ВРАЩАЮЩЕЕСЯ УПЛОТНЕНИЕ
ROTATING SEAL

Изобретение относится к вращающемуся уплотнению, а также к оснащенным указанным уплотнением несущему винту и пропеллерному летательному аппарату, пропеллеры которого приводятся в движение в результате выбрасывания газа под давлением на лопасть пропеллера. Кроме того, изобретение относится к турбине или компрессору, снабженным данным уплотнением.
В документе FR 996034 описан вертолет, содержащий несущий винт, пропеллер которого состоит из нескольких лопастей. Этот вертолет включает в себя также средства генерации газа под давлением и газовыпускные головки, установленные на концах лопастей. В результате выбрасывания газа под давлением на лопасти они приводятся во вращение, обеспечивая подъем и поступательное перемещение летательного аппарата.
Таким образом, газ под давлением должен проходить от средства генерации газа до конца вращаемых лопастей по газопроводной трубе. Для этого предусмотрено вращающееся уплотнение, обеспечивающее неразрывность сообщения между подвижной и неподвижной частями указанной трубы.
Вращающиеся уплотнения состоят по существу из двух частей, которые могут смещаться относительно друг друга вокруг оси вращения.
Известные на сегодняшний день вращающиеся уплотнения не в состоянии выдерживать высокие давления газа. Обычно они не выдерживают давлений, превышающих 4 бара. Поскольку подъемная сила вертолета напрямую зависит от давления выталкиваемых газов, то в результате перехода на работу при низком давлении приходится ограничивать вес вертолета и вес его груза.
Следует отметить, что та же техническая проблема, состоящая в неспособности уплотнения выдерживать высокие давления или в невозможности поддерживать контролируемую интенсивность утечки, возникает и в других областях применения вращающихся уплотнений, в частности в турбинах и компрессорах, имеющих подвижный вал, проходящий через стенку корпуса, ограничивающего находящуюся под давлением зону.
Задача изобретения заключается в решении указанной технической проблемы путем создания вращающегося уплотнения, обеспечивающего надлежащую герметичность и поддерживающего контролируемую интенсивность утечки при высоких рабочих давлениях.
Для этого предложено вращающееся уплотнение указанного выше типа, предназначенное для разделения первой зоны высокого давления и второй зоны низкого давления. Уплотнение характеризуется тем, что каждая из указанных первой и второй частей имеет зону сопряжения, включающую в себя группу выступающих и полых компонентов взаимодополняющих форм, причем выступающие и полые компоненты одной части сцепляются с выступающими и полыми компонентами другой части, образуя декомпрессионные камеры, объем которых увеличивается в направлении от зоны высокого давления к зоне низкого давления, при этом указанные зоны сопряжения располагаются на расстоянии друг от друга с исключением трения между ними.
Две разделяемые уплотнением зоны соответствуют двум разным рабочим средам, по меньшей мере одна из которых содержит газ. Давление одной из этих сред выше, чем давление второй среды. Декомпрессионные камеры имеют объем, увеличивающийся в направлении от среды с более высоким давлением к среде с более низким давлением.
Газ под высоким давлением стремится проникнуть в пространство, ограниченное двумя указанными зонами сопряжения подвижных частей.
Выступающие и полые компоненты каждой из двух зон сопряжения образуют декомпрессионные камеры увеличивающегося объема, что обеспечивает создание потерь давления в зависимости от выбранных профилей.
В результате существенно снижается интенсивность утечки выходящего газа. Благодаря использованию предложенного вращающегося уплотнения удается повысить производительность устройства, снабженного этим уплотнением, и в то же время уменьшить затраты на его изготовление и техобслуживание.
В предпочтительном случае уплотнение содержит по меньшей мере одну промежуточную камеру, расположенную между двумя декомпрессионными камерами, причем объем этой камеры превышает объем предшествующей декомпрессионной камеры и объем последующей декомпрессионной камеры.
В соответствии с одним из возможных вариантов изобретения, по меньшей мере одна из двух частей уплотнения содержит средства всасывания газа, выходящие своим отверстием в пространство, ограниченное двумя зонами сопряжения.
Такая конструкция позволяет улавливать остаточные потоки утечки. Кроме того, она гарантирует, что указанные две среды, разделенные уплотнением, изолированы друг от друга.
