ТОРЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
END SEAL OF TURBOMACHINE ROTOR

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных полостей газотурбинных двигателей и энергетических установок.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано торцевое контактное уплотнение, установленное на валу ротора турбомашины, содержащее втулку уплотняющую, направляющие штифты, втулку прижимную, кольца уплотнительные, графитовое кольцо (Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Том 3. Газотурбинные двигатели, Авторы: Иноземцев А.А., Нихамкин М.А. и др., Издательство: Машиностроение, 2007, стр.171, рис.13.28б).
В известном уплотнении усилие прижатия графитового кольца к торцу прижимной втулки задается осевыми пружинами по направляющим штифтам. Данное усилие постоянно на всех режимах работы и настроено на максимальный режим, поэтому на малых режимах работы происходит повышенный износ графитового кольца.
Следует отметить, что для того, чтобы задать равномерное усилие прижатия графитового кольца к торцу прижимной втулки, требуется множество пружин с одинаковыми жесткостными характеристиками, что трудоемко и трудновыполнимо. Также из-за окружных температурных неравномерностей и присущих в работе допустимых перекосах ротора относительно статора, прижимную втулку может заклинивать в районе направляющих штифтов, что приводит к раскрытию уплотнения (отсутствие в определенной зоне контакта между графитовым кольцом и ответной уплотняющей втулкой), вследствие чего теряется работоспособность уплотнения.
Кроме того, известное уплотнение ограничено к допустимому перепаду давлений, т.к. втулка прижимная работает как поршень под давлением наддува (полость справа), дополнительно изнашивая графитовое кольцо.
Задачей заявленного изобретения является создание торцевого уплотнения ротора турбомашины, лишенного указанных выше недостатков.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной конструкции является снижение степени износа графитового кольца, упрощение конструкции уплотнения, повышение его надежности при работе и, как следствие, повышение срока службы заявленного торцевого уплотнения.
Указанные технические эффекты достигаются тем, что торцевое уплотнение ротора турбомашины содержит установленный на валу ротора кольцевой элемент с уплотнительными кольцами, на наружной поверхности которого выполнен радиально сориентированный бурт, прижимную втулку, установленную на кольцевом элементе с возможностью осевого перемещения, в которой установлено графитовое кольцо, причем между прижимной втулкой и буртом кольцевого элемента расположено пружинное кольцо с поперечным разрезом, контактирующее с ними торцевыми поверхностями, при этом контактирующие торцевые поверхности прижимной втулки и пружинного кольца с поперечным разрезом выполнены коническими.
Такое конструктивное исполнение графитового уплотнения позволяет следующее.
При увеличении частоты вращения ротора под действием центробежных сил, увеличивается нагрузка на прижимную втулку, в которой установлено графитовое кольцо, пружинным кольцом с поперечным разрезом по коническим поверхностям. При этом радиальная нагрузка пружинного кольца с поперечным разрезом будет равномерно оказывать усилие прижатия графитового кольца.
А на пониженных режимах работы турбомашины снижается нагрузка на прижимную втулку и, соответственно, на графитовое кольцо, что снижает трение, а следовательно, повышается срок службы и ресурс заявленного уплотнения в целом и расширяет его область применения по скоростным показателям.
Также отсутствие осевых пружин упрощает конструкцию уплотнения и повышает его надежность.
Наличие радиально сориентированного бурта позволяет уплотнению работать на любых перепадах давлений, т.к. вся нагрузка будет восприниматься шариковым подшипником, а не графитовым кольцом.
Для осевого выставления ротора и первоначальной настройки контактного давления графитового кольца на корпус подшипника заявленное уплотнение может содержать регулировочное кольцо и втулку, установленные на валу ротора и контактирующие с кольцевым элементом торцевыми поверхностями.
Для охлаждения корпуса подшипника регулировочное кольцо может содержать маслоподводящие сквозные каналы, по которым масло под действием центробежных сил поступает из вала ротора на стенку корпуса подшипника.
Для предотвращения проворота прижимной втулки и пружинного кольца с поперечным разрезом относительно кольцевого элемента, со стороны внешней поверхности кольцевого элемента и внутренних поверхностей прижимной втулки и пружинного кольца с поперечным разрезом в них выполнены радиальные глухие отверстия, образующие единую цилиндрическую полость, в которой установлен штифт.
На фигуре 1 представлен продольный разрез заявленного торцевого уплотнения ротора турбомашины.
На фигуре 2 представлен продольный разрез заявленного торцевого уплотнения ротора турбомашины с штифтом, установленном в кольцевом элементе.
Торцевое уплотнение ротора турбомашины содержит установленный на валу 1 ротора кольцевой элемент 2 с уплотнительными кольцами 3, на наружной поверхности которого выполнен радиально сориентированный бурт 4, прижимную втулку 5, установленную на кольцевом элементе 2 с возможностью осевого перемещения, в которой установлено графитовое кольцо 6, контактирующее с корпусом 7 шарикоподшипника 8, также установленного на валу 1 ротора, причем между прижимной втулкой 5 и буртом 4 кольцевого элемента расположено пружинное кольцо 9 с поперечным разрезом, контактирующее с ними торцевыми поверхностями, при этом контактирующие торцевые поверхности прижимной втулки 5 и пружинного кольца 9 с поперечным разрезом выполнены коническими.
Также на валу 1 ротора установлены регулировочное кольцо 10 и втулка 11, причем первое установлено между внутренним кольцом 12 шарикоподшипника 8 и кольцевым элементом 2 и контактирует с ними по торцевым поверхностям, а последнее установлено между кольцевым элементом 2 и кольцевым выступом вала 1 ротора и контактирует с ними по торцевым поверхностям.
В регулировочном кольце 10 выполнены сквозные маслоподводящие каналы 13, по которым масло под действием центробежных сил поступает из вала 1 ротора на стенку корпуса 7 шарикоподшипника 8.
Со стороны внешней поверхности кольцевого элемента 2 и внутренних поверхностей прижимной втулки 5 и пружинного кольца 9 с поперечным разрезом в них выполнены радиальные глухие отверстия, образующие единую цилиндрическую полость, в которой установлен штифт 14.
Осевое выставление ротора относительно шарикоподшипника определяется втулкой 11.
При работе турбомашины усилие прижатия прижимной втулки 5 с графитовым кольцом 6 определяется предварительным усилием обжатия пружинного кольца 9 с поперечным разрезом, которое задается регулировочным кольцом 10. При увеличении частоты вращения ротора за счет массовых характеристик пружинного кольца 9 с поперечным разрезом происходит увеличение усилия прижатия кольцевой втулки 5 и графитового кольца 6 к корпусу 7 шарикоподшипника 8, компенсируя тем самым увеличение перепада давлений на графитовом уплотнении.