ЛАБИРИНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Заявляемое техническое решение относится к средствам уплотнительной техники для предотвращения или сведения к минимуму внутренних утечек рабочей среды, в частности - между ротором и статором, посредством лабиринтных уплотнений.
Обычно лабиринтные уплотнения между ротором и статором содержат ряд параллельных лабиринтных гребешков (по меньшей мере, два), находящихся на уплотняющей детали, и ответную уплотняемую деталь.
Поверхности, образованные боковыми стенками лабиринтных гребешков и основанием уплотняющей детали между гребешками в сочетании с ответной поверхностью уплотняемой детали, образуют незамкнутые полости. Между гребешкам и поверхностью уплотняемой детали существует зазор, через который происходит перетекание рабочей среды (обычно - газа) из полости с большим давлением в полость с меньшим давлением.
Для уменьшения такого перетекания между полостями упомянутый зазор необходимо выдерживать на минимальном уровне, но при этом обеспечить отсутствие касания гребешков с поверхностью уплотняемой детали. В противном случае от трения будут происходить локальный нагрев трущихся поверхностей, приводящий к свариванию их между собой и механическим повреждениям.
На выбор минимального зазора с гарантией от касания влияет множество факторов: отклонение от соосности между ротором и статором, точность изготовления деталей ротора и статора, их деформации при работе, вибрации, температурные расширения, режимы работы машины и т.д. Обычно каждый экземпляр машины имеет свои особенности, и величины зазора должны быть разными.
Поэтому при серийном производстве машин с использованием лабиринтных уплотнений прибегают к гарантированным зазорам, рассчитанным по крайним отклонениям, допустимым в производстве, сборке и эксплуатации, идя на заведомое увеличение перетекания газа между полостями, или же прибегают к прирабатываемым лабиринтным уплотнениям.
Прирабатываемое лабиринтное уплотнение выполняется с гребешками, которые при работе контактируют с ответной поверхностью уплотняемой детали. В этом случае возможны два варианта исполнения лабиринтного уплотнения:
1. Материал гребешков лабиринтного уплотнения выбирается таким, чтобы его износостойкость была меньше износостойкости ответной поверхности, и таким образом при работе истираются гребешки лабиринтного уплотнения.
2. Износостойкость гребешков выше износостойкости ответной поверхности и при работе истирается материал ответной поверхности.
В настоящее время хорошо известны различные исполнения лабиринтных уплотнений.
Известно лабиринтное уплотнение с кольцевыми гребешками, выполненными из металлических лент (см. Марцинковский В.А. "Щелевые уплотнения: теория и практика", издательство Сумского государственного университета, Сумы, 2005. - с.386).
Эта конструкция допускает врезание гребешков в случае контакта с уплотняемой деталью, достаточно проста в производстве, поскольку не требует дополнительной обработки уплотняемой детали и вспомогательных конструктивных элементов.
Однако это решение не лишено недостатков. Вершины гребешков в случае значительного врезания быстро изнашиваются вследствие локального нагрева как вершин гребешков, так и уплотняемой детали. Кроме того, прямые гребешки имеют низкую жесткость при боковой нагрузке, поэтому могут легко деформироваться при изготовлении, сборке и особенно при эксплуатации.
Также известно лабиринтное уплотнение с прирабатываемыми гребешками (см. АС СССР №1546763, заявитель Тернопольский филиал Львовского политехнического института, заявлено 07.05.1988, опубликовано 28.02.1990).
В общей продольной оси этого устройства, между уплотняемой (валом ротора) и уплотняющей (статором) деталями, размещено множество колец одинакового зигзагообразного сечения в осевом направлении. Зигзаги колец идентичны между собой.
Кольца по внутренней окружности установлены с зазором относительно уплотняемой детали (вала ротора) и жестко взаимосвязаны с уплотняющей деталью типа обоймы, состоящей из полуобойм. При этом зигзагообразные кольца, каждое, большей своей окружностью жестко прикреплены к общему основанию типа вставки, охваченной упомянутыми полуобоймами статора. Тем самым они образуют множество отдельных гребешков, зигзагообразных в осевом направлении, свободных по внутренней окружности и жестко скрепленных между собой по наружной.
