УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ И СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ГАЗОВОГО ТРАКТА
SEALING ASSEMBLY AND METHOD OF SEALING GAS PATH

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение, описанное в данном документе, относится к области уплотнений, применяемых в турбоустановках. Более конкретно, описанное в данном документе изобретение относится к способу и устройству для гашения вибраций эластичного пластинчатого уплотнения, предназначенного для применения в зоне сопряжения вращающегося элемента, например ротора в гидротурбине или компрессоре, и неподвижного элемента, например корпуса или статора.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Динамическое уплотнение между вращающимся элементом и неподвижным элементом является важным вопросом в турбостроении. Для обеспечения уплотнения применяется несколько способов. В частности, используется уплотнение на основе гибких элементов, которое содержит уплотнительные элементы, например эластичные пластинчатые уплотнения и/или щеточные уплотнения. Щеточные уплотнения обычно содержат плотно расположенные, в целом цилиндрические щетинки, которые расположены в шахматном порядке для обеспечения уменьшения протечки. Указанные щетинки обладают низкой жесткостью в радиальном направлении, что позволяет им перемещаться в случае отклонения ротора с одновременным сохранением зазора с плотным прилеганием во время работы в установившемся режиме. Однако щеточные уплотнения в целом эффективны лишь при значении перепада давления в уплотнении ниже предельного значения. Вследствие по существу цилиндрической геометрии щетинок щеточные уплотнения обладают низкой жесткостью в осевом направлении, что ограничивает максимальный рабочий перепад давления в известных щеточных уплотнениях.
В отличие от этого, по меньшей мере некоторые известные эластичные пластинчатые уплотнения имеют пластинчатую конфигурацию, которая обладает значительно более высокой осевой жесткостью при сопоставимой по величине радиальной жесткости, и, следовательно, такие уплотнения могут использоваться при больших перепадах давления, чем известные щеточные уплотнения. Однако в эластичных пластинчатых уплотнениях может возникать осевая протечка между смежными эластичными пластинами, что может вызывать возбуждаемые потоком вибрации или колебания эластичных пластин. Такие вибрации могут снизить срок службы указанных пластин.
Так, например, в патентном документе US 2008/0131269 описан уплотнительный узел, содержащий эластичные уплотнительные элементы 16, прикрепленные к неподвижному корпусу турбоустановки. В уплотнительных элементах выполнены зазоры 20, которые имеют различную длину в радиальном направлении и в которые входят кольца 18 элемента 17, обеспечивающего сопротивление осевому потоку. Однако при такой конфигурации по-прежнему сохраняется проблема возникновения вибрации эластичных элементов под действием потока, поскольку в зазорах между кольцами элемента для сопротивления потоку и эластичными элементами отсутствуют какие-либо средства для гашения таких вибраций и колебаний.
Уплотнительный узел, описанный в патентном документе US 6267381, содержит эластичные полосы 6, между которыми имеются зазоры. В зазорах между корневыми частями смежных полос 6 могут быть расположены разделители 7. Однако такие разделители, во-первых, не расположены непосредственно на полосах или смежно с ними и, во-вторых, не обеспечивают гашения вибраций, а служат лишь для отделения эластичных полос, в частности их концевых частей, друг от друга.
В патентном документе US 2007/0102886 на уплотнительных элементах 29 уплотнительного узла выполнены утолщения 41. Поскольку указанные утолщения расположены только на концах уплотнительных элементов, при сильной осевой протечке они не обеспечат надлежащего гашения вибраций и колебаний.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом варианте выполнения турбоустановка содержит неподвижный корпус и ротор, вращающийся вокруг оси. Уплотнительный узел для турбоустановки содержит переднее кольцо и заднее кольцо, соединенные с неподвижным корпусом, и эластичные пластинчатые элементы, прикрепленные к внутренней поверхности неподвижного корпуса так, что переднее кольцо проходит в периферическом направлении за передние поверхности эластичных пластинчатых элементов, а заднее кольцо проходит в периферическом направлении за задние поверхности эластичных пластинчатых элементов. Эластичные пластинчатые элементы образуют уплотнительное кольцо между неподвижным корпусом и ротором. В каждом из эластичных пластинчатых элементов выполнен по меньшей мере один паз. Уплотнительный узел дополнительно содержит по меньшей мере одно неподвижное кольцо, прикрепленное к внутренней поверхности неподвижного корпуса и проходящее в радиальном направлении в указанный по меньшей мере один паз, выполненный в эластичных пластинчатых элементах. Каждое из указанного по меньшей мере одного неподвижного кольца проходит в периферическом направлении через эластичные пластинчатые элементы и между ними, так что указанное по меньшей мере одно кольцо служит в качестве барьера для по меньшей мере некоторой части осевого потока протечки между эластичными пластинчатыми элементами. Наконец, уплотнительный узел содержит гаситель вибраций, расположенный смежно с эластичными пластинчатыми элементами или на них. Гаситель вибраций выполнен с возможностью гашения вибраций эластичных пластинчатых элементов и покрывает по существу всю их поверхность.
Во втором варианте выполнения способ уплотнения газового тракта между неподвижным корпусом турбоустановки и подвижным элементом, вращающимся вокруг оси турбоустановки, включает присоединение переднего кольца и заднего кольца к неподвижному корпусу и расположение эластичных пластинчатых элементов на внутренней поверхности неподвижного корпуса так, что переднее кольцо проходит в периферическом направлении за передние поверхности эластичных пластинчатых элементов, а заднее кольцо проходит в периферическом направлении за задние поверхности эластичных пластинчатых элементов. В каждом из эластичных пластинчатых элементов выполняют по меньшей мере один паз. Способ также включает расположение на внутренней поверхности неподвижного корпуса по меньшей мере одного неподвижного кольца, проходящего в радиальном направлении в указанный по меньшей мере один паз, выполненный в эластичных пластинчатых элементах. Наконец, способ включает расположение гасителя вибраций смежно с эластичными пластинчатыми элементами или на них для гашения вибраций указанных элементов, причем гаситель вибраций покрывает по существу всю их поверхность.
