Радиально-торцевое контактное уплотнение ротора турбомашины
TURBOMACHINE ROTOR RADIAL END SEAL

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных картеров опор роторов турбомашин.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрано радиально-торцевое контактное уплотнение опоры турбомашины, содержащее два упругих графитовых кольца с поперечным разрезом, установленных между двумя контактными кольцами (Патент на ИЗ №2425270).
В известном уплотнении усилие прижатия упругих графитовых колец к контактным кольцам по торцевым поверхностям задается S-образной осевой пружиной, установленной между упругими графитовыми кольцами. Оно постоянно на всех режимах работы уплотнения и должно удерживать максимальный перепад давлений на максимальных рабочих режимах. Однако на пониженных режимах усилие упомянутой пружины приводит к дополнительному трению и повышенному износу, уменьшая тем самым ресурс и работоспособность уплотнения. Также известное уплотнение не абсолютно герметично, т.к. упругие графитовые кольца выполнены разрезными, и, следовательно, в них присутствует торцевая щель. Для обеспечения разгрузки уплотнения от перепада давлений в известном уплотнении выполнены дополнительные радиальные проточки в графитовых кольцах. Поэтому это уплотнение не может применяться при больших перепадах давлений, т.е. ограничена его область применения.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является снижение трения и износа элементов уплотнения на пониженных режимах работы турбомашины при сохранении абсолютной герметичности уплотнения на всех режимах работы турбомашины и, как следствие, увеличение ресурса уплотнения и повышение его надежности, кроме того, расширяется область применения заявленного уплотнения.
Указанный технический результат достигается тем, что радиально-торцевое контактное уплотнение ротора турбомашины, содержащее два упругих графитовых кольца с поперечным разрезом, установленных между двумя контактными кольцами, согласно настоящему изобретению оно дополнительно содержит неразрезное графитовое кольцо, установленное внутри упругих графитовых колец с поперечным разрезом с зазором и контактирующее по торцам с контактными кольцами, два кольцевых элемента с регулировочным кольцом между ними, установленные и зафиксированные в осевом направлении на цапфе ротора турбомашины, причем между внутренними поверхностями упругих графитовых колец с поперечным разрезом, неразрезного графитового кольца и наружными поверхностями кольцевых элементов с регулировочным кольцом образован зазор, две конусообразные кольцевые мембраны, каждая из которых установлена в зазоре между кольцевым элементом и соответствующим контактным кольцом и соединена с ними посредством неразъемных соединений, причем основания конусов упомянутых конусообразных кольцевых мембран расположены со стороны полости низкого давления, при этом упругие графитовые кольца с поперечным разрезом установлены относительно друг друга с угловым смещением с возможностью перекрывания их поперечных зазоров и зафиксированы относительно друг друга от проворота, а в месте стыка упругих графитовых колец с поперечным разрезом, со стороны их внутренней поверхности, выполнена кольцевая канавка, в которой установлено уплотнительное кольцо.
Такое конструктивное выполнение уплотнения позволяет изменять усилие прижатия упругих и неразрезного графитовых колец к контактным кольцам в зависимости от режима турбомашины, т.е. усилие возрастает с ростом частоты вращения ротора. Это позволяет снизить износ графитовых колец на пониженных режимах работы турбомашины. Это повышает ресурс и надежность уплотнения. Также уплотнение абсолютно герметично, т.к. отсутствуют щели, через которые происходят утечки. Это повышает эффективность уплотнения, улучшает удельные параметры турбомашины. В отличие от прототипа, в данной конструкции проточки для разгрузки графитовых колец от перепада давлений не требуются, а избыточное давление, оказываемое на контактное кольцо, компенсируется центробежной силой за счет изгиба мембраны, причем необходимую массу можно регулировать за счет изменения массы контактной втулки в процессе доводки турбомашины. Величину предварительного усилия обжатия уплотнения обеспечивает регулировочное кольцо. Уплотнение может использоваться при больших перепадах давлений. Таким образом, расширяется область применения уплотнения и его ресурс.
Сущность настоящего изобретения поясняется фигурой чертежа, на которой изображен продольный разрез заявленного радиально-торцевого контактного уплотнения ротора турбомашины.
Радиально-торцевое контактное уплотнение ротора турбомашины содержит, два упругих графитовых кольца с поперечным разрезом 1 и 2, установленных между двумя контактными кольцами 3 и 4, а также неразрезное графитовое кольцо 5, установленное со стороны внутреннего диаметра упругих графитовых колец с поперечным разрезом 1 и 2 (т.е. внутри них) с зазором 6 и контактирующее по торцам с контактными кольцами 3 и 4. Два кольцевых элемента 7 и 8 с регулировочным кольцом 9 между ними, установленные и зафиксированные в осевом направлении на цапфе ротора турбомашины 10, например, посредством гайки 11 и радиального бурта 12, установленной и выполненного соответственно на цапфе ротора турбомашины 10.
При этом между внутренними поверхностями упругих графитовых колец с поперечным разрезом 1 и 2, неразрезного графитового кольца 5 и наружными поверхностями кольцевых элементов 7 и 8 с регулировочным кольцом 9 образован зазор, сообщающий полости минимального и максимального давлений (Pmin и Pmax).
Две конусообразные кольцевые мембраны 13 и 14, одна из которых установлена между кольцевым элементом 7 и расположенным непосредственно над ним контактным кольцом 3, а вторая - между кольцевым элементом 8 и расположенным непосредственно над ним контактным кольцом 4, причем конусообразные кольцевые мембраны 13 и 14 соединены с упомянутыми элементами, между которыми они установлены посредством неразъемных соединений, например сваркой, причем основания конусов упомянутых мембран 13 и 14 расположены со стороны полости низкого давления.
Упругие графитовые кольца с поперечным разрезом 1 и 2 установлены относительно друг друга с угловым смещением так, чтобы перекрыть поперечные зазоры друг друга и зафиксированы относительно друг друга от проворота, например штифтом (на чертеже не показан), а в месте стыка упругих графитовых колец с поперечным разрезом 1 и 2, со стороны их внутренней поверхности, выполнена кольцевая канавка, в которой установлено уплотнительное кольцо 15.
С увеличением частоты вращения нагрузка прижатия на графитовые кольца 1, 2 и 5 контактным кольцом 3 возрастает до требуемой величины за счет упругой деформации мембраны 13 из-за центробежной силы от массы контактного кольца 3. При этом увеличивается давление со стороны наддува, которое компенсируется центробежной силой массы контактного кольца 4 за счет упругой деформации мембраны 14. Графитовые кольца 1, 2 и 5 воспринимают такое давление, которое при проскальзывании графитовых колец 1, 2 и 5 относительно контактных колец 3 и 4 не приводит их к значительному износу, тем самым увеличивается ресурс уплотнения и не требуется дополнительные мероприятия для их разгрузки. По наружному диаметру уплотнение обеспечивается упругими графитовыми кольцами с поперечным разрезом 1 и 2, а по торцам неразрезным графитовым кольцом 5 и упругими графитовыми кольцами с поперечным разрезом 1 и 2 при окружном смещении их прорезей. Зазор между графитовыми кольцами 1, 2 и 5 уплотняется уплотнительным кольцом 15. Величину предварительного усилия обжатия уплотнения обеспечивает регулировочное кольцо 9.