В предпочтительном случае по меньшей мере одна из двух частей уплотнения содержит средства впрыскивания газа под давлением, выходящие своим отверстием в пространство, ограниченное двумя указанными зонами сопряжения.
В результате впрыскивания газа под давлением создается противодавление, еще более снижающее утечку газа.
В предпочтительном случае средства впрыскивания газа выполнены регулируемыми.
В предпочтительном случае средства впрыскивания расположены по периферии соответствующей зоны сопряжения.
Благодаря такому конструктивному исполнению удается снизить количество газа, выходящего наружу вращающегося уплотнения, и одновременно сформировать между двумя подвижными частями значительный объем газа под давлением.
В соответствии с одним из вариантов изобретения, средства впрыскивания выходят в канавку, которая выполнена в стенке зоны сопряжения и проходит по окружности вокруг оси вращения.
Благодаря такому конструктивному исполнению удается распределить создаваемое соплом противодавление по окружности зоны сопряжения.
В соответствии с одним из возможных вариантов изобретения, средства впрыскивания газа снабжены отклонителями, которые установлены на подвижной части уплотнения и предназначены для сжатия газа за счет динамического воздействия.
В соответствии с другим вариантом, средства впрыскивания газа снабжены по меньшей мере одним впрыскивающим соплом.
В соответствии с одним из вариантов изобретения, упомянутые выступающие и полые компоненты образованы кольцевыми ребрами, ограничивающими между собой ответные кольцевые пазы, причем ребра одной из подвижных частей взаимодействуют с пазами другой подвижной части, и наоборот, ограничивая тем самым указанные декомпрессионные камеры.
В предпочтительном случае ребра имеют кромку, образующую вместе с дном находящегося напротив нее паза постепенное сужение.
Благодаря этому удается увеличить потерю давления при прохождении кромки ребра.
В соответствии с одним из вариантов изобретения, стенки декомпрессионных камер имеют шероховатости.
Это позволяет увеличить потерю давления в каждой декомпрессионной камере.
В предпочтительном случае шероховатости образованы бороздками, проходящими в сторону торцевой стенки декомпрессионной камеры.
В соответствии с одним из вариантов изобретения, зоны сопряжения проходят концентрично оси вращения и поперек этой оси.
Такая конструктивная особенность облегчает выполнение группы декомпрессионных камер увеличивающегося объема.
В соответствии с другим вариантом изобретения, зоны сопряжения проходят параллельно направлению оси вращения.
В соответствии с одним из вариантов изобретения, указанные первая и вторая части содержат, соответственно, первый и второй трубные участки, проходящие вдоль оси вращения подвижных частей и являющиеся продолжением друг друга, образуя при этом герметичную сплошную трубу, обеспечивающую пропускание газа под давлением.
В предпочтительном случае указанные впрыскивающее сопло или сопла сообщаются с одним из трубных участков.
В результате обеспечивается возможность простой регулировки потока, проходящего через впрыскивающее сопло, в зависимости от давления газа, текущего по трубе.
Говоря более конкретно, давление протекающего по трубе газа во время работы системы может изменяться. А недостаточная или чрезмерная величина этого давления во впрыскивающем сопле служит причиной нарушения функционирования вращающегося уплотнения. Однако указанное соединение, предусмотренное между впрыскивающим соплом и трубой, обеспечивающей пропускание газа, позволяет добиться оптимального регулирования впрыска с помощью сопла без необходимости проведения какого-либо особого автоматического контроля.
В предпочтительном случае давление газа, впрыскиваемого посредством средств впрыскивания, составляет менее 10% от давления газа, протекающего по указанным трубным участкам.
В соответствии с другим вариантом изобретения, первая часть уплотнения прикреплена к стенке корпуса, разграничивающего первую, внутреннюю, зону высокого давления и вторую, наружную, зону более низкого давления, при этом вторая часть прикреплена к подвижному валу, проходящему через указанную стенку корпуса.
Изобретение относится также к несущему винту для газового двигателя, содержащему описанное выше вращающееся уплотнение.
Кроме того, предметом изобретения является пропеллерный летательный аппарат, пропеллеры которого приводятся в движение в результате выбрасывания газа под давлением на лопасть пропеллера, в частности вертолет, содержащий описанный выше несущий винт.