В третьем варианте выполнения турбина или компрессор содержит ротор, вращающийся вокруг оси, неподвижный корпус, окружающий ротор, и разделенный по окружности на части уплотнительный узел, расположенный между ротором и неподвижным корпусом. Каждая часть уплотнительного узла дополнительно содержит эластичные пластинчатые элементы, прикрепленные к внутренней поверхности неподвижного корпуса. Эластичные пластинчатые элементы образуют уплотнительное кольцо между неподвижным корпусом и ротором. В каждом из эластичных пластинчатых элементов выполнен по меньшей мере один паз. Каждая часть уплотнительного узла дополнительно содержит по меньшей мере одно неподвижное кольцо, прикрепленное к внутренней поверхности неподвижного корпуса и проходящее в радиальном направлении в указанный по меньшей мере один паз, выполненный в эластичных пластинчатых элементах. Каждый из указанного по меньшей мере одного кольца проходит в периферическом направлении через эластичные пластинчатые элементы и между ними, так что указанное по меньшей мере одно кольцо служит в качестве барьера для по меньшей мере некоторой части осевого потока протечки между эластичными пластинчатыми элементами. Наконец, каждая часть уплотнительного узла содержит гаситель вибраций, расположенный смежно с эластичными пластинчатыми элементами или на них. Гаситель вибраций выполнен с возможностью гашения вибраций эластичных пластинчатых элементов и покрывает по существу всю их поверхность.
Наличие гасителя вибраций, расположенного смежно с эластичными пластинчатыми элементами или на них и покрывающего по существу всю их поверхность, обеспечивает надежное гашение колебаний или вибраций эластичных элементов, возбуждаемых осевым потоком протечки, даже при значительных величинах такой протечки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания при его прочтении со ссылкой на сопроводительные чертежи, на всем протяжении которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:
фиг. 1 изображает разрез турбинной установки в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 2 изображает вид в аксонометрии уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 3 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 4 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 5 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 6 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 7 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 8 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 9 изображает радиальный разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения.
фиг. 10 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 11 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 12 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 13 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 14 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
фиг. 15 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения, и
фиг. 16 изображает осевой разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Несмотря на то что возможно выполнение различных модификаций и альтернативных форм данного изобретения, в данном документе в качестве примера приведены и описаны при помощи чертежей и таблиц конкретные варианты выполнения. Однако следует понимать, что указанные варианты выполнения не ограничены описанными конкретными формами. Напротив, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в рамках идеи и объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, несмотря на то что в данном документе для простоты объяснения рассмотрены отдельные варианты выполнения, предполагается, что изобретение охватывает все комбинации этих вариантов выполнения.
На фиг. 1 изображен разрез варианта выполнения турбинной установки 10, которая может содержать различные компоненты, некоторые из которых для простоты не показаны. В изображенном варианте выполнения газотурбинная установка 10 содержит компрессорную секцию 12, топочную секцию 14 и турбинную секцию 16. Турбинная секция 16 содержит неподвижный корпус 18 и вращающийся элемент 20, который вращается вокруг оси 22. К вращающемуся элементу 20 прикреплены подвижные лопатки 24, а к неподвижному корпусу 18 прикреплены неподвижные лопатки 26. Подвижные лопатки 24 и неподвижные лопатки 26 расположены с чередованием в осевом направлении. Имеется несколько возможных положений, в которых могут быть установлены эластичные пластинчатые уплотнительные узлы с гасителями вибраций согласно различным вариантам выполнения, например положение 28 между подвижной лопаткой 24 с бандажом и неподвижным корпусом 18, положение 30 между вращающимся элементом 20 и неподвижной лопаткой 26 или положение 32 концевого уплотнения между вращающимся элементом 20 и неподвижным корпусом 18.
Описанный в данном документе усовершенствованный эластичный пластинчатый уплотнительный узел обеспечивает конструкцию, которая гасит вибрации эластичных пластинчатых элементов, тем самым потенциально увеличивая срок службы указанного узла. Описанный в данном документе эластичный пластинчатый уплотнительный узел может использоваться в любой соответствующей ротационной установке, например, но без ограничения этим, в турбинной установке 10, показанной на фиг. 1. На фиг. 2 изображен вид в аксонометрии иллюстративного эластичного пластинчатого уплотнительного узла 40. На фиг. 3-8 и 10-15 изображены осевые разрезы различных вариантов выполнения уплотнительного узла 40 по линии 3-3. В изображенных вариантах выполнения уплотнительный узел 40 способствует уменьшению осевой протечки между вращающимся элементом 20 и неподвижным корпусом 18. Более конкретно, в иллюстративных вариантах выполнения изобретения элемент 20 вращается относительно корпуса 18.
