Щеточное уплотнение

Полезная модель относится к технологии изготовления уплотнений и может быть использовано в газотурбостроении, машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.
Повышение эффективности работы газовых и паровых турбин связано с совершенствованием конструкций и технологий изготовления радиальных уплотнений газовоздушного тракта, позволяющих сократить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями. Одними из перспективных видов уплотнений являются щеточные, представляющие собой круговой массив множества близкорасположенных малоразмерных уплотнительных элементов - щетинок (например, Патент РФ №2210694. МПК F16J 15/32. Способ изготовления щеточного уплотнения и устройство для его осуществления. Опубл. 20.08.2003).
Известно, что для обеспечения оптимальной работы уплотнения уплотнительные элементы (щетинки) должны быть достаточно упругими, чтобы компенсировать колебания радиального зазора в условиях высокой вибрации, а величина натяга должна соответствовать величине, при которой мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения в одном уплотнении, не превышает 0,15% от мощности, потребляемой валом при максимальном его вращении.
Известно щеточное уплотнение, содержащее кольцевой пакет свободных с одного конца и закрепленных с другого уплотнительных элементов, зазоры между которыми заполнены фиксирующим и герметизирующим составом, при этом пакет закреплен между боковыми пластинами, а уплотнительные элементы кольцевого пакета выполнены в виде капиллярных трубок, заполненных антифрикционным материалом (А.С. СССР №1725609. МПК F16J 15/16. Щеточное уплотнение. Опубл. 2005).
Недостатком рассматриваемого уплотнения является разрушение герметика в результате разогрева элементов щеточного уплотнения при контакте с вращающимся ротором, вследствие чего увеличивается утечка рабочего тела и снижается ресурс работы уплотнения.
Известно также щеточное уплотнение, выполненное в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки и опорной щеки, при этом состыкованные элементы выполнены одинаковыми по наружному диаметру (А.С. СССР №1462916. МПК F16J 15/16. Способ изготовления щеточного уплотнения. Опубл. 1996 г.).
Недостатком известных устройств является повышенная утечка рабочего тела из-за значительных зазоров между проволочными щетинками.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является щеточное уплотнение, содержащее размещенные по окружности в корпусе пучки проволочек, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, причем проволочки выполнены из различных материалов. При этом проволочки из материала с высоким коэффициентом теплопроводности расположены внутри пучков, а проволочки из материала с более высоким значением модуля упругости - снаружи (А.С. СССР №1665136. МПК F16J 15/16. Щеточное уплотнение. Бюл. №27 1991 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что размещение в одном пучке проволочек из материалов с различными значениями модуля упругости приводит к неравномерности работы элементов уплотнения и к повышению зазоров между щетинами за счет различной пластической деформации элементов, выполненных из различных материалов. В результате возникает эффект расклинивания одних щетинок другими, что снижает герметичность уплотнения и приводит к повышенной утечке рабочего тела.
Требуемая степень герметичности полостей обеспечивается определенным количеством плотно уложенных металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары. В одной уплотняющей ступени они укладываются одна относительно другой в несколько слоев и образуют довольно большой по ширине слой щеточных элементов между боковыми пластинами. Возможен вариант выполнения небольшого количества слоев металлических щетинок между боковыми пластинами одной ступени, но тогда для обеспечения требуемой герметичности полостей формируют набор таких элементов в несколько ступеней. Увеличение плотности и количества слоев щетинок приводит к повышению жесткости массива щеточных элементов и, как следствие, к чрезмерному обжатию уплотняемой поверхности, что снижает мощность на валу двигателя и его ресурс из-за быстрого износа контактирующих пар.
Другим недостатком известных уплотнений (Патент РФ №2210694, А.С. СССР №№1725609, 1462916,1665136) является недостаточно высокая износостойкость щетинок при трении о контактную поверхность, что приводит к потере функциональных свойств уплотнения и возникновению вероятности отрыва щетинок в процессе длительной эксплуатации.