Заявленные технические решения позволяют увеличить вес груза, транспортируемого летательным аппаратом, поскольку возрастает мощность двигателя.
Изобретение также относится к турбине или компрессору, содержащим описанное выше вращающееся уплотнение.
Далее заявленное вращающееся уплотнение описано более подробно на примере предпочтительных вариантов его выполнения, раскрытых со ссылкой на приложенные чертежи и не ограничивающих объем правовой охраны изобретения.
Фиг.1 схематически изображает вертолет, снабженный заявленным вращающимся уплотнением.
Фиг.2 изображает продольное сечение вращающегося уплотнения.
Фиг.3 в увеличенном масштабе изображает фрагмент сечения, показанного на фиг.2.
Фиг.4 схематически иллюстрирует профиль ребра в разрезе, выполненном по плоскости, включающей в себя ось вращения уплотнения.
Фиг.5 сбоку изображает уплотнение, соответствующее второму варианту изобретения.
Фиг.6 изображает сечение, выполненное по показанной на фиг.5 линии VI-VI.
Фиг.7 в аксонометрии изображает в увеличенном масштабе показанное на фиг.5 уплотнение.
Фиг.8 сбоку изображает уплотнение, соответствующее третьему варианту изобретения.
Фиг.9 изображает сечение, выполненное по показанной на фиг.8 линии IX-IX.
Фиг.10 схематически изображает сечение газовой турбины, содержащей уплотнения, соответствующие четвертому и пятому вариантам изобретения, причем показана лишь часть турбины, расположенная над осью вращения вала турбины.
Фиг.11 дает детальный вид уплотнения, используемого в показанной на фиг.10 турбине и соответствующего четвертому варианту изобретения.
Фиг.12 дает детальный вид уплотнения, используемого в показанной на фиг.10 турбине и соответствующего пятому варианту изобретения.
Фиг.13 иллюстрирует изменение давления в уплотнении, соответствующем четвертому варианту изобретения, в зависимости от местоположения в этом уплотнении.
Фиг.14 упрощенно изображает часть уплотнения, показанного на фиг.11.
Фиг.1 изображает заявленный вертолет 1. Он содержит фюзеляж с кабиной 2, внутри которой находятся средства генерации газа под давлением типа турбины 3. Газ под давлением подается в газопроводную трубу 4.
Кроме того, вертолет 1 имеет несущий винт 5, установленный на фюзеляже с возможностью вращения и проходящий через вращающееся уплотнение 6, которое содержит неподвижную часть 7 и подвижную часть 8 и обеспечивает неразрывность трубы 4. Несущий винт снабжен лопастями 9, в которых предусмотрены газопроводные протоки или каналы 10, сообщающиеся с вращающимся уплотнением 6 и служащие для пропускания газа к соответствующим концам лопастей 9. На этих концах установлены головки 11 для выпуска газа под давлением, обеспечивающие приведение лопастей 9 в движение под действием момента сил, приложенного к несущему винту 5.
Преимущество вертолета такого типа состоит в том, что ему не требуется задний несущий винт, который обычно необходим для компенсации момента, создаваемого традиционным приводом лопастей. Данная особенность конструкции позволяет существенно снизить затраты на изготовление и техобслуживание подобных вертолетов.
В этой связи следует уделять особое внимание вращающемуся уплотнению 6, представленному на фиг.2 и 3.
Как указано выше, вращающееся уплотнение 6 имеет первую неподвижную часть 7 и вторую часть 8, выполненную с возможностью вращения относительно неподвижной части 7 вокруг оси А вращения.
Первая и вторая части 7, 8 включают в себя, соответственно, первый 12 и второй 13 трубные участки, которые проходят вдоль оси А вращения неподвижной и подвижной частей 7, 8 и являются продолжением друг друга, образуя при этом герметичную сплошную трубу, обеспечивающую транспортировку газа под давлением.
Неподвижная часть 7 включает в себя трубчатый элемент 14, у которого конец 15, находящийся выше по течению газа в направлении В, подсоединен к трубе 4, а конец 16, находящийся ниже по течению, обращен к лопастям 9.
