ЩЁТОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
BRUSH SEAL

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в любых устройствах, где требуется исключить или снизить перетечки уплотняемой среды из одной полости в другую, расположенные между элементами конструкции. Устройство может быть использовано для уплотнения воздушных (газовых) или масляных полостей.
Для уплотнения полостей, расположенных между элементами конструкции, распространение получили щеточные уплотнения. При уплотнении полостей ставится задача исключения или существенного снижения перетечек уплотняемой среды из одной полости в другую. При этом перетечки возникают не только через зазор между частями механизма, но и через элементы конструкции уплотнения. Перетечки через зазор можно снизить, уменьшая величину зазора. А перетечки через элементы конструкции щеточного уплотнения - через проволочки, образующие щетку, - уменьшая зазор между этими проволочками.
Известно уплотняющее устройство для турбины высокого давления турбомашины (RU 2296866) содержащее щеточное уплотнение образованное эластичными уплотняющими волокнами, причем у каждого волокна имеется основной участок и второй участок, соединенные изогнутым участком, отличающееся тем, что дополнительно содержит изогнутую в сечении гибкую прокладку, которая имеет свободный конец, упирающийся одновременно в волокна щеточного уплотнения и в уплотняемую поверхность так, что концы волокон щеточного уплотнения постоянно соприкасаются с уплотняемой поверхностью.
Конструкция такого устройства обладает следующими недостатками: волокна уплотнения уложены произвольно, что приводит к появлению зазоров между волокнами на разных радиусах расположения этих волокон и не обеспечивает надежного уплотнения полостей. Кроме того, наличие дополнительных элементов, таких как гибкая прокладка, усложняет конструкцию и удорожает производство таких уплотнений.
Известен узел многостержневого щеточного уплотнения для роторных установок (RU 2309314), содержащий удлиненный держатель стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока стержня щетки, плотно соединенных вместе в упомянутом держателе стержней щетки, образуя единый узел, при этом множество блоков стержня щетки плотно соединено в шахматном порядке в держателе стержней щетки, причем каждый упомянутый блок стержня щетки содержит держатель щетины, и множество щетинок, соединенных с держателем щетины.
Конструкция такого щеточного уплотнения обладает следующими недостатками:
Щетинки уплотнения расположены в держателе без изгиба самих щетинок, что неизбежно приводит к появлению зазоров между щетинками на разных радиусах расположения щетинок и не обеспечивает надежного уплотнения полостей из-за протечек уплотняемой среды между щетинками. Кроме того, такая конструкция требует достаточно много места для монтажа, что существенно ограничивает возможности ее применения.
Известно принятое за прототип динамическое щеточное уплотнение (RU 2454558), образованное неметаллическими щетинками, содержащее кожух для щетинок, закрепленный на роторе или на статоре и отличающееся тем, что щетинки опираются на статор или ротор с наклоном со стороны уплотнения с меньшим давлением.
Конструкция такого уплотнения обладает следующими недостатками:
Щетинки уплотнения уложены в тангенциальном направлении произвольно, что неизбежно приводит к появлению зазоров между щетинками на разных радиусах расположения щетинок и не обеспечивает надежного уплотнения полостей из-за протечек уплотняемой среды между щетинками. Кроме того, использование неметаллических щетинок не позволяет использовать такое уплотнение при высоких температурах.
Технический результат, заключающийся в обеспечении надежного уплотнения полостей между вращающимися и неподвижными элементами конструкции различных механизмов, в том числе работающих в условиях высоких температур достигается тем, что согласно изобретению щеточное уплотнение содержит устанавливаемый на статоре кольцевой браслет-щетку, состоящий из тонких металлических проволочек, и втулку, которая устанавливается на ротор напротив радиальной щетки, причем проволочки браслета-щетки уложены в плоскости перпендикулярной оси вращения в радиальном направлении и закреплены в кольцевой металлической обойме, при этом образующие щетку проволочки согнуты в форме эвольвенты.
Эвольвента обладает свойством постоянства расстояния (в том числе равного нулю) между двумя одинаковыми кривыми (эвольвентами) вдоль самих этих эвольвент, построенных от одного центра и от одного радиуса. Если проволочки уплотнения браслетного типа уложены по кругу в радиальном направлении в плоскости перпендикулярной оси ротора, то минимальный (в том числе нулевой) зазор, а, следовательно, и минимальные перетечки уплотняемой среды между проволочками, обеспечиваются при изгибании этих проволочек только по форме эвольвенты. Таким образом, изгиб проволочек по эвольвенте позволяет минимизировать зазор между отдельными проволочками вплоть до нулевого.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - щеточное уплотнение с кольцевым браслетом,
Фиг. 2 - щеточное уплотнение с кольцевым браслетом из двух рядов,
Фиг. 3 - щеточное уплотнение с кольцевым браслетом в виде двух рядов отдельных сегментов
где
1 - проволочная щетка;
2 - обойма;
3 - втулка.
Щеточное уплотнение предназначено для минимизации перетечек уплотняемой среды с одной стороны уплотнения на другую и содержит устанавливаемый на статоре кольцевой браслет-щетку, состоящий из тонких металлических проволочек, и втулку, которая устанавливается на ротор напротив радиальной щетки. Кольцевая браслет-щетка включает обойму 2 с проволочной щеткой 1 и устанавливается на статоре. А на роторе напротив проволочной щетки 1 устанавливается втулка 3.
Под действием перепада давления между уплотняемыми полостями уплотняемая среда перетекает через зазор между проволочной щеткой 1 и втулкой 3, а также через зазоры между проволочками щетки 1. Минимизация перетечек достигается за счет уменьшения зазора между щеткой 1 и втулкой 3, а также за счет уменьшения зазора между отдельными проволочками, что в свою очередь достигается за счет изгиба проволочек щетки по форме эвольвенты и монтажа этих проволочек в обойме с минимальным (вплоть до нулевого) зазором.
Перетечки через зазор между щеткой 1 и втулкой 3 определяются перепадом давления между полостями и величиной этого зазора, т.е. конструктивными особенностями устройства, в котором установлено уплотнение. Изгиб проволочек щетки по форме эвольвенты и монтаж этих проволочек в обойме 2 с минимальным (возможно нулевым) зазором позволяет существенно снизить перетечки уплотняемой среды через зазоры между проволочками щетки 1, и, следовательно, снизить общие суммарные перетечки уплотняемой среды через узел уплотнения в сборе.