УПЛОТНЕНИЕ С ЗИГЗАГООБРАЗНЫМИ ПАЛЬЧИКАМИ
SEAL WITH ZIGZAG-SHAPED PINS

Изобретение относится к области турбо- и двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей и паровых турбин для уплотнения радиальных зазоров.
Наличие радиальных зазоров в проточной части газотурбинной техники необходимо для исключения "заклинивания" ротора и статора во время работы. Таким образом, возникает необходимость установки уплотнений в проточной части, которые позволяют минимизировать перетоки рабочей среды (газа, пара, масла) через кольцевую щель между ротором и статором (между рабочими лопатками и сопловым аппаратом, валом и корпусом и т.п.).
Одними из наиболее эффективных классов уплотнений радиальных зазоров являются пальчиковые уплотнения. Общим недостатком известных конструкций пальчиковых уплотнений является то, что они имеют пальчики с относительно простой конструктивной формой - в виде консольно закрепленного стержня малой кривизны. Как следствие, пальчики имеют недостаточно высокую гибкость, чтобы компенсировать значительные по величине отклонения ротора. Это не позволяет использовать их при больших отклонениях ротора.
Известно реверсивное пальчиковое уплотнение, содержащее, по крайней мере, две пары сложенных в стопку тонких кольцевых деталей, каждая из которых содержит кольцевой массив радиально и тангенциально вступающих пальчиков, между которыми имеются щели. Кольцевые детали каждой из пар расположены таким образом, что пальчики одной кольцевой детали перекрывают щели в другой. Причем пальчики кольцевых деталей одной из пар расположены под углом в направлении по часовой стрелке, а пальчики кольцевых деталей другой пары - в направлении против часовой стрелки [US 5031922, F16J 15/447, 16.07.1991].
Недостатком этого уплотнения является то, что оно не может компенсировать значительные отклонения ротора вследствие тепловых и механических деформаций, т.к. форма пальчиков не является оптимальной с точки зрения упругих свойств данной конструкции. Недостаточная гибкость пальчиков приводит к тому, что в процессе эксплуатации из-за чрезмерного обжатия уплотняемой поверхности возможно появление прижогов на соприкасающихся поверхностях пальчиков и поверхности ротора, снижение мощности на валу двигателя, повышение износа контактирующих пар.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пальчиковое уплотнение, содержащее две примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях, по меньшей мере, одна из которых имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками, причем кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели примыкающей к ней другой кольцевой детали. Все пальчики имеют одинаковую толщину и отделены друг от друга одинаковыми щелями. Пальчики имеют кривизну, определяемую экспоненциальным выражением [US 5755445, F16J 15/447, 26.05.1998].
Недостатком этого изобретения, как и предыдущего, является недостаточно высокая гибкость пальчиков, что не позволяет его использовать при значительных отклонениях ротора в процессе эксплуатации. Еще одним недостатком данного уплотнения является то, что из-за одностороннего наклона пальчиков (по или против часовой стрелки) оно не может быть использовано для эффективного уплотнения роторов, имеющих возможность реверсивного движения.
Технический результат заявленного изобретения - повышение эффективности пальчикового уплотнения при значительных отклонениях ротора в процессе эксплуатации и повышение надежности уплотнения за счет улучшения гибкости пальчиков.
Указанный технический результат достигается тем, что пальчиковое уплотнение содержит примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях, по меньшей мере, одна из которых имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками, причем кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели примыкающей к ней другой кольцевой детали, щели и образованные между ними пальчики имеют ответную друг другу зигзагообразную форму.
Кроме того, ширина пальчиков в любом сечении, перпендикулярном их оси, меньше толщины кольцевой детали.
Выполнение кольцевых деталей со щелями и образованных между ними пальчиками зигзагообразной формы позволяет повысить гибкость пальчиков, уменьшить износ и исключить повреждение контактирующих пар, что, соответственно, повышает эффективность и надежность пальчикового уплотнения.
Предлагаемая конструкция пальчикового уплотнения объясняется приведенными схематичными чертежами.