Трубчатый элемент 14 имеет периферический обод 17, служащий опорой для неподвижной пластины 18, установленной вокруг этого трубчатого элемента 14 и прикрепленной к ободу 17 винтами 19. Кроме того, к пластине 18 прикреплен, по ее периферии, колпак 20. Этот колпак 20 вместе с неподвижной пластиной 18 ограничивают пространство в зоне оси А вращения, предназначенное для размещения подвижной части 8 (показано на фиг.2).
Подвижная часть 8 включает в себя первый трубчатый элемент 21, расположенный ниже (по потоку газа) трубчатого элемента 14 неподвижной части 7. Этот элемент 21 имеет верхний по потоку конец, обращенный к неподвижной части, и второй, нижний по потоку, конец, обращенный к лопастям.
Подвижная часть 8 соединена с лопастями 9 вертолета, причем эти лопасти образуют или включают в себя газопроводные трубки или каналы 10, сообщающиеся со вторым трубным участком 13.
Если говорить конкретнее, первый трубчатый элемент 21 сообщается с трубками или каналами 10 лопастей 9 в зоне своего нижнего по потоку конца, а в зоне своего верхнего по потоку конца обращен к трубчатому элементу 14 неподвижной части 7, образуя сплошную газопроводную трубу, как это показано выше.
Подвижная часть 8 включает также второй трубчатый элемент 22, который имеет больший диаметр, чем первый элемент 21, и образует юбку, проходящую от верхнего по потоку конца первого трубчатого элемента 21, закрывая нижний по потоку конец 16 трубчатого элемента 14 неподвижной части 7.
Кроме того, подвижная часть 8 снабжена подвижной пластиной 23, прикрепленной ко второму трубчатому элементу 22, которая охватывает трубчатый элемент 14 неподвижной части 7 и обращена к неподвижной пластине 18. Пластина 23, а также часть второго трубчатого элемента 22 размещены в пространстве, ограниченном колпаком 20, при этом в указанном колпаке предусмотрено отверстие 24, через которое можно вводить второй трубчатый элемент 22.
Как нагляднее показано на фиг.3, между внешней стенкой трубчатого элемента 14 неподвижной части 7 и внутренней стенкой юбки 22 подвижной части 8 размещены шарикоподшипники 25, установленные, в частности, с использованием стяжной муфты 26 и разделителя 27.
Кроме того, между колпаком 20 и подвижной пластиной 23 расположен упорный шарикоподшипник 28.
Обращенные друг к другу неподвижная 7 и подвижная 8 пластины ограничивают зоны или поверхности сопряжения, которые находятся друг напротив друга и вдаются одна в другую.
Зоны сопряжения включают в себя группу коаксиальных кольцевых ребер 29, ограничивающих между собой кольцевые пазы комлементарной формы. Ребра 29 одной из частей, неподвижной или подвижной, входят в зацепление с пазами другой части, и наоборот, при этом между ребрами предусмотрен зазор.
Два соседних ребра и дно соответствующих им пазов ограничивают декомпрессионную камеру С, сообщающуюся в зоне кромок ребер 29 со смежными декомпрессионными камерами С'.
В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, кромка ребер 29 может быть скошена таким образом, что расстояние между нею и дном находящегося напротив паза будет уменьшаться в направлении удаления от оси А вращения (показано на фиг.4).
Благодаря этому удается увеличить падение давления газа при переходе от декомпрессионной камеры С к смежной декомпрессионной камере С'.
Зоны сопряжения проходят концентрично оси А вращения и перпендикулярно ей, образуя перегородки или лабиринтные уплотнения 30, имеющие проксимальную зону, т.е. зону, находящуюся вблизи оси вращения, и периферийную дистальную зону. Декомпрессионные камеры, ограниченные ребрами и пазами, занимают окружной контур возрастающего диаметра, поэтому их объем увеличивается в направлении от оси вращения к пространству, находящемуся снаружи от зон сопряжения. Все эти декомпрессионные камеры концентричны относительно оси А вращения уплотнения.
В трубчатом элементе 14 неподвижной части 7 выполнены поперечные отверстия 31, выходящие в зоны сопряжения, а точнее в их проксимальную часть.
Кроме того, неподвижная часть 7 снабжена соплами 32 для впрыскивания газа под давлением, которые сообщаются с первым трубным участком 12 и своими отверстиями выходят в пространство, ограниченное двумя зонами 30 сопряжения. Эти сопла 32 расположены предпочтительно по периферии соответствующей зоны 30 сопряжения.