Как показано на фиг. 2, узел 40 содержит эластичные пластинчатые элементы 42, которые прикреплены их основаниями 44, обращенными друг к другу, к неподвижному корпусу 18. Используемое в данном документе выражение «обращенные друг к другу» относится к ориентации, при которой первая боковая поверхность 46 одного эластичного пластинчатого элемента 42 расположена смежно со второй боковой поверхностью 48 ближайшего смежного эластичного пластинчатого элемента 42. Элементы 42 расположены в периферическом направлении вокруг вращающегося элемента 20 и могут быть наклонены относительно радиального направления. Кроме того, отношение осевой жесткости элементов 42 к их радиальной жесткости значительно выше по сравнению с указанным отношением для щетинок в щеточных уплотнениях. Каждая боковая поверхность 46 и 48 проходит от передней поверхности 50, расположенной на стороне 52 высокого давления, к задней поверхности 54, расположенной на стороне 56 низкого давления, каждого элемента 42, и от основания 44 к вершине 58 каждого элемента 42. В иллюстративном варианте выполнения каждый эластичный пластинчатый элемент 42 является по существу пленарным, или плоским, вдоль каждой боковой поверхности 46 и 48. Как вариант, элементы 42 могут иметь не пленарную, а иную форму. Например, элементы 42 могут быть искривлены, изогнуты в одном или нескольких местоположениях либо могут иметь переменную толщину.
В иллюстративном варианте выполнения, когда эластичные пластинчатые элементы 42 имеют постоянную толщину 60, между смежными элементами 42 образован зазор 62, ширина которого вблизи оснований 44 больше, чем вблизи вершин 58. Соответственно, зазор 62 сужается от оснований 44 к вершинам 58 элементов 42. Фактически, можно сказать, что основания 44 элементов 42 «неплотно расположены», а вершины 58 «плотно расположены». Используемое в данном документе выражение «плотно расположены» относится к конфигурации, при которой вершины смежных пластин 58 не контактируют друг с другом, но расположены с малым интервалом, например, но без ограничения этим, с интервалом приблизительно 0,005 мм. Зазор 62 обеспечивает возможность свободного перемещения смежных пластинчатых элементов 42 в радиальном направлении. В альтернативном варианте выполнения толщина 60 элементов 42 может изменяться от оснований 44 к вершинам 58, при этом соответственно изменяются зазоры 62.
В иллюстративном варианте выполнения эластичные пластинчатые элементы 42 присоединены к неподвижному корпусу 18 так, что каждый элемент 42 расположен под углом 64 (также называемым в данном документе «углом наклона») относительно соответствующей касательной плоскости 66 вращающегося элемента 20. Более конкретно, по меньшей мере одна из боковых поверхностей 46 и/или 48 расположена под углом 64 относительно касательной плоскости 66. В иллюстративном варианте выполнения угол 64 наклона составляет менее чем приблизительно 90 градусов. В одном варианте выполнения угол 64 наклона может составлять от приблизительно 30 до 60 градусов. В иллюстративном варианте выполнения угол 64 выбран с обеспечением наклона пластинчатых элементов 42 в сторону от направления 68 вращения подвижного элемента 20, так что угол 64 способствует вращению элемента 20 в уплотнительном узле 40.
В иллюстративном варианте выполнения каждый элемент 42 имеет по существу прямоугольный профиль поперечного сечения. Однако в других вариантах выполнения элементы 42 могут иметь поперечное сечение непрямоугольной формы, например Т-образной, трапецеидальной и/или любой другой соответствующей формы, которая обеспечивает функционирование уплотнительного узла 40 в соответствии с приведенным описанием. Как вариант, каждый элемент 42 может иметь поперечное сечение, которое сходится или сужается от основания 44 к вершине 58, дугообразное поперечное сечение и/или поперечное сечение любой другой формы, которая обеспечивает функционирование уплотнительного узла 40 в соответствии с приведенным описанием.
Через эластичные пластинчатые элементы 42 проходит по меньшей мере частично элемент 70 сопротивления осевому потоку, способствующий предотвращению осевой протечки между зазорами 62. Более конкретно, в иллюстративном варианте выполнения элемент 70 сопротивления проходит в периферическом направлении вокруг неподвижного корпуса 18 и в направлении радиально внутрь от корпуса 18 к вращающемуся элементу 20. В иллюстративном варианте выполнения элемент 70 содержит по меньшей мере одно кольцо 72, которое соединено с корпусом 18 и проходит в радиальном направлении в периферический кольцевой паз 74, образованный в каждом эластичном пластинчатом элементе 42. Кольцо 72 может представлять собой непрерывное кольцо, проходящее по окружности в 360 градусов коаксиально вращающемуся элементу 20. В других вариантах выполнения кольцо 72 может быть разделено на несколько частей, например на 6 частей по 60 градусов каждая или на 4 части по 90 градусов каждая. В альтернативных вариантах выполнения элемент 70 сопротивления может содержать любое количество колец 72, которое обеспечивает функционирование уплотнительного узла 40 в соответствии с приведенным описанием.
При эксплуатации в описанных в данном документе вариантах выполнения эластичных пластинчатых уплотнительных узлов 40 может происходить самокорректирование, вызванное по меньшей мере частично конфигурацией тракта протечки вокруг элемента 70 сопротивления. Для таких вариантов выполнения узла 40, когда зазор между вершинами 58 эластичных пластинчатых элементов 42 увеличивается, возрастают гидростатические прижимные силы, в результате чего указанный концевой зазор уменьшается. Когда зазор между вершинами 58 элементов 42 уменьшается, возрастают гидростатические подъемные силы, в результате чего указанный концевой зазор увеличивается. Это приводит к наличию самокорректирующихся гидростатических подъемных/прижимных сил с пассивной обратной связью по концевому зазору. Данная пассивная обратная связь обеспечивает поддержание малого концевого зазора между пластинчатыми элементами 42 и ротором 20, причем эффективные гидростатические подъемные/прижимные силы, действующие на указанные элементы 42, сбалансированы в этом концевом зазоре. Следовательно, поддерживается постоянный концевой зазор. Таким образом, конкретные варианты выполнения гасителей вибраций, подробно описанные ниже, по существу не взаимодействуют с трактом протечки вокруг элемента 70 сопротивления для обеспечения поддержания самокорректирования уплотнительного узла 40.
