КОМПАКТНОЕ ПАЛЬЧИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ
COMPACT FINGER SEALING

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей для уплотнения кольцевых щелей между статором и ротором.
Известно реверсивное пальчиковое уплотнение, содержащее, по меньшей мере, две пары сложенных в стопку тонких кольцевых деталей, каждая из которых содержит кольцевой массив радиально и тангенциально вступающих пальчиков, между которыми имеются пазы. Кольцевые детали каждой из пар расположены таким образом, что пальчики одной кольцевой детали перекрывают пазы в другой. Причем пальчики кольцевых деталей одной из пар расположены под углом в направлении по часовой стрелке, а пальчики кольцевых деталей другой пары - в направлении против часовой стрелки [US 5031922, F16J 15/447, 16.07.1991].
Недостатком указанного уплотнения являются значительные габариты в радиальной плоскости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пальчиковое уплотнение, содержащее две примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения пазов в кольцевых деталях, по меньшей мере, одна из которых имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками, причем кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали пазы примыкающей к ней другой кольцевой детали. Все пальчики имеют одинаковую форму и отделены друг от друга одинаковыми пазами [US 5755445, F16J 15/447, 26.05.1998].
Недостатком этого изобретения, как и предыдущего, являются значительные габаритные размеры пальчикового уплотнения в радиальной плоскости.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение радиальных габаритных размеров и улучшение уплотняющих свойств пальчикового уплотнения.
Указанный технический результат достигается тем, что в пальчиковом уплотнении, содержащем, по меньшей мере, две примыкающие друг к другу кольцевые детали, которые имеют кольцевой массив пальчиков, образованных путем выполнения пазов в каждой из них таким образом, что пальчики имеют свободные концы, предназначенные для охвата поверхности уплотняемого вала, причем кольцевые детали установлены с угловым смещением так, что пальчики каждой кольцевой детали перекрывают пазы примыкающей к ней другой кольцевой детали, каждая кольцевая деталь имеет обод, выполненный с ней за одно целое, а внешний диаметр каждого обода превышает диаметр окружности, проходящей через начало пазов, не более чем на 10 мм.
Кроме того, по меньшей мере, одна из кольцевых деталей имеет на свободном конце каждого из своих пальчиков свою выступающую площадку, выполненную за одно целое с ним и предназначенную для охвата поверхности уплотняемого вала.
Кроме того, пальчиковое уплотнение дополнительно содержит две сплошные кольцевые крышки, которые примыкают к крайним кольцевым деталям.
Предлагаемая конструкция пальчикового уплотнения объясняется приведенными схематичными чертежами и фотографиями.
На фиг.1 показано предлагаемое компактное пальчиковое уплотнение с сечением в осевой плоскости; на фиг.2 - разъединенные кольцевые детали пальчикового уплотнения, показанного на фиг.1; на фиг.3 - сравнение радиальных габаритных размеров (внешних диаметров) колец высокого давления пальчикового уплотнения традиционной и предлагаемой конструкции; на фиг.4 - фотография изготовленной кольцевой детали высокого давления пальчикового уплотнения.
Компактное пальчиковое уплотнение заявляемой конструкции состоит из двух примыкающих друг к другу кольцевых деталей 1 и 2 (фиг.1, 2), каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности криволинейные пальчики 3, 4, между которыми имеются ответные им криволинейные пазы 5, 6. Кольцевые детали 1, 2 имеют соответствующие ободы 7, 8, выполненные с ними за одно целое.
По меньшей мере, на одной из кольцевых деталей, например, на кольцевой детали 2, расположенной со стороны полости низкого давления, имеются выступающие площадки 9 (фиг.2), выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками 4. Кольцевые детали 1 и 2 ориентированы и спозиционированы (установлены) друг относительно друга таким образом, что пальчики каждой кольцевой детали перекрывают пазы между пальчиками в другой кольцевой детали, причем ширина пальчиков больше ширины перекрываемых ими пазов.