Впрыскивающие сопла выходят в проток (не показан), выполненный в стенке зоны сопряжения и проходящий вокруг оси вращения.
В соответствии с одним из вариантов изобретения, впрыскивающие сопла выполнены регулируемыми.
Вращающееся уплотнение дополнительно снабжено средствами измерения давления газа, установленными в проводной трубе.
Газы, выходящие из средств 3 генерации, протекают по проводной трубе 4 под давлением, которое может достигать по меньшей мере 15 бар. Затем они последовательно поступают в первый 12 и второй 13 трубные участки и, в конце концов, выбрасываются выпускными головками 11 лопастей 9, пройдя по сформированным в них трубкам или каналам 10.
Во время протекания газа по первому трубному участку 12 часть газа проходит через отверстия 31 и поступает в пространство, ограниченное двумя зонами 30 сопряжения. Это пространство, имеющее форму зигзага или лабиринта, создает отдельные области падения давления, позволяющие снизить интенсивность утечки газов.
Создание противодавления с помощью впрыскивающих сопел 32 позволяет еще больше снизить утечку газа. Оно обеспечивает образование между двумя зонами 30 сопряжения газового объема или подушки. Давление впрыскиваемого соплом газа в рассматриваемом примере находится в пределах от 0,5 до 0,8 бар.
Между двумя пластинами 18 и 23 происходит расширение газа в декомпрессионных камерах, объем которых увеличивается по мере удаления от оси А вращения, а, следовательно, в направлении удаления от этой оси происходит снижение давления.
Газ, выходящий из указанного выше объема, образованного в периферической зоне пластин 18 и 23, поступает в камеру 33, ограниченную подвижной пластиной 23, неподвижным колпаком 20 и упорным шарикоподшипником 28. В колпаке 20 выполнены дополнительные отверстия 34, обеспечивающие выпуск газов, находящихся в камере 33.
В соответствии с одним из вариантов изобретения (не проиллюстрирован), указанные дополнительные отверстия могут находиться в зоне соединения.
Хотя заявленное вращающееся уплотнение согласно описанному выше варианту предполагается устанавливать на вертолете, им можно также оснащать пропеллерные летательные аппараты другого типа, пропеллеры которых приводятся в действие в результате выбрасывания газа под давлением на лопасть пропеллера.
Кроме того, заявленное вращающееся уплотнение можно использовать в турбинах или компрессорах. Здесь оно позволяет решить ту же техническую задачу, а именно обеспечить надлежащую герметичность или контролируемую интенсивность утечек при высоких давлениях.
Так, в соответствии со вторым вариантом изобретения, представленным на фиг.5 и 6, предложено другое вращающееся уплотнение, которое следует использовать в зоне подшипника турбинного вала 35 (частично показан на фиг.6). Этот подшипник установлен вблизи стенки 36 корпуса, разграничивающего внутреннюю зону Z1 высокого давления и внешнюю зону Z2 более низкого давления. Между указанными зонами Z1 и Z2 необходимо обеспечить надлежащую герметичность или контролируемую интенсивность утечки.
Вращающееся уплотнение, соответствующее второму варианту изобретения, содержит первую неподвижную часть 37, прикрепленную к стенке 36 корпуса, и вторую подвижную часть 38, прикрепленную к турбинному валу 35 с возможностью поворота относительно указанной неподвижной части 37.
В отличие от первого варианта изобретения, в первой 37 и второй 38 частях не предусмотрено никаких трубных участков.
Неподвижная часть 37 снабжена пластиной 39, которая установлена на стенке 36 корпуса и в центре которой выполнен проем, обеспечивающий возможность пропускания турбинного вала 35.
Пластина 39 прикреплена к стенке корпуса винтами 40.
Неподвижная часть 37 содержит буртик 42, который проходит вокруг выполненного в пластине 39 центрального проема, удерживает шарикоподшипник и снабжен отбортовкой 43, обращенной к центру проема.
Подвижная часть 38 содержит гильзу 44, которая охватывает турбинный вал 35 и на которой предусмотрена опорная поверхность 45 для шарикоподшипника.