На фиг.1 схематически изображен изометрический вид пальчикового уплотнения; на фиг.2 - увеличенный изометрический вид пальчикового уплотнения с сечением в осевой плоскости, на фиг.3 - увеличенный фрагмент кольцевой детали пальчикового уплотнения в радиальной плоскости; на фиг.4 - изометрический вид составных деталей пальчикового уплотнения; на фиг.5 - изометрический вид пальчикового уплотнения и уплотняемого вала.
Пальчиковое уплотнение состоит из двух примыкающих друг с другу кольцевых деталей 1 и 2 (фиг.1), каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности зигзагообразные пальчики 3 и 4 (фиг.2, 3), между которыми имеются ответные им зигзагообразные щели 5 и 6. На кольцевой детали 1, расположенной со стороны полости низкого давления, имеются выступающие площадки 7, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками 3. Кольцевые детали 1 и 2 ориентированы по сквозным отверстиям 8 (выполненными в кольцевых деталях 1 и 2) и спозиционированы (установлены) друг относительно друга таким образом, что пальчики каждой кольцевой детали перекрывают щели между пальчиками в другой кольцевой детали, причем ширина пальчиков больше ширины перекрываемых ими щелей.
В расширенном варианте конструкции пальчикового уплотнения кольцевые детали 1 и 2 могут быть прижаты со стороны полостей низкого и высокого давления кольцевыми крышками 9, 10 (фиг.4) для повышения жесткости конструкции в осевом направлении.
Пакет из кольцевых деталей 1, 2 и кольцевых крышек 9, 10 может быть закреплен с помощью соединительных элементов, например заклепок (на чертежах не показаны), расположенных в сквозных отверстиях 8 по окружности пальчикового уплотнения.
Для повышения механической устойчивости пальчиков их ширина в любом сечении, перпендикулярном оси пальчика, должна быть меньше толщины кольцевой детали.
Приведенное описание пальчикового уплотнения составлено для случая использования двух кольцевых деталей с пальчиками, но не исключает применение и большего числа кольцевых деталей.
Пальчиковое уплотнение работает следующим образом.
Между деталью 11 ротора (фиг.5) и пальчиками 3 и 4 устанавливается минимально допустимый зазор, который выбирается из условия отсутствия задевания деталью 11 ротора выступающих площадок 7 при нормальном режиме работы (в зависимости от габаритов ротора и условий работы зазор составляет 0,05…0,2 мм).
В процессе пуска и изменения режима работы двигателя, когда возникают значительные отклонения детали ротора 11, происходит контакт пальчиков 3 и 4 с поверхностью детали ротора 11. При этом пальчики 3 и 4 деформируются, что предотвращает "заклинивание" деталей ротора и статора.
В отличие от пальчиковых уплотнений с простой формой пальчиков предлагаемая конструкция имеет повышенные упругие свойства, что позволяет использовать данное уплотнение при значительных колебаниях ротора без ущерба работоспособности конструкции.
Еще одним преимуществом предлагаемой конструкции является то, что выступающие площадки благодаря зигзагообразной форме пальчиков отклоняются преимущественно в радиальном направлении, что позволяет использовать данную конструкцию для уплотнения роторов, имеющих возможность реверсивного движения (фиг.5).
a
Для получения зигзагообразных щелей пальчиковых уплотнений наиболее рационально применение импульсной электрохимической обработки, основные преимущества которой следующие: отсутствие износа электрода-инструмента во время обработки, отсутствие термически измененного слоя, острых кромок и заусенцев на обработанной поверхности, возможность одновременной обработки всех межпальчиковых пазов специальным электродом-инструментом со множеством зигзагообразных выступов, достаточно низкая погрешность обработки (не более 20…30 мкм), хорошие показатели по шероховатости (R 0,2…1,25 мкм - в зависимости от материала).
Таким образом, предложенное изобретение благодаря повышенной гибкости зигзагообразных пальчиков позволяет использовать его при значительных отклонениях ротора в процессе эксплуатации, а также повышает надежность уплотнения за счет уменьшения износа и вероятности повреждения контактирующих пар.