ДИНАМИЧЕСКОЕ ЩЕТОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ, ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УПЛОТНЕНИЕ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DYNAMIC BRUSH SEAL, TURBINE WITH SAID SEAL AND GAS TURBINE ENGINE

Область техники
Изобретение касается динамического щеточного уплотнения для обеспечения уплотнения между ротором и статором.
Щеточные уплотнения подобного типа используются, в частности, для обеспечения уплотнения между оболочкой, содержащей воздух, и оболочкой, содержащей воздушно-масляную смесь, либо уплотнения между двумя оболочками, содержащими воздух, компрессоров высокого и низкого давлений и на уровне турбин высокого и низкого давлений.
Изобретение касается, в частности, щеточного уплотнения, образованного неметаллической щетиной, способной обеспечить уплотнение воздушного зазора между ротором (18) и статором, содержащего кожух (4) для щетины, размещенный между ротором и статором, причем щетина подвергается, с одной стороны, входному давлению, и, с другой стороны, выходному давлению, при этом входное давление превышает выходное давление.
Используемые в настоящее время в этих целях уплотнения являются уплотнениями лабиринтного типа, которые содержат кольцевые зубья, называемые ломтиками, выполненными напротив кольца из более мягкого материала, называемого истираемым, и имеют множество ограничений по поперечному сечению, вызывающих потерю нагрузки, и, следовательно, уменьшение производительности. Такое уплотнение пропускает значительное количество воздуха, и, следовательно, газотурбинный двигатель потребляет масло, что приводит к увеличению стоимости и, кроме того, загрязняет окружающую среду.
Из патента ЕР 1517006 известно щеточное уплотнение, которое обеспечивает непроницаемость полости для отбора воздуха в кабину. Эта полость, с одной стороны, ограничена внешней обечайкой компрессора и кольцевой структурой, связанной с обечайкой и, с другой стороны, внешним картером решетки диффузора, при этом внешний картер и внешний кожух картера двигателя связаны опорной стойкой. Уплотнение содержит щетину, которая радиально направлена наружу и опирается на внутреннюю поверхность одиночного цилиндрического рукава, расположенного отдельно от кольцевой структуры и окружающего щеточную прокладку. Уплотнение такого типа обеспечивает статическую непроницаемость, для которой проблемы износа не рассматриваются.
Известно также из патента US 5400586 самоустанавливающееся щеточное уплотнение для камеры сгорания газовой турбины. Газовая турбина содержит камеру сгорания, имеющую на выходном конце промежуточную деталь, отделенную от сопла первой ступени. Непроницаемое уплотнение содержит щетину, находящуюся в контакте с герметичной обечайкой, которая делает непроницаемым пространство между промежуточной деталью и соплом первой ступени. Уплотнение этого типа также является статическим, для которого проблемы износа не ставятся.
Известны также металлические щеточные уплотнения, которые являлись объектом применения в газотурбинных двигателях с 50-х годов. Важным в этой технологии является требование использования поддерживающей арки для щетинок в месте наибольшего сопротивления давлению (заднее кольцо). Следствием этого является увеличение жесткости щетины пропорционально прикладываемому давлению, что может вызвать повышенный износ щеток, если при таких условиях уменьшится зазор. Малейший контакт с ротором вызывает быстрый износ уплотнения и ухудшение характеристик непроницаемости.
Задачей настоящего изобретения является создание динамического щеточного уплотнения, которое устраняет недостатки известных устройств. Эта задача решается за счет того, что щетинки опираются на статор или ротор с наклоном со стороны уплотнения с малым давлением, то есть со стороны выходного давления.
Благодаря такой характеристике упругость щетинок, которые обеспечивают контактное давление на ротор или статор, уравновешивается аэродинамической подъемной силой, которая приподнимает щетинки от их контактного места, результатом чего является минимизация контактного давления на ротор или статор. Таким образом, износ уплотнения является наименьшим.
В оптимальном режиме существует небольшой зазор, через который проходит слабый поток воздуха, но масло, содержащееся в масляно-воздушной смеси (воздух с капельками масла), удерживается в выходной части уплотнения, таким образом, масляные потери полностью исключены.
Щетинки наклонены в направлении потока на угол α, составляющий от 5° до 45°, предпочтительно между 10° и 30°.
В предпочтительном варианте осуществления кожух содержит внутреннюю оболочку, на которую намотана щетина, и внешнюю оболочку, которая окружает щетину.
Предпочтительно, чтобы щеточное уплотнение содержало входное кольцо и выходное кольцо, размещенное между наружной оболочкой и щетиной.
Предпочтительно, чтобы внутренняя оболочка и наружная оболочка были выполнены С-образной формы.
Предпочтительно также, чтобы щеточное уплотнение содержало спиральную пружину, размещенную в центре внутренней оболочки, причем эту функцию может одинаково выполнить любое эластичное кольцо.
Предпочтительно также, чтобы выходное кольцо имело скошенную кромку.
Предпочтительно также, чтобы щеточное уплотнение было установлено на суппорте, а упомянутый суппорт содержал посадочное место, в котором размещен кожух для щетины и стопорное кольцо для иммобилизации кожуха для щетины в посадочном месте.
Предпочтительно также, чтобы выходное кольцо являлось более коротким, чем суппорт, а суппорт имел форму дуги, на которую опираются щетинки, чтобы принять искривленную форму.
Предпочтительно также, чтобы стопорное кольцо сминало кожух для того, чтобы с помощью деформации кожуха обеспечить статическую герметичность между кожухом и посадочным местом для кожуха.