Кроме того, подвижная часть 38 снабжена пластиной 46, закрепленной вокруг гильзы 44 и обращенной к пластине 39 неподвижной части 37.
Наконец, подвижная часть имеет упорную пластину 47, которая закреплена по периферии конца турбинного вала и соприкасается с пластиной 46.
Между удерживающим буртиком 42 неподвижной части 37 и опорной поверхностью 45 гильзы 44 подвижной части 38 предусмотрены шарикоподшипники 48, установленные с помощью стяжного кольца 49 и разделителя 50.
Как и в конструкции по первому варианту изобретения, обращенные друг к другу пластины 39 и 46 неподвижной 37 и подвижной 38 частей образуют зоны или поверхности сопряжения, которые обращены друг к другу и входят одна в другую, ограничивая собой декомпрессионные камеры увеличивающегося объема, сообщающиеся со смежными декомпрессионными камерами в районе кромок ребер.
Все эти декомпрессионные камеры являются концентрическими относительно оси А вращения уплотнения.
В неподвижной части уплотнения выполнен по меньшей мере один проход 52 для газа, идущий к зоне сопряжения от зоны Z1 высокого давления, находящейся внутри корпуса.
Этот проход 52 выполнен в стенке корпуса, в толще пластины неподвижной части, и достигает проема, в который помещен турбинный вал и с которым сообщается зона сопряжения.
Между стенкой 36 корпуса и пластиной 39 неподвижной части 37, с одной стороны, и между пластиной 46 подвижной части 38 и упорной пластиной 47, с другой стороны, размещены уплотнения 53, 54, предотвращающие протекание газа по любому пути, отличному от заданного пути 52.
Пластина 46 подвижной части 38 снабжена средствами впрыскивания газа, которые включают в себя каналы 55, выполненные в периферической части пластины и сообщающиеся с внешней зоной Z2, на концах которых установлены отклонители 56.
Как показано на фиг.7, каждый отклонитель 56 выполнен в форме овальной ложки, ось которой наклонена под углом по меньшей мере 45° относительно внешней поверхности последней декомпрессионной камеры. Благодаря наличию отклонителя 56 во время вращения вала происходит сжатие наружного воздуха в канале 55, в результате чего в последней декомпрессионной камере образуется противодавление.
Площадь выемки, выполненной в стенке последней камеры, в предпочтительном случае равна площади канала.
Каналы 55 равномерно распределены по периферической части кромки пластины и сообщаются с последней декомпрессионной камерой.
В предпочтительном случае сумма площадей каналов превышает или равна площади зазора между внешней стенкой последней декомпрессионной камеры и неподвижной частью вращающегося уплотнения.
В пластине неподвижной части выполнена группа оконечных каналов 57, обеспечивающих сообщение между концевой частью зоны сопряжения и внешней зоной Z2.
Фиг.8 и 9 иллюстрируют вращающееся уплотнение, соответствующее третьему варианту изобретения. Оно, как и уплотнение по второму варианту, предназначено для обеспечения герметичности турбинного вала 58 в зоне подшипника.
Как и во втором варианте изобретения, данное вращающееся уплотнение имеет первую неподвижную часть 59, прикрепленную к стенке 62 корпуса, и вторую подвижную часть 60, прикрепленную к турбинному валу 58, причем между этими первой и второй частями размещен подшипник 63.
Неподвижная часть 59 имеет конический участок 64, установленный на стенке корпуса. В центре участка предусмотрен проем, обеспечивающий пропускание через него турбинного вала 58.
Внутренняя стенка конического участка снабжена ребрами 65, образующими декомпрессионные камеры, проходящие перпендикулярно оси вращения вала 58 в сторону центра проема конического участка. Размер этих ребер 65 увеличивается по мере удаления от вершины конуса, при этом свободные кромки ребер находятся на своего рода цилиндре.
Подвижная часть 60 снабжена гильзой 66, присоединенной к валу и содержащей ребра 67, которые закреплены вокруг вала 58, причем указанные ребра 67 проходят в радиальном направлении от вала 58. Размер этих ребер увеличивается пропорционально увеличению расстояния между валом и дном канавок, образованных между двумя следующими друг за другом ребрами 65 конического участка 64 неподвижной части 59.