На фиг. 3 изображен осевой разрез эластичного пластинчатого уплотнительного узла 40 в соответствии с первым вариантом выполнения данного изобретения. В отличие от уплотнительного узла 40, показанного на фиг. 2, на фиг. 3 для простоты показано только одно кольцо 72. В альтернативных вариантах выполнения узел 40 может иметь набор пазов 74 и набор колец 72 различных размеров, при этом каждое кольцо 72 проходит в соответствующий паз 74. Кроме того, все сказанное выше о самокорректировании применимо к уплотнительному узлу 40 с набором колец 72 и пазов 74. Элементы на фиг. 3, аналогичные элементам, показанным на фиг. 2, обозначены теми же номерами позиций.
Кольцо 72 имеет переднюю поверхность 92, обращенную к стороне 52 высокого давления, заднюю поверхность 94, обращенную к стороне 56 низкого давления, и вершину 96. Паз 74 имеет первую поверхность 98, обращенную к передней поверхности 92 кольцо 72, вторую поверхность 100, обращенную к задней поверхности 94 кольца 72, и третью поверхность 102, обращенную к вершине 96 кольца 72. Между первой поверхностью 98 паза 74 и передней поверхностью 92 кольца 72 образован передний кольцевой зазор 104. Между второй поверхностью 100 паза 74 и задней поверхностью 94 кольца 72 образован задний кольцевой зазор 106. Между третьей поверхностью 102 паза 74 и вершиной 96 кольца 72 образован промежуточный зазор 108.
Уплотнительный узел 40 может дополнительно содержать переднее кольцо 110 и заднее кольцо 112, соединенные с неподвижным корпусом 18. Переднее кольцо 110 проходит в периферическом направлении за передние поверхности 50 эластичных пластинчатых элементов 42, а заднее кольцо 112 проходит в периферическом направлении за задние поверхности 54 эластичных пластинчатых элементов 42. Зазор, образованный между передним кольцом 110 и передними поверхностями 50, называется зазором 114 переднего кольца, а зазор, образованный между задним кольцом 112 и задними поверхностями 54 называется зазором 116 заднего кольца. Зазор 114 и зазор 116 могут быть выполнены малыми либо большими. Величины указанных зазоров 114 и 116 не оказывают критического влияния на работу уплотнительного узла 40.
В изображенном варианте выполнения к передней поверхности 92 кольца 72 прикреплен гаситель 118 вибраций. Для прикрепления гасителя 118 к кольцу 72 могут использоваться различные способы, например, но без ограничения этим, прикрепление с помощью клеящих веществ, сварки, пайки или винтовых крепежных элементов. Рабочая температура уплотнительного узла 40 может ограничивать выбор материала для гасителя 118 вибраций и/или способа его прикрепления. Например, использование пайки или клеящих веществ может быть неподходящим при очень высоких рабочих температурах. Во время работы эластичные пластинчатые элементы 42 могут колебаться или вибрировать вследствие осевой протечки, которая происходит через зазоры 62 между смежными элементами 42. Контакт между пластинчатыми элементами 42 и гасителем 118 может способствовать уменьшению интенсивности вибраций или колебаний. Таким образом, толщина гасителя 118 вибраций может быть приблизительно равна ширине переднего кольцевого зазора 104. Как вариант, толщина гасителя 118 вибраций может быть меньше ширины зазора 104, а перепад давления и/или перемещение текучей среды от стороны 52 высокого давления к стороне 56 низкого давления может способствовать отклонению первой поверхности 98 элементов 42 к поверхности гасителя 118 вибраций.
В изображенном варианте выполнения гаситель 118 вибраций может быть выполнен из пористого материала для обеспечения возможности протекания текучей среды через гаситель 118 без оказания, таким образом, влияния на самокорректирование уплотнительного узла 40. Например, гаситель 118 вибраций может представлять собой пористую сетку с пористостью, превышающей приблизительно 25%, 50% или 75%. Гаситель 118 вибраций может быть изготовлен из различных пористых материалов, например, но без ограничения этим, из металлов. Возникающий во время работы контакт между гасителем 118 вибраций и эластичными пластинчатыми элементами 42 вызывает износ гасителя 118 и/или элементов 42. В конкретных вариантах выполнения гаситель 118 вибраций может представлять собой истираемую сетку. Другими словами, материал гасителя 118 вибраций может быть менее износостойким, чем материал эластичных пластинчатых элементов 42. Например, для содействия предотвращению износа элементов 42 прочность, жесткость и/или твердость гасителя 118 вибраций могут быть меньше, чем соответствующие прочность, жесткость и/или твердость пластинчатых элементов 42. Как и кольцо 72, гаситель 118 вибраций может представлять собой непрерывное кольцо, проходящее по окружности в 360 градусов коаксиально вращающемуся элементу 20. В других вариантах выполнения гаситель 118 вибраций может быть разделен на несколько частей, например на 6 частей по 60 градусов каждая или на 4 части по 90 градусов каждая. Несмотря на то что в изображенном варианте выполнения гаситель 118 занимает большую часть переднего зазора 104, в других вариантах выполнения занимаемая гасителем 118 часть переднего зазора 104 может быть меньше. Другими словами, радиальная высота 119 гасителя 118 вибраций может быть выбрана с обеспечением необходимого для конкретного применения уровня гашения вибраций.
