УПЛОТНЕНИЕ РОТОРА ТУРБОПРИВОДА

Полезная модель относится к области малогабаритных турбоприводов, применяемых, в частности, в ручных пневматических шлифовальных машинах.
В турбоприводах различного назначения широко используются многоступенчатые турбины со ступенями давления, при работе которых некоторая часть рабочей среды перетекает между ступенями, а также вдоль вала на его выходе из корпуса турбомашины. В турбоприводах для ограничения утечки рабочей среды наиболее широко применяются лабиринтные уплотнения, представляющие собой ряд поочередно расположенных узких кольцевых щелей и кольцевых камер. В некоторых конструкциях турбомашин применяют бескамерные уплотнения (одиночный дроссель) и щелевые уплотнения (без гребней) (РТМ 108.020.33-86. Уплотнения лабиринтные стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров. Проектирование и расчет). В лабиринтных уплотнениях кольцевые щели образованы заостренными кромками гребней и обращенными к ним кольцевыми поверхностями.
Важнейшим параметром оценки эффективности любого уплотнения является его уплотняющая способность, выраженная отношением величины расхода утечек к общему расходу газа через турбопривод. Для лабиринтовых уплотнений определяющим условием достижения высокой уплотняющей способности является малая величина радиальных зазоров между заостренными кромками гребней и обращенными к ним кольцевыми поверхностями. Малая величина радиальных зазоров требует, в свою очередь, установки элементов уплотнения с высокой точностью их взаимного центрирования. Для обеспечения этого требования используются, в частности, специальные установочные узлы, такие как (Авторское свидетельство СССР №250610, F01D 25/24, 1986). Сборка установочных узлов сложна, трудоемка и реализуема только в крупных турбомашинах.
В малогабаритных турбоприводах могут применяться щелевые уплотнения, предусматривающие нанесение на кольцевые поверхности специальных истираемых материалов, допускающих контакт между ними. В щелевом уплотнении (Патент США на изобретение US 4218066, 1980) в качестве покрытия использован пористый истираемый материал, который образует поверхность с ячейками, формирующими микроскопические камеры. Уплотняющая способность этого уплотнения невелика в силу малых размеров камер, образованных порами материала.
Известны лабиринтные уплотнения, в которых истираемый материал нанесен на кольцевые поверхности, обращенные к заостренным кромкам гребней (Патенты США на изобретение US 10072506, 2018 и US 10472980, 2019). Применение истираемых материалов, допускающих контакт между элементами уплотнения, позволяет обеспечить малую величину радиального зазора между ними без использования описанных выше установочных узлов центрирования.
Следует отметить, что общедоступные истираемые материалы применяются, как правило, при наличии смазки кольцевых поверхностей, в частности, в уплотнениях подшипников скольжения, таких как (Авторское свидетельство СССР №184570, F06j, 1966). В турбоприводах возможность подачи смазки к уплотнениям отграничена. При этом высокотехнологичные истираемые материалы, такие как (Патенты РФ на изобретение №2637302, F01D 11/12, 2016 и №2647007, F01D 11/12, 2018), способные работать без смазки, имеют крайне высокую стоимость, препятствующую их широкому применению.
Известна турбомашина (Патент РФ на полезную модель №193118, F01D 11/00, 2019) с бескамерным уплотнением, содержащая диафрагму с осевым отверстием, ротор, установленный внутри отверстия, а также обойму, закрепленную на диафрагме. На обойме выполнен гребень, заостренная кромка которого сопряжена с кольцевой поверхностью ротора, образуя одиночный дроссель. При сборке турбомашины неизбежно возникает некоторое угловое смещение обоймы относительно ротора, обусловленное отклонениями размеров деталей от их номинальных значений (в пределах заданных допусков). Однако это не препятствует установке гребня с крайне малым радиальным зазором между его заостренной кромкой и кольцевой поверхностью ротора. Такая возможность обусловлена тем, что при небольшом угловом смещении указанные элементы сохраняют взаимный контакт не более чем в одной точке, благодаря малой длине участка их взаимного сопряжения (ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения, стр. 12. «Термин 22. Двойная опорная база». 1976). Это исключает «закусывание» ротора гребнем обоймы. Недостатком конструкции является невысокая уплотняющая способность одиночного дросселя по сравнению с лабиринтным уплотнением. Кроме того, в процессе работы турбомашины имеет место фрикционное взаимодействие элементов уплотнения, приводящее к их быстрому износу.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа является уплотнение ротора турбопривода (М.В. Смирнов. Безлопаточные центробежные ступени для турбодетандеров малой мощности, рис. 10 - правое изображение, стр. 15. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб, 2019). Уплотнение ротора турбопривода содержит неподвижную стенку с осевым отверстием, установленный внутри отверстия ротор, гребни с заостренными кромками, и кольцевые поверхности, обращенные к упомянутым кромкам.