Изобретение относится также к турбине или компрессору газотурбинного двигателя, содержащих щеточное уплотнение в соответствии с изобретением.
Наконец, изобретение касается газотурбинного двигателя, содержащего турбину и/или компрессор, снабженные щеточным уплотнением, в соответствии с изобретением.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид в аксонометрии щеточного уплотнения в соответствии с изобретением;
фиг.2 изображает схематичный вид в разрезе, который показывает изгиб щетки;
фиг.3А детально представляет контактное давление щетинок на ротор;
фиг.3В детально представляет отход щетинок от ротора;
фиг.4 изображает кривую, которая представляет уровень износа в зависимости от давления щетинок на ротор;
фиг.5 изображает вариант щеточного уплотнения, представленного на фиг.1, содержащего скошенную кромку;
фиг.6 изображает в аксонометрии вид уплотнения, размещенного в посадочном месте;
фиг.7 изображает вариант осуществления, в котором уплотнение содержит заднее кольцо и в котором посадочное место содержит дугу для поддержания щетинок.
На фиг.1 щеточное уплотнение содержит внутреннюю оболочку 2 С-образной формы, открытую вверх. Щетинки 4, образующие щетку, намотаны на эту внутреннюю оболочку. Щетинки удерживаются на входе входным кольцом 6 и выходным кольцом 8. Входное кольцо 6 и выходное кольцо 8 удерживаются на месте внешней оболочкой 10 С-образной формы, открытой вниз. Кроме того, внутри внутренней оболочки 2 размещена спиральная пружина 12. Угол α составляет от 5° до 45° и предпочтительно от 10° до 30°.
Щетка 4 образована щетинками углерода диаметром примерно 6 мкм. Толщина слоя колеблется от одного миллиметра до четырех миллиметров в зависимости от использования.
На фиг.2 изображен монтаж уплотнения. Позицией 14 обозначена свободная длина щетинок, а позицией 16 обозначена высота щетинок 4 под задним кольцом, искривленных упором в статор 18. Угол щетинок относительно перпендикуляра к поверхности ротора 18 обозначен буквой α. Радиус кривизны на их концах обозначен буквой ρ. Внутренняя оболочка 2, внешняя оболочка 10, входное и выходное кольца 6, 8 образуют кожух. На фиг.3А щетинки 4 опираются на ротор 18. Щетинки 4 подвергаются воздействию входного давления и выходного давления, разность между которыми образует дифференциальное давление 20. Щетинки 4 оказывают контактное давление 22 на ротор 18. Это контактное давление 22 уменьшается дифференциальным давлением 20, которое стремится приподнять щетинки над ротором 18. В противовес металлическому щеточному уплотнению изобретение не направлено на преодоление давления наружной арки, поджимающей щетинку к заднему кольцу. Более того, зазор от заднего кольца позволяет щетке перемещаться между ротором и кольцом.
Как показано на фиг.3В, щетинки могут приподниматься от опоры на статор 18. Существует, таким образом, небольшой зазор между концами щетинок и статором 18, что вызывает утечку в этот зазор. Настоящее изобретение позволяет регулировать величину утечки.
После монтажа имеется отклонение щетинок под задним кольцом 8. Аэродинамические воздействия, свободно возникающие при функционировании по поверхности, могут приподнять щетинки над ротором при повышенных дифференциальных давлениях. Характеристика проницаемости значительно ниже 2,5 бар, однако появляется износ, уменьшающийся с понижением давления. Приспосабливают жесткость на изгиб щетинки к давлению, которое надо герметизировать, таким образом, чтобы уменьшить при работе нормальное контактное давление и, следовательно, износ уплотнения.
На фиг.4 изображена кривая, которая представляет изменение уровня 26 износа в зависимости от давления 28 щетинок на ротор. Как видно, уровень износа зависит непосредственно от давления щетинок на ротор. При давлении щетинок, равном 100%, уровень износа является максимальным, затем уровень износа уменьшается вместе с уменьшением давления до достижения минимальных значений, когда давление щетинок на ротор достигнет минимума.
Резюмируя, можно сказать, что уплотнения эффективны только при низком давлении. Наиболее вредным для продолжительности работы контакта ротор/статор является замедление. Малая скорость вращения имеет много преимуществ при малом коэффициенте износа.
Фиг.5 изображает вариант осуществления, в котором заднее кольцо 8 содержит наружную подпорную арку 30. Функцией этой арки является уменьшение наклона щетинок 4 и уменьшение сдвига щетинок. Кроме того, на фиг.5 видно, что щетинки имеют разную длину. Это следует, в частности, из того, что щетинки показаны на фиг.5 точками.
Фиг.6 изображает способ крепления кожуха щеточного уплотнения к суппорту 32. Суппорт содержит посадочное место, в которое установлен кожух. Стопорное кольцо 36 закрепляет неподвижно кожух в посадочном месте 34. В соответствии с характеристикой изобретения, стопорное кольцо 36 размещено так, чтобы слегка сплющить кожух, чтобы сделать его овальным и прижать его внешнюю часть 38 к поверхности 34 посадочного места для обеспечения статической герметичности между кожухом и посадочным местом.
На фиг.7 изображен вариант осуществления, в котором выходное кольцо 8 выполнено укороченным. Посадочное место 32 содержит округление 38, в котором размещены щетинки 4. Функция округления 38 та же, что и у наружной подпорной арки 30, представленной на фиг.5. Оно предназначено для облегчения наклона свободных концов щетинок.