Конический участок 64 неподвижной части 59 и гильза 66 подвижной части 60, находящиеся друг напротив друга и снабженные группой кольцевых ребер 65, 67, проходящих в радиальном направлении относительно оси вала 58, ограничивают группу декомпрессионных камер, которые сообщаются со смежными декомпрессионными камерами в зоне кромок ребер.
Декомпрессионные камеры проходят параллельно оси А вращения. Объем этих декомпрессионных камер, ограниченных ребрами и пазами, увеличивается от вершины конуса к его основанию, поскольку возрастают размеры ребер 65, 67, а следовательно, и размеры ограниченных ими декомпрессионных камер.
В неподвижной части 61 уплотнения выполнен по меньшей мере один проход 68 для газа, идущий от зоны Z1 высокого давления, находящейся внутри корпуса, к зоне сопряжения, находящейся вблизи вершины конического участка 64.
Пластина подвижной части снабжена средствами впрыскивания газа, которые включают в себя каналы 69 и отклонители 70, расположенные в верхней части второй гильзы, по периферии вала, которые аналогичны тем, что описаны применительно ко второму варианту изобретения.
Фиг.10 схематично и в разрезе изображает часть турбины 80, снабженной уплотнениями 82, 83, соответствующими четвертому и пятому вариантам изобретения.
Эта турбина имеет вал 84, выполненный с возможностью вращения относительно оси А и частично размещенный в корпусе 85. Вал снабжен группой лопастей 86, установленных с возможностью вращения под действием газа под давлением, поступающего в корпус через предусмотренное в нем первое отверстие 87 и выходящего через второе отверстие 88, также выполненное в этом корпусе.
Между лопастями 86 предусмотрены средства 89 направления газового потока, которые являются неподвижными относительно корпуса 85 и в которых выполнены щели 90, ограничивающие степень турбулентности газового потока.
Согласно четвертому варианту изобретения, в районе соединения корпуса 85 с подвижным валом 84 располагаются два уплотнения 82.
Имеются также средства 92 механической связи, образованные, например, подшипниками качения, принимающие на себя механические нагрузки и обеспечивающие вращение между валом и корпусом с очень малым допуском на аксиальное перемещение.
Чтобы исключить возможность протекания газа между средствами 89 направления потока и подвижным валом 84 снаружи от направляющих щелей 90, между средствами 89 и валом 84 турбины 80 установлены уплотнения 83, соответствующие пятому варианту изобретения.
Как показано на фиг.11, уплотнение по четвертому варианту изобретения состоит из двух гребенок 93, 94, образованных чередующимися ребрами и пазами. Эти гребенки 93, 94 соединяются друг с другом и выполнены с возможностью смещения друг относительно друга. Они образуют камеры увеличивающегося объема. Зона сопряжения, ограничиваемая этими гребенками 93, 94, проходит перпендикулярно оси А вращения.
Уплотнение включает в себя две промежуточные камеры 95, расположенные по существу на уровне одной трети и двух третей протяженности ряда декомпрессионных камер, если говорить о радиальном направлении уплотнения. Вверх и вниз по потоку эти промежуточные камеры сообщаются с декомпрессионными камерами.
Эти две промежуточные камеры не видны на фиг.11. Их можно выполнить так, как показано на фиг.14, т.е. просто удалив из гребенки одно ребро. Следует заметить, что фиг.14 представляет собой упрощенное изображение, на котором не соблюдены реальные пропорции.
Промежуточные камеры 95 обеспечивают возможность декомпрессии газа в довольно значительной пропорции, которая по существу соответствует отношению объема декомпрессионной камеры, находящейся перед промежуточной камерой, к объему этой промежуточной камеры.
Кроме того, в одной из промежуточных камер 95 можно предусмотреть возможность регулирования давления с помощью, например, средств 91 всасывания, что обеспечит всасывание остаточных утечек и, тем самым, предотвратит выход наружу газа, находящегося внутри корпуса.
3
На фиг.13 проиллюстрирован пример, основанный на предположении, что давление снаружи корпуса составляет порядка 1 бара, а давление внутри корпуса турбины - порядка 100 бар. В уплотнении выполнены около 200 декомпрессионных камер объемом около 7-80 см, при этом на уровне одной трети и двух третей протяженности ряда декомпрессионных камер предусмотрены две промежуточные камеры, объем которых в 10 раз превышает объем смежных камер.
