мере, один периферийный зубец (гребень), причем высота ступени равна половине высоты гребня. На ступенчатой поверхности статора расположена ответная снашивающаяся часть (истираемые элементы). Гребень работает совместно с истираемым элементом и образует секцию уплотнения. Гребни и истираемые элементы находятся на определенном расстоянии друг от друга и образуют радиальный зазор, необходимый для предотвращения повреждений гребней. Радиальный зазор между гребнями и истираемыми элементами определяет поток утечек через лабиринтное уплотнение. Радиальная высота уплотнения определяется высотой и количеством ступеней (патент РФ №2357090, F02C 7/28, F01D 11/02).
Недостатком данной конструкции является то, что при изнашивании истираемых элементов радиальный зазор увеличивается, что приводит к возрастанию потока утечек, а следовательно, к снижению эффективности уплотнения. С увеличением количества ступеней увеличивается радиальная высота уплотнения, что не всегда допускается конструкцией и влияет на компактность уплотнения в радиальном направлении.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка конструкции лабиринтного уплотнения, обеспечивающей повышение эффективности уплотнения; сохранение работоспособности уплотнения при увеличении радиального зазора; компактность уплотнения в радиальном направлении.
Для решения поставленной задачи лабиринтное уплотнение содержит секции, каждая из которых состоит из гребня, расположенного на ступенчатой поверхности вращающегося компонента и ответного истираемого элемента, расположенного на ступенчатой поверхности неподвижного компонента. Секции объединены, по меньшей мере, в две группы. Последняя секция одной группы смещена относительно первой секции другой группы в радиальном и осевом направлениях на величину, не менее чем высота гребня.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет решить поставленную задачу, а именно:
- повышение эффективности уплотнения за счет снижения утечек рабочей среды, что достигается тем, что в пространстве между группами, образованном смещением секций, струя рабочей среды (воздуха, пара, газа) дважды меняет свое направление, создавая гидравлическое сопротивление;
- сохранение работоспособности уплотнения при увеличении радиального зазора за счет того, что в уплотнении не возникает сквозная щель, что достигается тем, что уплотнение образует группы и создает дополнительный лабиринт для прохождения рабочей среды, в котором возникает гидравлическое сопротивление;
- компактность конструкции уплотнения в радиальном направлении за счет выполнения групп, которые ведут к уменьшению радиальной высоты уплотнения. По сравнению с прототипом при тех же осевых размерах радиальная высота уменьшается с увеличением числа групп.
С целью дополнительного повышения эффективности уплотнения в предлагаемой конструкции внутри группы между секциями выполнен осевой дросселирующий зазор. Зазор образован торцевой поверхностью вращающегося компонента с гребнем предыдущей секции и торцевой поверхностью истираемого элемента следующей секции. Величина дросселирующего зазора составляет 0-0,3 высоты гребня. Дросселирующий зазор обеспечивает истечение струи рабочей среды с последующим ее расширением на входе в следующую секцию группы. Это создает гидравлическое сопротивление, что приводит к снижению утечек рабочей среды.
Новым в заявляемом изобретении является то, что секции уплотнения объединены, по меньшей мере, в две группы, причем последняя секция одной группы смещена относительно первой секции другой группы в радиальном и осевом направлениях на величину, не менее чем высота гребня.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности "новизна".
Анализ каждого из отличительных признаков показал, что объединение секций, по меньшей мере, в две группы, смещение последней секции одной группы относительно первой секции другой группы в радиальном и осевом направлениях на величину, не менее чем высота гребня, не выявлено из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертежах представлены примеры конкретного выполнения лабиринтного уплотнения.
На фиг.1 представлена компоновка уплотнения, имеющего 2 группы, причем последняя секция одной группы смещена относительно первой секции другой группы в радиальном и осевом направлениях на величину, равную высоте гребня.
На фиг.2 представлена компоновка уплотнения, имеющего 2 группы, причем последняя секция одной группы смещена относительно первой секции другой группы в радиальном направлении на величину, равную высоте группы, имеющей большее количество секций, а в осевом направлении - на величину, равную высоте секции.
На фиг.3 представлена компоновка уплотнения, имеющего 2 группы, причем последняя секция одной группы смещена относительно первой секции другой группы в радиальном направлении на величину, равную высоте секции, а в осевом направлении - на величину, равную высоте гребня.
Лабиринтное уплотнение содержит секции, каждая из которых состоит из гребня 1, расположенного на ступенчатой поверхности ротора 2 (вращающегося компонента) и ответного сотоблока 3 (истираемого элемента), расположенного на ступенчатой поверхности статора 4 (неподвижного компонента). Сотоблок 3 состоит из заполнителя, скрепленного с основанием. Заполнитель представляет собой сотовую структуру с ячейками, грани которых образованы тонкостенными полосами, соединенными между собой. Высота секции h определяется высотой s гребня 1 и высотой n сотоблока 3 с учетом радиального зазора δ между ними. Радиальный зазор δ между гребнем 1 и сотоблоком 3 определяет поток утечек через лабиринтное уплотнение. Секции объединены, по меньшей мере, в две группы. Высота группы Н прямо пропорциональна количеству секций в группе. В каждой группе может быть разное количество секций. Последняя секция одной группы смещена относительно первой секции другой группы в радиальном и осевом направлении на величину, не менее чем высота гребня 1 (Фиг.1). Таким образом, в пространстве 8 между группами, образованном смещением секций, струя рабочей среды (воздуха, пара, газа) дважды меняет свое направление.
Каждая секция в группе расположена ниже предыдущей на 0,7-1,0 высоты s гребня 1, образуя ступень 5 таким образом, что горизонтальная поверхность ротора 2 с гребнем 1 предыдущей секции и горизонтальная поверхность сотоблока 3 следующей секции образуют зазор β, величина которого определяется высотой m ступени 5 и величиной радиального зазора δ между гребнем 1 и сотоблоком 3. Это предотвращает касание горизонтальных поверхностей ротора 2 и сотоблока 3.
Внутри группы между секциями выполнен осевой дросселирующий зазор σ. Зазор образован торцевой поверхностью 6 ротора 2 с гребнем 1 предыдущей секции и торцевой поверхностью 7 сотоблока 3 следующей секции. Величина зазора σ составляет 0-0,3 высоты s гребня 1.
max
min
Радиальная высота L уплотнения определяется как радиальное расстояние между секциями уплотнения, имеющими максимальный D и минимальный D диаметры.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В секции уплотнения при прохождении струи рабочей среды через радиальный зазор δ между гребнем 1 и сотоблоком 3 часть потенциальной энергии струи рабочей среды переходит в кинетическую энергию. В результате резкого расширения кинетическая энергия струи частично гасится в пространстве за гребнем 1. Далее в результате соударения струи с торцевой поверхностью 7 сотоблока 3 следующей секции и поворота струи происходит потеря кинетической энергии. Рабочая среда поступает в следующую секцию уплотнения через дросселирующий зазор δ между торцевой поверхностью 6 ротора 2 с гребнем 1 предыдущей секции и торцевой поверхностью 7 сотоблока 3 следующей секции, где происходит истечение струи с расширением и дополнительной потерей энергии. Струя рабочей среды истекает из радиального зазора δ последней секции одной группы с дальнейшим расширением в пространстве 8 между группами, где дважды меняет свое направление. Это создает гидравлическое сопротивление и потерю энергии рабочей среды.
Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод о том, что предложенное устройство технически реализуется.
Следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности "промышленная применимость".