Щеточное уплотнение ротора

Полезная модель относится к технологии изготовления уплотнений и может быть использована в газотурбостроении, машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.
Повышение эффективности работы газовых и паровых турбин связано с совершенствованием конструкций и технологий изготовления радиальных уплотнений газовоздушного тракта, позволяющих сократить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями. Одними из перспективных видов уплотнений являются щеточные, представляющие собой круговой массив множества близкорасположенных малоразмерных уплотнительных элементов - щетинок (Патент РФ №2210694. МПК F16J 15/32. Способ изготовления щеточного уплотнения и устройство для его осуществления. Опубл. 20.08.2003).
Известно, что для обеспечения оптимальной работы уплотнения уплотнительные элементы (щетинки) должны быть достаточно упругими, чтобы компенсировать колебания радиального зазора в условиях высокой вибрации, а величина натяга должна соответствовать величине, при которой мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения в одном уплотнении, не превышает 0,15% от мощности, потребляемой валом при максимальном его вращении.
Известно щеточное уплотнение, содержащее кольцевой пакет свободных с одного конца и закрепленных с другого уплотнительных элементов, зазоры между которыми заполнены фиксирующим и герметизирующим составом, при этом пакет закреплен между боковыми пластинами, а уплотнительные элементы кольцевого пакета выполнены в виде капиллярных трубок, заполненных антифрикционным материалом (А.С. СССР №1725609. МПК F16J 15/16. Щеточное уплотнение. Опубл. 2005).
Недостатком рассматриваемого уплотнения является разрушение герметика в результате разогрева элементов щеточного уплотнения при контакте с вращающимся ротором, вследствие чего увеличивается утечка рабочего тела и снижается ресурс работы уплотнения.
Известно также щеточное уплотнение, выполненное в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки и опорной щеки, при этом состыкованные элементы выполнены одинаковыми по наружному диаметру (А.С. СССР №1462916. МПК F16J 15/16. Способ изготовления щеточного уплотнения. Опубл. 1996 г. ).
Недостатком известных устройств является повышенная утечка рабочего тела из-за значительных зазоров между проволочными щетинками.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является щеточное уплотнение, содержащее размещенные по окружности в корпусе пучки проволочек, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, причем проволочки выполнены из различных материалов. При этом проволочки из материала с высоким коэффициентом теплопроводности расположены внутри пучков, а проволочки из материала с более высоким значением модуля упругости - снаружи (А.С. СССР №1665136. МПК F16J 15/16. Щеточное уплотнение. Бюл. №27 1991 г).
Недостатком данной конструкции является то, что размещение в одном пучке проволочек из материалов с различными значениями модуля упругости приводит к неравномерности работы элементов уплотнения и к повышению зазоров между щетинами за счет различной пластической деформации элементов, выполненных из различных материалов. В результате возникает эффект расклинивания одних щетинок другими, что снижает герметичность уплотнения и приводит к повышенной утечке рабочего тела.
Требуемая степень герметичности полостей обеспечивается определенным количеством плотно уложенных металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары. В одной уплотняющей ступени они укладываются одна относительно другой в несколько слоев и образуют довольно большой по ширине слой щеточных элементов между боковыми пластинами. Возможен вариант выполнения небольшого количества слоев металлических щетинок между боковыми пластинами одной ступени, но тогда для обеспечения требуемой герметичности полостей формируют набор таких элементов в несколько ступеней. Увеличение плотности и количества слоев щетинок приводит к повышению жесткости массива щеточных элементов и, как следствие, к чрезмерному обжатию уплотняемой поверхности, что снижает мощность на валу двигателя и его ресурс из-за быстрого износа контактирующих пар.
Другим недостатком известных уплотнений (Патент РФ №2210694, А.С. СССР №№1725609, 1462916,1665136) является недостаточно высокая износостойкость щетинок при трении о контактную поверхность, что приводит к потере функциональных свойств уплотнения и возникновению вероятности отрыва щетинок в процессе длительной эксплуатации.
Задачей и техническим результатом данной полезной модели является повышение герметичности щеточного уплотнения.
Технический результат достигается за счет того, что в щеточном уплотнении ротора, выполненном в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки, состоящей из плотно упакованных щетинок, наклоненных относительно радиальной оси щеточного уплотнения по направлению вращения ротора и опорной щеки, со свободным торцом щетки, образующим контактную поверхность, эквидистантную поверхности ротора в зоне их контакта в отличие от прототипа упомянутые прижимная щека, кольцевая проволочная щетка и опорная щека выполнены наклонными вперед в сторону набегающего потока с углом наклона 45° к продольной оси ротора, а угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения составляет 60°, причем диаметр щетинок равен 0,2 мм, а щетинки выполнены из сплава состава, вес. %: Cr - 18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1,2 - 1,6; Fe - 2,9 - 3,2; Si - 0,2 - 0,3; Y - 1,1 - 1,4; C - 0,05 - ,09; Со - остальное.
Подобное расположение, размеры и материал щетинок в щеточном уплотнении направлены на обеспечение уплотнением герметичности, поскольку герметичность связана с плотностью укладки металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары, а сами щетинки должны быть достаточно упругими и сохранять свои размерные и геометрические характеристики.