На фиг.13 продемонстрировано изменение давления в различных камерах. Как можно видеть, давление во второй промежуточной камере составляет порядка 0,2 бар. Таким образом, достаточно поддерживать посредством подсасывания такую величину давления, чтобы обеспечить давление, которое было бы меньше как наружного, так и внутреннего давления.
При таких условиях имеет место полная изоляция камеры от среды, действующей снаружи от нее.
Дополнительной обработке подлежат только утечки очень низкого давления.
Указанные конструкции дают особенно выгодный эффект при использовании, например, в турбинах, работающих на радиоактивном газе, в частности гелии, поскольку в этих случаях следует делать все необходимое, чтобы предотвратить утечки в окружающую среду.
Важно отметить, что регулирование давления посредством всасывания остаточных утечек не обязательно выполнять в промежуточной камере. Тем не менее, данный выбор представляется предпочтительным, учитывая размеры этой камеры.
Надо также иметь в виду, что в целях адаптации конструкции к конкретной задаче применения, можно изменять количество и местоположение промежуточных камер.
В случае использования показанной на фиг.10 турбины, первая гребенка 93 прикреплена к присоединенным к корпусу средствам направления потока, а вторая гребенка 94 прикреплена к турбинному валу.
На фиг.12 показано уплотнение 83, соответствующее пятому варианту изобретения. Оно содержит группы 96 камер увеличивающегося объема, образованные двумя гребенками 97, 98, которые имеют ребра и пазы, входящие одни в другие и выполненные подвижными относительно друг друга. Ограничиваемая этими гребенками 97, 98 зона сопряжения проходит параллельно оси вращения.
Между кромками ребер и дном пазов предусмотрен зазор 99, обеспечивающий возможность продольного расширения ребер.
Между двумя соседними группами 96 камер увеличивающегося объема предусмотрена промежуточная камера 100, объем которой значительно превышает объем камер, расположенных смежно этой промежуточной камере и принадлежащих к двум группам, находящимся с ее противоположных сторон.
В случае использования показанной на фиг.10 турбины, первая гребенка 97 прикреплена к присоединенным к корпусу средствам направления потока, а вторая гребенка 98 прикреплена к турбинному валу.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что несмотря на то, что вышеупомянутые варианты уплотнений описаны на примере лишь некоторых конкретных случаев применения, их можно применять и в других ситуациях.
Помимо вышеописанных случаев использования данного изобретения в вертолетах и турбинах, раскрытых со ссылкой на приложенные чертежи, изобретение можно применять в отношении турбин двигателей или газовых турбин двигателей внутреннего сгорания, двигателей с воспламенением от сжатия воздуха, турбонагнетателей, а также компрессоров и насосов, т.е. устройств, в которых необходимо обеспечить герметичность и/или компенсацию утечек.
Подобным же образом, данные уплотнения можно использовать в центрифугах, например, для изотопов урана или любого другого газообразного вещества, для предотвращения загрязнения окружающей среды. Их можно также применять в различных станках, например в аппарате аргоновой сварки, содержащем вращающийся вал, работающий в атмосфере с контролируемыми параметрами, в частности в чистых комнатах, с целью предотвращения загрязнения указанной атмосферы.
Кроме того, заявленное уплотнение можно использовать для герметизации приводных валов летательных аппаратов, кораблей или подводных лодок.
В случае приводного вала подводной лодки назначение уплотнения состоит в предотвращении поступления в уплотнение жидкости высокого давления. Для этого уплотнение должно иметь первую часть, снабженную декомпрессионными камерами увеличивающегося объема, расположенными между внутренним пространством и промежуточной камерой, в которую впрыскивается газ, и находящимся за ними вторым рядом декомпрессионных камер уменьшающегося объема, расположенными между промежуточной камерой и наружным пространством. Газ под давлением, впрыскиваемый в промежуточную камеру и сжимаемый декомпрессионными камерами, позволяет удерживать жидкость снаружи от корпуса подводной лодки.
Разумеется, изобретение не ограничивается только вышеописанными вариантами выполнения уплотнения, а, напротив, охватывает все возможные его модификации.
Так, в частности, если требуется повысить давление в канале, можно увеличить количество декомпрессионных камер.