ТОРЦОВОЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ ОПОРЫ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
END GAS DYNAMIC SEAL OF TURBOMACHINE ROTOR SUPPORT

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных полостей опор роторов газотурбинных двигателей и энергетических установок.
Известно торцовое уплотнение газовой турбины, установленное на валу ротора турбомашины, содержащее уплотнительное кольцо, установленное в корпусе и прижатое пружинами к вращающейся втулке, а также вторичное уплотнение в виде поршневого кольца, которое герметизирует соединение уплотнительного кольца и корпуса при их взаимных перемещениях (Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М: Машиностроение, 1986. - 464 с. Страница 302, рис. 9.12). Данное уплотнение из-за применения поршневого чугунного кольца вместо традиционного вторичного уплотнения из резины можно применять при высоких температурах уплотняемой среды. Поршневое кольцо имеет поперечный разрез, наружный диаметр кольца выполняется больше диаметра корпуса, благодаря чему при установке кольца в результате его деформации на цилиндрической уплотняемой поверхности создается контактное давление (Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с. Страница 175, рис. 4.22).
Недостатком конструкции данного уплотнения является наличие повышенных утечек через вторичное уплотнение из-за наличия разреза поршневого кольца. При повышении температуры уплотняемой среды из-за различия коэффициентов температурного линейного расширения уплотнительного кольца и поршневого кольца контактное давление и величина зазора в поперечном разрезе поршневого кольца изменяются, что снижает эффективность торцового уплотнения.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано торцовое газодинамическое уплотнение фирмы John Crane тип 28ST (https://www.johncrane.com/~/media/J/Johncrane_com/Files/Products/Specification%20Sheets/S_28ST.pdf). Уплотнение содержит невращающееся подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо, прижатое пружинами к вращающейся втулке, на рабочем торце которой выполнены газодинамические камеры в виде спиральных канавок, а также вторичное уплотнение из трех сегментных графитовых колец, обжатых браслетными пружинами и расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы взаимно перекрыть разрезы графитовых колец. Это позволяет использовать уплотнение при температуре уплотняемой среды до 400°C.
Недостатком конструкции данного уплотнения является наличие разгерметизации во вторичном уплотнении при повышении температуры уплотняемой среды, так как из-за различия коэффициентов температурного линейного расширения материала корпуса и графита нарушится концентричность соприкасаемых поверхностей корпуса и графитовых колец, а также увеличатся зазоры между торцами сегментов графитовых сегментных колец. Также это приведет к повышенному изнашиванию графитовых колец по внутреннему диаметру при частой смене температурного режима, что характерно для авиационных газотурбинных двигателей.
Цель изобретения - повышение эффективности и ресурса торцового уплотнения при повышенной температуре уплотняемой среды.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной конструкции, являются упрощение конструкции, исключение разгерметизации вторичного уплотнения как при смене температурного режима, так и при повышенных температурах уплотняемой среды, снижение степени изнашивания вторичного уплотнения, повышение его надежности при работе и, как следствие, повышение эффективности и срока службы заявленного торцового уплотнения.
Указанные технические эффекты достигаются тем, что предлагается торцовое газодинамическое уплотнение опоры ротора турбомашины, содержащее невращающееся подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо, прижатое пружинами к вращающейся втулке, на рабочем торце которой выполнены газодинамические камеры, а также вторичное уплотнение, отличающееся тем, что вторичное уплотнение и уплотнительное кольцо изготовлены из одного износостойкого материала с высокой теплопроводностью, а вторичное уплотнение выполнено в виде цельного кольца, которое установлено в расточке корпуса и контактирует торцами с двумя дополнительными кольцами, установленными в той же расточке и выполненными из материала с малой теплопроводностью.
Такое конструктивное исполнение торцового газодинамического уплотнения позволяет следующее.
При вращении вала газодинамические канавки обеспечивают бесконтактную работу уплотнения, благодаря чему теплота трения, выделяемая в контакте уплотнительного кольца и вращающейся втулки, существенно снизится. К тому же пара трения охлаждается маслом, омывающим вращающее кольцо с обратной стороны.