На фиг. 4 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения. Элементы на фиг. 4, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения гаситель 118 вибраций прикреплен к задней поверхности 94 кольца 72. Таким образом, гаситель 118 занимает задний кольцевой зазор 106. Во всем остальном гаситель 118 вибраций, показанный на фиг. 4, аналогичен гасителю 118 вибраций, показанному на фиг. З. Однако из-за того, что поток текучей среды со стороны 52 высокого давления к стороне 56 низкого давления может вызывать перемещение эластичных пластинчатых элементов 42 от гасителя 118 вибраций, гаситель 118 может быть расположен ближе к основаниям 44 элементов 42, а не к вершинам 58. Другими словами, элементы 42 отклоняются от гасителя 118 на меньшую величину вблизи основания 44, чем у вершин 58, поскольку у оснований 44 элементы 42 прикреплены к неподвижному корпусу 18.
На фиг. 5 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40, в котором объединены элементы вышеописанных вариантов выполнения. Элементы на фиг. 5, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения в уплотнительном узле 40 выполнено два гасителя 118 вибраций. Первый гаситель 118 прикреплен к первой поверхности 98, а второй гаситель 118 прикреплен к задней поверхности 94. Такая конфигурация двух гасителей 118 вибраций может обеспечивать дополнительное демпфирование эластичных пластинчатых элементов 42. Кроме того, при изнашивании одного из гасителей 118 вибраций, второй гаситель 118 может продолжать обеспечивать гашение вибраций. Другие особенности гасителя 118 вибраций аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
На фиг. 6 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с еще одним вариантом выполнения данного изобретения. Элементы на фиг. 6, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения гаситель 118 вибраций прикреплен к поверхности переднего кольца 110, обращенной к эластичным пластинчатым элементам 42. Как показано на чертеже, гаситель 118 вибраций может занимать зазор 114 переднего кольца. Как и в вышеописанных вариантах выполнения гасителя 118 вибраций, конфигурация, например радиальная высота 119, может быть подобрана с обеспечением удовлетворения требованиям конкретного варианта применения. Гаситель 118 вибраций может содержать опорную пластину 120, которая не является пористой и обеспечивает возможность действия давления и/или расхода потока текучей среды в качестве механизма поджатия для обеспечения поддержания контакта между гасителем 118 вибраций и передней поверхностью 50 элементов 42. Кроме того, опорная пластина 120 может обеспечивать возможность выравнивания гасителя 118 вибраций в узле 40 в радиальном направлении и может придавать дополнительную толщину и/или устойчивость гасителю 118. Пластина 120 может быть изготовлена из различных материалов, например, но без ограничения этим, из металлов. Кроме того, пластина 120 может быть выполнена в виде непрерывного кольца, проходящего по окружности 360 градусов, или в виде меньших частей. В различных вариантах выполнения радиальная высота переднего кольца 110 может быть меньше или больше, чем высота, показанная на фиг. 6. В других вариантах выполнения переднее кольцо 110 может отсутствовать. Другие особенности гасителя 118 вибраций, показанного на фиг. 6, аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
На фиг. 7 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения. Элементы на фиг. 7, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения в кольце 72 имеется паз 122 для поджимающего элемента, проходящий в периферическом направлении и в радиальном направлении в указанное кольцо 72. В пазу 122 расположен поджимающий элемент 124. Верхняя часть элемента 124 может быть прикреплена к неподвижному корпусу 18 или к верхней части паза 122. Поджимающий элемент 124 может представлять собой пружину или другое пружинящее устройство. К нижней части элемента 124 присоединен поршень 126, который может использоваться для передачи поджимающего усилия от элемента 124 к гасителю 118 вибраций. Поршень 126 может представлять собой кольцо, которое проходит в периферическом направлении через паз 122. Верхняя часть гасителя 118 вибраций может проходить в паз 122 через верхнее отверстие 128. Аналогичным образом, нижняя часть гасителя 118 вибраций может проходить в нижнее отверстие 130, расположенное вблизи вершины 96 кольца 72. Гаситель 118 вибраций может быть закреплен в нижнем отверстии 130 и может свободно перемещаться назад и вперед через верхнее отверстие 128. Например, перемещение поджимающего элемента 124 в направлении вниз к оси 22 может вызывать перемещение гасителя 118 вибраций в направлении наружу через верхнее отверстие 128. В ходе работы гаситель 118 вибраций может изнашиваться и становиться тоньше. Для поддержания контакта гасителя 118 вибраций с эластичными пластинчатыми элементами 42 поджимающий элемент 124 может давить на гаситель 118 в направлении вниз с обеспечением его выталкивания через верхнее отверстие 128. Несмотря на то что гаситель 118 вибраций показан расположенным в переднем зазоре 104, он также может быть расположен в заднем зазоре 106 или в переднем и заднем зазорах 104 и 106. Другие особенности гасителя 118 вибраций аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
На фиг. 8 изображен осевой разрез другого варианта выполнения эластичного уплотнительного узла 40. Элементы на фиг. 8, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В периферическом направлении через стороны высокого давления эластичных пластинчатых элементов 42 проходит паз 140 для гасителя вибраций. В периферическом направлении через указанный паз 140 пластинчатых элементов 42 проходит виброгасительное кольцо 142. Во время работы кольцо 142 контактирует с внутренними поверхностями паза 140, что может обеспечивать гашение вибраций элементов 42. Виброгасительное кольцо 142 может представлять собой непрерывное кольцо, проходящее по окружности в 360 градусов коаксиально вращающемуся элементу 20, или может быть разделено на несколько меньших частей. Кольцо 142 может иметь круглое поперечное сечение, как показано на фиг. 8, или может иметь поперечное сечение других форм, например, но без ограничения этим, овальной, квадратной, прямоугольной, треугольной и т.д. Аналогичным образом, несмотря на то что паз 140 для гасителя вибраций на фиг. 8 имеет овальное поперечное сечение, его поперечное сечение может иметь другую форму, например, но без ограничения этим, овальную, квадратную, прямоугольную, треугольную и т.д.