Задачей и техническим результатом данного изобретения является повышение герметичности щеточного уплотнения.
Технический результат достигается за счет того, что в щеточном уплотнении, выполненном в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки, состоящей из плотно упакованных щетинок, наклоненных относительно радиальной оси щеточного уплотнения по направлению вращения ротора и опорной щеки, со свободным торцом щетки, образующим контактную поверхность, эквидистантную поверхности ротора в зоне их контакта отличающееся тем, что упомянутые прижимная щека, кольцевая проволочная щетка и опорная щека выполнены изогнутыми вперед в сторону набегающего потока под радиусом R, выбираемым из диапазона от 90 мм до 700 мм, причем диаметр щетинок выбирается из диапазона от 0,2 мм до 1 мм, а щетинки выполнены из сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 22; Ni - от 9 до 11; Mn - от 1,2 до 1,6; Fe - от 2,9 до 3,2; Si - от 0,2 до 0,3; Yb - от 1,1 до 1,4; C - от 0,05 до 0,09; Со - остальное.
Кроме того, возможны следующие дополнительные варианты выполнения щеточного уплотнения: состыкованные элементы уплотнения выполнены одинаковыми по наружному диаметру; уплотнение снабжено технологическим кольцом, размещенным на состыкованных элементах и выполненным шириной, соответствующей суммарной ширине упомянутых элементов; прижимная щека выполнена с торцевым выступом в качестве стыковочного элемента, при этом ее наружная цилиндрическая поверхность выполнена под установочное гнездо.
Широко известно [например, Л.Л.Филимонова. Модель работы щеточного уплотнения ГТД. //Вестник двигателестроения. №1, 2011 г., С. 50-57], что к основным характеристикам щеточного уплотнения относятся такие, как свободная длина щетинок, выступ щетинок из области прижимной щеки, диаметр щетинок и плотность их расположения по сечению щетки. При этом, с увеличением диаметра щетинок уплотнение обеспечивает больший перепад давлений, но при этом ухудшается герметизация.
Увеличение величины выступа щетинок повышает податливость уплотнения, но снижает выдерживаемый уплотнением перепад давлений. Повышение плотности щетинок снижает утечку через уплотнение, однако при этом возрастает значение перепада давлений, выдерживаемых уплотнением. Уменьшение свободной длины щетинок позволяет увеличить выдерживаемый перепад давлений и снизить утечку, но приводит к увеличению жесткости щеточного уплотнения, увеличению тепловыделения от трения щеток по ротору и снижению ресурса щеток. Однако, как показывает практика, нежелательно снижать утечку уменьшением свободной длины щетинок.
В этой связи, в щеточном уплотнении предлагается повысить площадь контакта на границе «уплотнение-ротор» за счет радиуса изгиба R щетки, выбираемым из диапазона от 90 мм до 700 мм. В данном случае, чем больше радиус изгиба щетки, тем больше площадь контакта с поверхностью ротора, тем больше эффект герметизации. Кроме того, радиус R , при выполнении щетки обеспечивает выступ щетки вперед в сторону набегающего потока, что позволяет обеспечить большую жесткость уплотнения в направлении действия потока, при одновременном повышении его податливости в радиальном наплавлении. Это позволяет, также увеличить как свободную длину щетинок, так и их выступ, без снижения жесткости в направлении действия потока. Очевидно, что если расположить щетинки с выступом в направлении действия потока, как это предлагается сделать в работе [В.А. Мамедов, Ф.Э. Аслан-заде. Применение неметаллических щеточных уплотнений на больших индустриальных газотурбинных двигателях. //Вестник двигателестроения. №1, 2012 г., С. 83-91.], то при повышении податливости уплотнения будет значительно снижена его жесткость в направлении действия потока и эффект герметизации уплотнения резко снизиться.
Для изготовления щеточного может быть использовано устройство, содержащее оправку в виде колец, установленных концентрично с зазором относительно друг друга и скрепленных по окружности винтами, устройство для намотки и укладки проволоки, катушку с проволокой.