Уплотнительное кольцо из-за высокой теплопроводности материала быстро прогревается до определенной температуры, величина которой определяется условиями теплообмена уплотнительного кольца с омывающими его воздушной и масляной полостями. Вторичное уплотнение прогревается до той же температуры, что и уплотнительное кольцо. Кольцо вторичного уплотнения, выполненное из того же материала, установлено с уплотнительным кольцом с минимальным зазором, который допускается исходя из требования герметичности и обеспечивается селективной сборкой. Теплоотвод от него в корпус исключается за счет того, что кольцо вторичного уплотнения контактирует торцами с двумя дополнительными кольцами, установленными в корпусе и выполненными из материала с малой теплопроводностью. Благодаря этому в зоне контакта вторичного уплотнения и уплотнительного кольца не возникает раззазоривания, что привело бы к повышенным утечкам, или возникновение натяга, что привело бы к изнашиванию.
Кроме того, предлагается торцовое уплотнение опоры ротора, отличающееся тем, что вторичное уплотнение и уплотнительное кольцо изготовлены из бронзы БрС30. Так как уплотнительное кольцо выполнено из бронзы БрС30 (см. Справочник конструктора, http://www.sprav-constr.ru/html/tom1/pages/chapter1/ckml8.html), то при запуске и останове турбомашины, когда газодинамические канавки не могут развить достаточную силу и эти процессы проходят в контактном режиме, тепловыделение в паре трения из-за низкого значения коэффициента трения незначительно, деформации колец исключаются, и изнашивания пары трения не происходит.
На фигуре 1 представлен продольный разрез заявленного торцового газодинамического уплотнения опоры ротора. На фигуре 2 представлен вид А на торцовую поверхность вращающейся втулки. Стрелкой показано направление вращения втулки. Детали опоры ротора, не относящиеся к уплотнению и не описанные в описании, показаны тонкой сплошной линией.
Торцовое газодинамическое уплотнение опоры ротора (см. фиг. 1) содержит уплотнительное кольцо 1, прижатое пружинами 2 к вращающейся втулке 3, на рабочем торце которой выполнены газодинамические камеры 4 (см. фиг. 1 и 2). Уплотнительное кольцо 1 (см. фиг. 1) установлено в корпусе 5, фиксируется от проворота за счет наличия на его наружной поверхности выступа 6, входящего в осевую канавку 7, выполненную в корпусе 5, и фиксируется разрезным кольцом 8 от выпадания при монтаже из-за действия пружин 2. Вторичное уплотнение выполнено в виде цельного кольца 9 и установлено в канавке корпуса 5, контактирует торцами с двумя дополнительными кольцами 10 и 11, установленными в той же канавке с промежуточным кольцом 12, обеспечивающим осевой зазор между ними. Весь пакет вторичного уплотнения фиксируется разрезным кольцом 13. С обратной стороны вращающейся втулки 3 выполнен козырек 14 по наружному диаметру, что обеспечивает наличие масляной ванны, в которую подается масло от форсунки. В вращающейся втулке 3 выполнены отверстия 16, соединяющие масляную ванну с наружной полостью 18.
Торцовое уплотнение служит для снижения утечек уплотняемой среды из полости 17 в масляную полость 18.
При работе турбомашины газодинамические камеры 4 обеспечивают бесконтактную работу торцового уплотнения. Форсунки 15 подают масло под козырек 14. Это обеспечивает прокачку масла и охлаждение вращающейся втулки 3 под действием центробежных сил. Кольцо 9 контактирует с кольцом 1 и обеспечивает герметизацию соединения при осевых смещениях уплотнительного кольца 1 относительно корпуса 5. Наличие колец 10 и 11, выполненных из материала с малой теплопроводностью, существенно снижает теплоотвод от кольца 9 в корпус 5. Это обеспечивает одинаковость температур колец 1 и 9 и, в итоге, герметичность и надежность вторичного уплотнения при изменении температуры уплотняемой среды.