В собранном уплотнении между его внутренним и наружным элементами неизбежно имеет место взаимное радиальное смещение, обусловленное отклонениями размеров деталей от их номинальных значений (в пределах заданных допусков). Это может привести к взаимному касанию заостренных кромок гребней и кольцевых поверхностей, приводящему к их фрикционному взаимодействию с последующим износом. Во избежание этой проблемы уплотнение необходимо выполнять с повышенными величинами радиальных зазоров между указанными элементами, что снижет его уплотняющую способность.
Таким образом, недостатком конструкции по прототипу, препятствующим ее применению в малогабаритных турбоприводах, является низкая уплотняющая способность.
Технологическая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, -усовершенствование уплотнения ротора турбопривода.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении уплотняющей способности уплотнения ротора турбопривода.
Указанный результат достигается тем, что в уплотнении ротора турбопривода, содержащем неподвижную стенку с осевым отверстием, установленный внутри отверстия ротор, гребни с заостренными кромками, и кольцевые поверхности, обращенные к упомянутым кромкам, кольцевые поверхности выполнены на роторе, а гребни размещены на отдельных дисках, прикрепленных к неподвижной стенке.
На фиг. 1 приведен продольный разрез уплотнения ротора турбопривода; на фиг. 2 - уплотнение ротора турбопривода в процессе сборки; на фиг. 3 - гребни уплотнения ротора турбопривода в сборе (в увеличенном масштабе); на фиг. 4 - местные сечения А и Б на фиг. 3 (в увеличенном масштабе).
Уплотнение ротора турбопривода содержит неподвижную стенку 1 с осевым отверстием, установленный внутри отверстия ротор 2 и гребни 3 с заостренными кромками 4. На роторе 2 выполнены кольцевые поверхности 5, обращенные к упомянутым кромкам. Гребни 3 размещены на отдельных дисках 6, прикрепленных к неподвижной стенке 1.
В промежутках между заостренными кромками 4 гребней 3 сформированы кольцевые камеры 7. В описываемой конструкции уплотнения диски 6 прикреплены к неподвижной стенке 1 гайкой 8. При этом число дисков 6 может варьироваться от одного до нескольких, исходя требуемой уплотняющей способности.
Уплотнение ротора турбопривода работает следующим образом. В процессе работы турбопривода некоторая часть потока протекает из области высокого давления в область низкого давления вдоль вала 2 через осевое отверстие неподвижной стенки 1 (показано наклонными стрелками). Проходя через уплотнение, газ ускоряется в кольцевых щелях, образованных гребнями 3, и далее тормозится в кольцевых камерах 7. При многократных ускорениях и торможениях скорость, а вместе с ней расход утечек газа существенно снижается.
В процессе сборки турбопривода неподвижная стенка 1 и ротор 2 предварительно устанавливаются на свои рабочие позиции. Далее диски 6 с гребнями 3 поочередно надеваются на ротор 2 (показано горизонтальными стрелками), прижимаются к неподвижной стенке 1 и совместно фиксируются гайкой 8. При сборке описываемого уплотнения, как и в (Патент РФ на полезную модель №193118, F01D 11/00, 2019), неизбежно возникает некоторое угловое смещение дисков 6 с относительно ротора 2, обусловленное отклонениями размеров деталей от номинальных значений (в пределах заданных допусков). Однако это не препятствует установке гребней 3 с крайне малыми радиальными зазорами между их заостренными кромками 4 и кольцевыми поверхностями 5 ротора 2. Такая возможность обусловлена тем, что при небольшом угловом смещении указанные элементы сохраняют взаимный контакт не более чем в одной точке благодаря малым длинам участков их взаимного сопряжения. Это исключает «закусывание» ротора 2 гребнями 3 дисков 6.
После сборки уплотнения и выполнения первоначальной притирки заостренных кромок 4 и кольцевых поверхностей 5 вращение турбопривода продолжается без их фрикционного взаимодействия и сопутствующего этому износа.
Как было отмечено выше, в заявляемом уплотнении величины радиальных зазоров между заостренными кромками 4 гребней 3 и кольцевыми поверхностями 5 ротора 2 может быть крайне малой, не превышающей нескольких сотых долей миллиметра. Это многократно меньше величин соответствующих зазоров в уплотнении по прототипу и обеспечивает более высокую уплотняющую способность заявляемого уплотнения.
Высокая уплотняющая способность заявляемого уплотнения может способствовать внедрению многоступенчатых турбин со ступенями давления в малогабаритные турбоприводы, применяемые, в частности, в ручных пневматических шлифовальных машинах.
Все элементы описанной конструкции могут быть изготовлены на обычном обрабатывающем оборудовании.