В изображенном варианте выполнения паз 140 для гасителя вибраций не проходит через сторону высокого давления эластичных пластинчатых элементов 42 насквозь и, соответственно, не делит элементы 42 на две части. Другими словами, паз 140 является глухим пазом. Радиальная высота паза 140 может превышать радиальную высоту виброгасительного кольца 142 для обеспечения возможности перемещения кольца 142 в радиальном направлении в ответ на радиальное перемещение элементов 42. Аналогичным образом, осевая ширина паза 140 может превышать осевую ширину виброгасительного кольца 142 для обеспечения возможности перемещения кольца 142 в осевом направлении в ответ на осевое перемещение элементов 42. Поскольку через паз 140 не протекает текучая среда, то отсутствует необходимость в изготовлении кольца 142 из пористого материала. Однако для содействия предотвращению чрезмерного износа внутренней поверхности паза 140 твердость виброгасительного кольца 142 может быть меньше, чем твердость эластичных пластинчатых элементов 42. Несмотря на то что паз 140 показан расположенным на стороне высокого давления элементов 42, он также может быть расположен на стороне низкого давления или на стороне низкого давления и стороне высокого давления элементов 42. Другие особенности виброгасительного кольца 142 аналогичны особенностям вышеописанных гасителей 118 вибраций.
На фиг. 9 показано радиальное поперечное сечение эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с еще одним вариантом выполнения. Элементы на фиг. 9, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения на одну или более поверхностей эластичных пластинчатых элементов 42 нанесено покрытие 150. Например, покрытие может быть нанесено на первую боковую поверхность 46 элементов 42, вторую боковую поверхность 48 или на первую и вторую боковые поверхности 46 и 48. Покрытие 150 может гасить вибрации эластичных пластинчатых элементов 42. В частности, покрытие 150 действует в качестве структурного демпфера, обеспечивающего рассеивание колебательной энергии в элементах 42. Как правило, структурное демпфирование подавляет только резонансные перемещения. Однако оно также может ослаблять нерезонансную вибрацию вследствие повышенной жесткости и/или массы элементов 42. Покрытие 150 может быть выполнено из вязкоупругого материала, который способен накапливать потенциальную энергию напряжений при деформации и рассеивать часть этой энергии вследствие гистерезиса. К примерам материалов, которые могут использоваться для покрытия 150, относятся, но без ограничения этим, нитрид хрома (CrN), никелево-титановый сплав (NiTi), алмазоподобный углерод (DLC) и т.д. К способам нанесения покрытия 150 на эластичные пластинчатые элементы 42 относятся, но без ограничения этим, физическое осаждение из паровой фазы (PVD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), напыление, нанесение погружением, нанесение кистью, покрытие пленкой, каландрование и т.д. Несмотря на то что на чертеже покрытие 150 показано нанесенным по всей поверхности элементов 42, в других вариантах выполнения оно может покрывать только часть поверхности элементов 42 в зависимости от необходимого уровня гашения вибраций. Кроме того, исходя из необходимого уровня гашения вибраций может быть выбрана толщина покрытия 150. Более толстые покрытия 150 могут обеспечивать дополнительное гашение вибраций. Однако толщина покрытия 150 может быть не настолько большой, чтобы перекрывать зазоры 62 между смежными эластичными пластинчатыми элементами 42. Кроме того, толщина покрытия 150 может уменьшаться по направлению к вершине 58 каждого элемента 42. В конкретных вариантах выполнения покрытие 150 может быть объединено с гасителями 118 вибраций, описанными выше.
На фиг. 10 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения. Элементы на фиг. 10, аналогичные элементам, показанным на фиг. 3, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения для гашения вибраций эластичных пластинчатых элементов 42 может использоваться виброгасительная пластина 160. В частности, пластина 160 может быть прикреплена к кольцу 72 в месте 162 соединения. Указанное место 162 соединения может представлять собой клеевое, сварное, паяное, винтовое соединение или соединение, полученное любым другим соответствующим способом соединения двух материалов друг с другом. Виброгасительная пластина 160 может иметь в целом выгнутую форму с внешней выпуклой поверхностью, контактирующей с эластичными пластинчатыми элементами 42. В изображенном варианте выполнения пластина 160, расположенная в переднем зазоре 104, может быть прикреплена к кольцу 72 вблизи его вершины 96. Благодаря такой конфигурации текучая среда, протекающая от стороны 52 высокого давления вблизи основания 44 эластичных пластинчатых элементов 42 может способствовать толканию виброгасительной пластины 160 к указанным элементам 42. Аналогичным образом, пластина 160, расположенная в заднем зазоре 106, может иметь место 162 соединения, расположенное ближе к основанию 44 элементов 42. Таким образом, поток текучей среды от вершины 96 кольца 72 к основаниям 44 элементов 42 может способствовать толканию пластины 160 к элементам 42. В конкретных вариантах выполнения виброгасительная пластина 160 может быть установлена только в переднем зазоре 104, только в заднем зазоре 106 или в переднем и заднем зазорах 104 и 106.