В известном техническом решении материал гребешков имеет меньшую износостойкость, чем материал ответной поверхности уплотняемой детали, вследствие чего при работе изнашиваются вершины этих гребешков, а форма гребешков и их материал позволяют сохранять зазор неизменным.
Гребешки в данной конструкции выполнены из полимерных материалов, не обладают высокой прочностью и не могут работать при повышенных температурах. Тем не менее, для таких условий возможен подбор материалов с необходимыми характеристиками.
Исходя из выше изложенного, данное техническое решение по совокупности признаков и близости технических результатов было выбрано в качестве прототипа.
Основной задачей, стоявшей перед автором, было создание лабиринтного уплотнения, которое позволило бы получить определенный технический результат, состоящий из нескольких взаимозависимых технических результатов, а именно:
- повышение надежности и долговечности лабиринтного уплотнения наряду с простотой и технологичностью конструкции, а также обеспечение ее работоспособности в области высоких температур наряду с:
- повышением коэффициента полезного действия машины путем минимизации перетекания рабочей среды через уплотнение, а значит потери рабочего тела, за счет поддержания оптимального зазора между ротором и статором в процессе работы.
Поставленная задача решается тем, что в известном лабиринтном уплотнении, которое находится между соосно размещенными уплотняемой и уплотняющей деталями и образовано гребешками колец зигзагообразного сечения, установленных с зазором относительно уплотняемой детали и
жестко взаимосвязанных с уплотняющей деталью произведены усовершенствования.
Усовершенствование в первую очередь состоит в том, что упомянутые кольца выполнены каждое в виде ленты, зигзагообразной в окружном сечении
Зигзагообразный в окружном сечении лабиринт ленты обеспечивает значительное увеличение зоны охвата уплотнительным кольцом места уплотнения, а, следовательно, повышает эффективность уплотнения.
Упомянутые кольца зигзагообразного сечения могут быть установлены каждое в отдельные кольцевые канавки, последовательно размещенные на уплотняющей детали и концентрично открытые в направлении уплотняемой детали. Это позволяет, в зависимости от технических требований, предъявляемых к объекту техники, оптимизировать утечки рабочего тела в местах уплотнений.
Упомянутый технический результат достигается более успешно, если любой плоский отрезок указанной ленты кольца будет расположен под углом, равным 10°...35° к плоскости, перпендикулярной продольной оси.
При этом расстояние между упомянутыми лентами определяется равенством:
с=(1,1...2,0)b, где
с - упомянутое расстояние между лентами;
b - расстояние между точками экстремума зигзага ленты.
Это, в свою очередь, позволяет исключить слипание соседних лент под нагрузкой.
Заявляемое технического решения поясняется чертежами, где на:
- фиг.1 представлено пространственное изображение заявляемого лабиринтного уплотнения;
- фиг.2 дано повернутое увеличенное сечение Е-Е фиг.1.
- фиг.3 представлен вид Д фиг.1.
Настоящее техническое решение реализуется следующим образом. Лента 1 (см. фиг.1, фиг.2), толщиной t (см. фиг.3), выполненная из металлического сплава, имеющая зигзагообразную форму, одним своим торцом 2 (см. фиг.2) жестко крепится в пазу 3 уплотняющей детали 4, образуя при этом гребешок 5. А вторым своим торцом образует вершину 6 гребешка 5. Между вершиной 6 гребешка 5 и ответной поверхностью 7 уплотняемой
детали 8 существует зазор а. Зазор а выбирается минимальным известным способом, исходя из условий изготовления и сборки уплотнения. Металлический сплав ленты 1 выбирается таким образом, чтобы его износостойкость была меньше износостойкости материала ответной поверхности 7 уплотняемой детали 8.
При этом расстояние между точками экстремума зигзага упомянутой ленты 1 составляет величину b (см. фиг.3), а прямые отрезки 9 зигзага ленты 1 находятся под углами α и β к плоскости Р, перпендикулярной продольной оси L. При погрешностях сборки углы α и β обычно не равны, однако это не влияет на достижение указанных технических результатов.
Вторая такая лента 10, установленная аналогичным способом на расстоянии с от первой ленты 1, образует второй гребешок 11 (см. фиг.2) с вершиной 12 и т.д. Поверхности, образованные боковыми стенками 13 и 14 лабиринтных гребешков 5 и 11 соответственно в сочетании с ответной поверхностью 7 уплотняемой детали 8, образуют незамкнутую полость К, которая разделяет полости А и В, давления в которых отличны друг от друга, и ограничивает перетекание рабочей среды из одной полости в другую.