Широко известно [например, Л.Л. Филимонова. Модель работы щеточного уплотнения ГТД. //Вестник двигателестроения. №1, 2011 г., С. 50-57.], что к основным характеристикам щеточного уплотнения относятся такие, как свободная длина щетинок, выступ щетинок из области прижимной щеки, диаметр щетинок и плотность их расположения по сечению щетки. При этом, с увеличением диаметра щетинок уплотнение обеспечивает больший перепад давлений, но при этом ухудшается герметизация.
Увеличение величины выступа щетинок повышает податливость уплотнения, но снижает выдерживаемый уплотнением перепад давлений. Повышение плотности щетинок снижает утечку через уплотнение, однако при этом возрастает значение перепада давлений, выдерживаемых уплотнением. Уменьшение свободной длины щетинок позволяет увеличить выдерживаемый перепад давлений и снизить утечку, но приводит к увеличению жесткости щеточного уплотнения, увеличению тепловыделения от трения щеток по ротору и снижению ресурса щеток. Однако, как показывает практика, нежелательно снижать утечку уменьшением свободной длины щетинок.
В этой связи, в щеточном уплотнении повышается площадь контакта на границе «уплотнение-ротор» за счет угла наклона в 45 градусов щетки относительно продольной оси ротора вперед в сторону набегающего потока. Кроме того, острый угол 45 градусов, при выполнении щетки с наклоном вперед в сторону набегающего потока, позволяет обеспечить большую жесткость уплотнения в направлении действия потока, при одновременном повышении его податливости в радиальном направлении. Это позволяет, также увеличить как свободную длину щетинок, так и их выступ, без снижения жесткости в направлении действия потока. Очевидно, что если расположить щетинки при тупом угле в направлении действия потока, как это предлагается сделать в работе [В.А. Мамедов, Ф.Э. Аслан-заде. Применение неметаллических щеточных уплотнений на больших индустриальных газотурбинных двигателях. //Вестник двигателестроения. №1, 2012 г., С. 83-91.], то при повышении податливости уплотнения будет значительно снижена его жесткость в направлении действия потока и эффект герметизации уплотнения резко снизиться.
Для изготовления щеточного уплотнения может быть использовано устройство для изготовления щеточного уплотнения ротора, содержащее оправку в виде колец, установленных концентрично с зазором относительно друг друга и скрепленных по окружности винтами, устройство для намотки и укладки проволоки, катушку с проволокой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 показано щеточное уплотнение ротора в поперечном разрезе.
На фиг.2 представлен внешний вид щеточного уплотнения.
α
β
=
Фиг. 1и 2 содержат: 1 - проволочная щетка, 2 - прижимная щека, 3 - опорная щека, 4 - статор, 5 - ротор, 6 - технологическое кольцо. Угол = 45° - угол наклона щеточного уплотнения к поверхности ротора, 60° - угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения.
Щеточное уплотнение ротора (фиг. 1) состоит из прижимной щеки 2 и последовательно состыкованных с ней кольцевой проволочной щетки 1 и опорной щеки 3. Наружная цилиндрическая поверхность прижимной щеки 2 выполнена под установочное гнездо в статоре 4.
Стыковочные элементы выполнены одинаковыми по наружному диаметру. В опорной щеке 3 щеточного уплотнения может быть установлен фиксирующий штифт.
Для изготовления щеточного уплотнения роторов может быть использовано устройство, содержащее оправку для навивки проволок, содержащую скрепленные между собой наружное, среднее и внутреннее кольца. Устройство снабжено катушкой с проволокой и центрирующими обоймами со ступицами, связанными крепежными элементами (не показано).
Пример.
Для оценки работоспособности щеточного уплотнений, были проведены следующие сравнительные испытания. Образцы щеточных уплотнений были изготовлены как по способу-прототипу (патент РФ №2210694), так и по предлагаемому способу. Диаметр проволочек для щеточного уплотнения в обоих случаях составлял 0,2 мм. По предлагаемой полезной модели щеточное уплотнение было выполнено со следующими параметрами: прижимная щека, кольцевая проволочная щетка и опорная щека выполнены наклоненными вперед в сторону набегающего потока под углом 45° к продольной оси ротора; угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения составлял 60°, щетинки выполнены из сплава состава, вес.%: Cr -18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1,2 - 1,6; Fe - 2,9 - 3,2; Si - 0,2 - 0,3; Y - 1,1 - 1,4; C - 0,05-0,09; Со - остальное.
Условия испытаний: линейная скорость - 80 м/c, зазор - 90 мкм.
ТаблицаСредняя величина утечек через сравниваемые варианты щеточных уплотнений
№
Вид уплотнения
Угол наклона в осевом направлении, <i>α</i><b><i>, </i></b>°
Давление на входе , кПа
Расход, через уплотнение, кг/с
1
Прототип
90
200
0,035
300
0,053
400
0,078
500
0,087
2
Сравнительный, поисковый вариант
30
200
0,011
300
0,027
400
0,041
500
0,058
3
Предлагаемый
45
200
0,008
300
0,019
400
0,033
500
0,042
Предлагаемое щеточное уплотнение позволило снизить величину утечки, в среднем в 2 с лишним раза (таблица).
Средняя величина износа уплотнений за 120 ч работы составила:
для прототипа - 0,24 мм;
для предлагаемого уплотнения - 0,11 мм.
Таким образом, предложенное щеточное уплотнение позволило достичь поставленного в полезной модели технического результата - повышения герметичности щеточного уплотнения.