Твердость виброгасительной пластины 160 может быть меньше, чем твердость эластичных пластинчатых элементов 42. Кроме того, поверхность пластины 160 может быть более гладкой, чем поверхность гасителя 118 вибраций. Гладкая поверхность пластин 160, используемая вместо пористой сетки, подробно описанной выше, может вызывать меньший износ эластичных пластинчатых элементов 42. Кроме того, в пластине 160 могут быть выполнены отверстия для обеспечения возможности протекания некоторого количества текучей среды через пластину 160, что может способствовать самокорректированию уплотнительного узла 40. Другими словами, виброгасительная пластина 160 с отверстиями может действовать аналогично пористому гасителю 118 вибраций, подробно описанному выше. Пластина 160 может быть выполнена либо в виде единого кольца, проходящего по окружности в 360 градусов, либо в виде нескольких дугообразных частей. В случае выполнения пластины 160 в виде нескольких дугообразных частей указанные части могут быть отделены зазорами с обеспечением дополнительного содействия самокорректированию узла 40. Другими словами, текучая среда может протекать через зазоры между частями виброгасительных пластин 160. В других вариантах выполнения части пластин 160 могут быть расположены без зазоров, либо указанные части могут перекрывать друг друга.
На фиг. 11 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения. Элементы на фиг. 11, аналогичные элементам, показанным на предыдущих чертежах, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения гасители 118 вибраций размещены в пазу 122 для поджимающего элемента, расположенном вблизи вершины 96 кольца 72. Кроме того, поджимающие элементы 124, прикрепленные к гасителям 118 вибраций, способствуют толканию гасителей 118 к эластичным пластинчатым элементам 42. Более того, гасители 118 могут быть выполнены с возможностью перемещения назад и вперед для компенсации осевого перемещения элементов 42. Кроме того, при изнашивании гасителей 118 вибраций поджимающий элемент 124 может продолжает способствовать сохранению контакта между гасителем 118 и элементами 42. В конкретных вариантах выполнения гаситель вибраций, паз 122 и поджимающие элементы 124 могут быть расположены только в переднем зазоре 104, только в заднем зазоре 106 или в переднем и заднем зазорах 104 и 106. В случае когда гаситель 118 вибраций расположен и в переднем, и в заднем зазорах 104 и 106, часть кольца 72 может разделять паз 122 поджимающего элемента. Другими словами, текучая среда может не иметь возможности прохождения через паз 122 от переднего зазора 104 к заднему зазору 106. Как и в предыдущих вариантах выполнения, гаситель 118 может быть выполнен в виде единого кольца, проходящего по окружности в 360 градусов, или в виде нескольких дугообразных частей. Другие особенности уплотнительного узла 40 аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
На фиг. 12 изображен осевой разрез эластичного уплотнительного узла 40 в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения. Элементы на фиг. 12, аналогичные элементам, показанным на предыдущих чертежах, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения два гасителя 118 вибраций разделены только поджимающим элементом 124 и расположены в пазу 122 для указанного элемента, проходящем в осевом направлении через кольцо 72. Поджимающий элемент 124 может способствовать поддержанию контакта гасителей 118 вибраций с эластичными пластинчатыми элементами 42. Кроме того, может быть выполнен канал 170 для текучей среды высокого давления, способствующий толканию гасителей 118 вибраций к элементам 42. В частности, канал 170 может быть выполнен в неподвижном корпусе 18 и проходить через кольцо 72 с обеспечением возможности протекания текучей среды со стороны 52 высокого давления, находящейся под входным давлением 171, в паз 122 под давлением 173 в месте расположения гасителя 118 вибраций. В конкретных вариантах выполнения входное давление 171 может быть намного больше, чем давление 173 в месте расположения гасителя 118 вибраций. Таким образом, в канале 170 может быть выполнена ограничительная диафрагма 172, обеспечивающая ограничение расхода текучей среды высокого давления, протекающей в паз 122 с предотвращением тем самым чрезмерного поджатия гасителей 118 к элементам 42. Чрезмерное поджатие гасителей 118 вибраций может вызвать их ускоренное изнашивание.