Для достижения указанных технических результатов должны соблюдаться следующие условия:
1. α=10°...35°, β=10°...35°,
2. с=(1,1...2,0)b.
Таким образом, лабиринтное уплотнение, собранное согласно заявляемому техническому решению, во время работы будет ограничивать перетекание рабочей среды через зазор а известным способом, а вершины 6 и 12 гребешков 5 и 11 соответственно, имея меньшую износостойкость, чем износостойкость поверхности 7, будут истираться в случает контакта с последней, оставляя зазор а минимально возможным на всем протяжении работы машины.
Повышение надежности и долговечности заявляемой конструкции по сравнению с известными решениями обеспечивается тем, что в случае контакта вершин 6 и 12 гребешков 5 и 11 с ответной поверхностью 7 уплотняемой детали 8:
- вследствие отсутствия участков ленты, находящихся в плоскости Р (выполнение упомянутого условия 1), будет происходить трение по широкой поверхности 7 уплотняемой детали 8, что ведет к эффективному рассеиванию
выделенного тепла и снижению температуры последней. Таким образом, деформация и износ будет происходить только в гребешках 5 и 11, находящихся в контакте с поверхностью 7 и имеющих более высокую температуру.
- исключается слипание гребешков 5 и 11 под нагрузкой (выполнение условия 2).
Работоспособность заявляемого технического решения подтверждается положительными результатами его испытаний, которые приведены далее.
Пример 1.
Лабиринтное уплотнение, собранное согласно заявляемому техническому решению, было установлено на испытательной установке ГП «Ивченко-Прогресс», имитирующей условия работы уплотнения. Параметры уплотнения следующие:
- толщина ленты t - 0,2 мм;
- высота гребешка - 4 мм;
- ширина зигзага ленты b=1,2 мм;
- угол α равен углу β и равен 12°;
- расстояние между гребешками (лентами) с=1,1b=1,3 мм;
- материал гребешков (ленты) - 12Х18Н10Т;
- материал уплотняемой детали - ХН77ТЮР;
Условия работы:
- среда воздушная;
- скорость вращения ротора - 200 м/сек;
- исходный зазор а - 0,5 мм;
- температура рабочей среды 200°С;
После проведения испытаний были получены следующие результаты:
- износ лабиринтных гребешков в месте касания - 0,66 мм; износ диска по наружному диаметру 0,01 мм;
- трещин на гребешках и диске не обнаружено.
Пример 2.
Параметры уплотнения:
- толщина ленты t - 0,15 мм;
- высота гребешка - 4,5 мм;
- ширина зигзага ленты b=2,25 мм;
- угол α равен углу β и равен 12°;
- расстояние между гребешками (лентами) с=1,5b=1,3 мм;
- материал гребешков (ленты) - ХН78Т;
- материал уплотняемой детали - ХН77ТЮР;
Условия работы:
- среда воздушная;
- скорость вращения ротора - 180 м/сек;
- исходный зазор а - 0,4 мм;
- температура рабочей среды 400°С;
После проведения испытаний были получены следующие результаты:
- износ лабиринтных гребешков в месте касания - 0,68 мм; износ диска по наружному диаметру 0,01 мм;
- трещин на гребешках и диске не обнаружено.
Пример 3.
Параметры уплотнения:
- толщина ленты t - 0,25 мм;
- высота гребешка - 5 мм;
- ширина зигзага ленты b=5,75 мм;
- угол α равен углу β и равен 30°;
- расстояние между гребешками (лентами) с=1,9b=11 мм;
- материал гребешков (ленты) - ХН78Т;
- материал уплотняемой детали - ХН62БМКТЮ;
Условия работы:
- среда воздушная;
- скорость вращения ротора - 300 м/сек;
- исходный зазор а - 0,6 мм;
- температура рабочей среды 700°С;
После проведения испытаний были получены следующие результаты:
- износ лабиринтных гребешков в месте касания - 0,67 мм; износ диска по наружному диаметру 0,02 мм;
- обнаружены незначительные трещины на гребешках, не влияющие на надежность конструкции.