Сущность технического решения поясняется чертежом. На фиг. показано щеточное уплотнение ротора. Фигура 1 содержит: 1 - щетка, 2 - прижимная щека, 3 - опорная щека, 4 - статор, 5 - ротор, радиус R - радиус закругления щеточного уплотнения.
Щеточное уплотнение ротора (фигура) состоит из прижимной щеки 2 и последовательно состыкованных с ней кольцевой щетки 1 и опорной щеки 3. Наружная цилиндрическая поверхность прижимной щеки 2 выполнена под установочное гнездо в статоре 4. Свободный торец щетки 1 способен контактировать с поверхностью ротора 5.
Стыковочные элементы выполнены одинаковыми по наружному диаметру. В опорной щеке 3 щеточного уплотнения может быть установлен фиксирующий штифт.
Щеточное уплотнение может быть изготовлено следующим образом. Вначале собирают оправку полукольца, затем на оправку полукольца наматывают слой проволоки, формируя проволочную намотку. Проволочную намотку изгибают пополам на 180 градусов между двух оправок полукольц, образуя симметричную U-образную форму, обеспечивая в зоне закругления щетки радиус R выбранный из диапазона от 90 мм до 700 мм, поворачивают полукольца оправки относительно друг друга параллельно плоскости проходящей через ось симметрии U-образной формы намотки на заданный угол, затем обрезают проволочную намотку на вершине его U-образного изгиба по линии резки, затем сваривают намотку в месте контакта с оправкой полукольца по их наружным цилиндрическим поверхностям и производят ее механическую обработку и получают две проволочные щетки. Диаметр щетинок щетки 1 выбирается из диапазона от 0,2 мм до 1 мм, а щетинки изготавливают из проволоки, выполненной из сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 22; Ni - от 9 до 11; Mn - от 1,2 до 1,6; Fe - от 2,9 до 3,2; Si - от 0,2 до 0,3; Yb - от 1,1 до 1,4; C - от 0,05 до 0,09; Со - остальное.
Пример.
Для оценки работоспособности щеточных уплотнений, были проведены следующие испытания. Образцы щеточных уплотнений были изготовлены как по прототипу (патент РФ №2210694), так и по предлагаемому техническому решению. Диаметр щетинок для щеточного уплотнения в обоих случаях составлял 0,2 мм, 1,0 мм. Условия испытаний: линейная скорость - 80 м/c, зазор - 90 мкм. Щетинки были изготовлены из проволоки, выполненной из сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 22; Ni - от 9 до 11; Mn - от 1,2 до 1,6; Fe - от 2,9 до 3,2; Si - от 0,2 до 0,3; Yb - от 1,1 до 1,4; C - от 0,05 до 0,09; Со - остальное.
ТаблицаСредняя величина утечек через сравниваемые варианты щеточных уплотнений
№
Вид уплотнения
Радиус изгиба проволочек, R
Диаметр щетинок, мм
Давление на входе, кПа
Расход, через уплотнение, кг/с
1
Прототип
- (∞)
0,2
200
0,033
300
0,049
1,0
200
0,041
300
0,055
2
Предлагаемый
90
0,2
200
0,011
300
0,014
1,0
200
0,015
300
0,018
250
0,2
200
0,013
300
0,016
1,0
200
0,016
300
0,020
500
0,2
200
0,014
300
0,017
1,0
200
0,017
300
0,021
700
0,2
200
0,015
300
0,019
1,0
200
0,018
300
0,022
Предлагаемое щеточное уплотнение позволило снизить величину утечки, в среднем почти в три раза (таблица).
Средняя величина износа уплотнений за 200 часов работы составила:
для прототипа - 0,39 мм,
для предлагаемого уплотнения - 0,18 мм.
Таким образом, предложенное щеточное уплотнение позволило достичь поставленного в полезной модели технического результата - повышения герметичности щеточного уплотнения.