В других вариантах выполнения, где имеет место высокий перепад давления в эластичном пластинчатом уплотнительном узле 40, избыточный перепад давления может вызвать чрезмерное поджатие гасителей 118 вибраций к эластичным пластинчатым элементам 42. Может быть выполнен отводящий канал 174, проходящий к стороне 56 низкого давления и способствующий предотвращению чрезмерного поджатия гасителей 118 вибраций. Кроме того, отводящий канал 174 может иметь отводящую ограничительную диафрагму 176, обеспечивающую уменьшение поджатия гасителей 118 вибраций. В других вариантах выполнения снижение избыточного перепада давления также может быть достигнуто при помощи зазора между гасителями 118 и пазом 122 для поджимающего элемента. В других вариантах выполнения входное отверстие канала 170 для текучей среды высокого давления может быть расположено в переднем кольцевом зазоре 104, как показано на фиг. 13. Давление 178 в указанном зазоре 104 может быть ниже, чем давление 171 на стороне 52 высокого давления, в результате чего уменьшается перепад давления в канале 170 и ограничивается степень поджатия гасителей 118. Давление 178 в зазоре 104 может быть больше, чем давление 173 в месте расположения гасителей 118 вибраций, что способствует поджатию гасителей 118 к элементам 42. Другие особенности уплотнительных узлов 40, показанных на фиг. 12 и 13, аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
На фиг. 14 изображен осевой разрез варианта выполнения эластичного уплотнительного узла 40. Элементы на фиг. 14, аналогичные элементам, показанным на предыдущих чертежах, обозначены теми же номерами позиций. В изображенном варианте выполнения для гашения вибраций эластичных пластинчатых элементов 42 могут быть выполнены виброгасительные щетинки 180. Щетинки 180 могут быть изготовлены из материала, например металла, твердость которого меньше твердости эластичных пластинчатых элементов 42. Диаметр щетинок 180 может составлять приблизительно от 0,1 до 0,8 мм, от 0,2 до 0,6 мм или от 0,4 до 0,5 мм. Диаметр щетинок 180, расстояние между ними и/или их расположение могут обеспечивать возможность прохождения текучей среды через указанные щетинки 180 и возможность свободного перемещения щетинок 180 в осевом и/или радиальном направлениях. Кроме того, виброгасительные щетинки 180 могут быть прикреплены к неподвижному корпусу 18 при помощи крепежной конструкции 182, которая может содержать клеевое, сварное, винтовое соединение или соединение, выполненное любыми другими соответствующими способами соединения двух элементов. Поскольку виброгасительные щетинки 180 могут иметь большую свободу перемещения, чем рассмотренные выше гасители 118 вибраций, то уплотнительный узел 40 содержит переднее кольцо 110, которое может использоваться для содействия уменьшению гистерезиса щетинок 180. Радиальная длина 119 щетинок 180 может быть меньше, чем радиальная высота кольца 72, поскольку щетинки 180 предназначены для гашения вибраций эластичных пластинчатых элементов 42, а не для действия в качестве уплотнения. Кроме того, щетинки 180 могут быть ориентированы под углом, отличным от угла 64 наклона элементов 42, с обеспечением содействия предотвращению запутывания или взаимодействия щетинок 180 с пластинчатыми элементами 42. В изображенном варианте выполнения виброгасительные щетинки 180 могут быть расположены в промежутке между передним кольцом 110 и элементами 42 и в заднем зазоре 106, причем в обоих указанных местоположения поток текучей среды способствует поджатию щетинок 180 к элементам 42. В других вариантах выполнения щетинки 180 могут быть расположены только вблизи переднего кольца 110 или только в заднем зазоре 106.
На фиг. 15 изображен осевой разрез варианта выполнения эластичного уплотнительного узла 40. Элементы на фиг. 15, аналогичные элементам, показанным на предыдущих чертежах, обозначены теми же номерами позиций. Изображенный вариант выполнения сочетает в себе особенности вариантов выполнения, подробно описанных выше. В частности, для содействия гашению вибраций эластичных пластинчатых элементов 42 используется виброгасительная пластина 160. Пластина 160 прикреплена к кольцу 72 в двух местах 162 соединения. Кроме того, в неподвижном корпусе 18 и кольце 72 выполнен канал 170 для текучей среды высокого давления. Текучая среда высокого давления в канале 170 способствует поджатию пластины 160 к эластичным пластинчатым элементам 42. В конкретных вариантах выполнения входное давление 171 может быть достаточно высоким для возникновения чрезмерного поджатия пластины 160 к элементам 42. Таким образом, может быть выполнен отводящий канал 174, проходящий к стороне 56 низкого давления и способствующий предотвращению чрезмерного поджатия пластины 160. Кроме того, в канале 170 и отводящем канале 174 могут быть выполнены соответственно ограничительная диафрагма 172 и отводящая ограничительная диафрагма 176, обеспечивающие ограничение расхода текучей среды высокого давления у пластины 160 с предотвращением тем самым чрезмерного поджатия пластины 160 к элементам 42. В других вариантах выполнения входное отверстие канала 170 может быть расположено в переднем кольцевом зазоре 104, аналогично варианту выполнения, показанному на фиг. 13. Виброгасительная пластина 160 может быть изготовлена из гибкого материала, например, но без ограничения этим, из металла. Поскольку пластина 160 занимает передний зазор 104, она может способствовать уменьшению протечки через эластичные пластинчатые элементы 42. Как и в вышеописанных вариантах выполнения, виброгасительная пластина 160 может быть расположена в переднем зазоре 104, в заднем зазоре 106 или в переднем и заднем зазорах 104 и 106. Другие особенности уплотнительного узла 40 аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
На фиг. 16 изображен осевой разрез варианта выполнения эластичного уплотнительного узла 40. Элементы на фиг. 16, аналогичные элементам, показанным на предыдущих чертежах, обозначены теми же номерами позиций.
В изображенном варианте выполнения виброгасительная пластина 160 толкается к эластичным пластинчатым элементам 42 с обеспечениям гашения вибрации указанных элементов 42. Пластина 160 прикреплена к кольцу 72 с помощью сильфонов 180, что обеспечивает пластине 160 гибкость для ее перемещения в осевом направлении в ответ на осевое перемещение элементов 42. Кроме того, поджатию пластины 160 к элементам 42 может способствовать текучая среда высокого давления. В частности, давление 178 в переднем кольцевом зазоре 104 может превышать давление вблизи сильфонов 180. Кроме того, в заднем зазоре 106 могут быть выполнены вторая виброгасительная пластина 160 и сильфоны 180. Давление 182 в заднем зазоре 182 может превышать давление вблизи сильфонов 180. В других вариантах выполнения входное отверстие канала 170 может быть расположено вблизи стороны 52 высокого давления, аналогично варианту выполнения, показанному на фиг. 15. Сильфоны 180 могут быть изготовлены из гибкого материала, например, но без ограничения этим, из металла. Другие особенности уплотнительного узла 40 аналогичны особенностям, подробно описанным выше.
В предложенном описании примеры используются для раскрытия данного изобретения, в том числе предпочтительного варианта выполнения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.