об
об
п
п
об
п
Внешний диаметр (D=2R) каждого обода 7 и 8 превышает диаметр (D=2R) окружности, проходящей соответственно через начало пазов 5 и 6 соответствующей кольцевой детали 1 и 2, не более чем на 10 мм (т.е. D≤D+10 мм). Данное техническое решение позволяет существенно уменьшить габариты предлагаемого пальчикового уплотнения по сравнению с традиционными конструкциями без ободов.
На фиг.3 показаны для сравнения кольцевые детали пальчикового уплотнения (с посадочным диаметром 160 мм), которые предназначены для расположения со стороны полости высокого давления: позицией 1 (нижняя деталь) обозначена заявленная конструкция, а позицией 10 (верхняя деталь) обозначена традиционная конструкция, используемая в известных аналогах. Внешний диаметр кольцевой детали 10 традиционной конструкции превышает диаметр окружности, проходящей через начало пазов, на 18 мм, что необходимо для размещения кругового массива отверстий 11 под заклепки.
Очевидно, что предлагаемая конструкция пальчикового уплотнения будет иметь меньшие радиальные габаритные размеры за счет отсутствия отверстий 11 под заклепки, которые имеются в традиционной конструкции 10. Для приведенных на фиг.3 кольцевых деталей их внешний диаметр составил: 178 мм - для предлагаемой конструкции; 190 мм - для традиционной конструкции. Диаметр окружности, проходящей через начало пазов, составил 172 мм - для обоих вариантов.
Отметим также еще одно преимущество предложенной конструкции пальчикового уплотнения, связанное с технологией его производства. При механической и термической обработке кольцевых деталей пальчикового уплотнения традиционной конструкции из-за их тонкостенности возможны существенные деформации в процессе изготовления, приводящие к неплоскостности соприкасаемых поверхностей соседних кольцевых деталей. Это приводит к тому, что при сборке кольцевых деталей между ними остаются зазоры, приводящие к ухудшению уплотняющих свойств пальчикового уплотнения. Наличие обода в предлагаемой конструкции кольцевых деталей пальчикового уплотнения повышает их жесткость, а следовательно, уменьшается неплоскостность и улучшается прилегание соприкасаемых поверхностей соседних кольцевых деталей, что приводит к улучшению уплотняющих свойств пальчикового уплотнения.
Для прошивания пазов в кольцевых деталях пальчикового уплотнения может быть использована технология импульсной электрохимической обработки вибрирующим электродом-инструментом в виде диска с круговым массивом криволинейных выступов [Маннапов А.Р. / Разработка технологии изготовления перспективных уплотнений газовоздушного тракта ГТД методом импульсной электрохимической обработки // Диссертация... канд. техн. наук. - Уфа: УГАТУ, 2009 г., 206 с., с.178-182].
Пример кольцевой детали 1, предназначенной для расположения со стороны полости высокого давления, пазы в которой получены методом импульсной электрохимической обработки, приведен на фиг.4.
Соединение кольцевых деталей 1 и 2 друг с другом может быть осуществлено, например, методом электронно-лучевой сварки по свободным концам их ободов 7 и 8.
В расширенном варианте конструкции пальчикового уплотнения кольцевые детали 1 и 2 могут быть прижаты со стороны полостей низкого и высокого давления сплошными кольцевыми крышками (на чертежах не показаны) для повышения жесткости конструкции в осевом направлении и улучшения уплотняющей способности пальчикового уплотнения.
Приведенное описание пальчикового уплотнения составлено для случая использования двух кольцевых деталей с пальчиками, но не исключает применение и большего числа кольцевых деталей.
Заявленное пальчиковое уплотнение работает следующим образом.
В процессе эксплуатации при отклонениях вала (за счет вибраций, тепловых деформаций и пр.) пальчики 3 и 4 благодаря своей податливости деформируются, что предотвращает "заклинивание" деталей ротора и статора. В то же время благодаря тому, что ширина пальчиков 3, 4 превышает ширину пазов 5, 6 между ними, обеспечивается герметизация уплотняемой кольцевой щели, сводящая утечки между разделяемыми полостями к допустимому минимуму.
Таким образом, предложенное изобретение благодаря наличию обода на каждой кольцевой детали позволяет изготавливать пальчиковые уплотнения с меньшими радиальными габаритными размерами и с повышенными уплотняющими свойствами по сравнению с аналогами.