ЩЕТОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ТУРБОМАШИНЫ
TURBOMACHINE BRUSH SEAL

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно, к щеточному уплотнению, предназначенному для разделения между роторными и статорными элементами полости наддува от уплотняемой полости. Физической средой в разделяемых полостях является сжатый воздух, подогретая масляно-воздушная смесь с парами масла.
Известно щеточное уплотнение турбомашины, расположенное на роторном элементе, включающее щетку, разделяющую между роторным и статорными элементами полость наддува и уплотняемую полость, при этом щетка размещена между кольцевыми фланцами, а ее свободный конец наклонен к оси роторного элемента под углом отличным от 90°, при этом один из фланцев расположен в полости наддува, а второй в уплотняемой полости (патент №US 2017/0089215 от 14.12.1999 - прототип).
Недостатком известного щеточного уплотнения является его расположение на роторном элементе. Такая конструкция обладает повышенной массой для обеспечения работоспособности при центробежной нагрузке. Также необходимо предусмотреть усиление конструкции статорного элемента от последствий возможного разрушения щеточного уплотнения.
Другим недостатком является регулирование величины зазора щеточного уплотнения при помощи центробежной силы на многорежимной турбомашине, например, газотурбинном двигателе летательного аппарата. При маневрировании летательного аппарата осуществляется многократное изменение режимов работы газотурбинного двигателя, с сопутствующим повторяющимся изменением частоты вращения роторного элемента и изменением зазора щеточного уплотнения, что является негативным эффектом.
Кроме того, на роторном элементе существующих турбомашин на различных диаметрах размещены десятки уплотнений, что при одинаковой частоте вращения роторного элемента приведет к различной величине центробежной нагрузки на каждый щеточный элемент и потребует индивидуального проектирования щеточного элемента. Такое решение усложняет и удорожает конструкцию.
Задачей настоящего изобретения является увеличение термодинамических и ресурсных параметров турбомашины за счет снижения величины протечек рабочего тела через щеточное уплотнение и увеличения срока службы и надежности работы щеточного уплотнения на различных режимах работы турбомашины.
Техническим результатом, достигаемым при реализации указанного изобретения, является увеличение срока службы щеточных уплотнений и валов, снижения величины протечек рабочего тела через щеточное уплотнение, обеспечение работоспособности щеточного уплотнения при обратном перепаде давления на переходных режимах работы турбомашины, снятие эксплуатационных ограничений при холодной прокрутке ротора турбомашины.
Указанный технический результат достигается тем, что щеточное уплотнение турбомашины, включает щетку, и разделяющую между роторными и статорными элементами полость наддува и уплотняемую полость. Щетка размещена между кольцевыми фланцами, а ее свободный конец наклонен к оси роторного элемента под углом отличным от 90°, при этом один из фланцев расположен в полости наддува, а второй в уплотняемой полости, согласно предложению фланцы выполнены на статорном элементе и соединены между собой, а щетка сопряжена с контактной поверхностью роторного элемента, с нанесенным на него упрочняющим покрытием, при этом щетинки наклонены под острым углом к поверхности роторного элемента в направлении его вращения. Уплотнение снабжено двумя плоскими разрезными кольцами, которые размещены между фланцами, при этом между плоскими разрезными кольцами размещена щетка, при этом одно плоское кольцо своим внешним радиусом совместно со щеткой зафиксированы на внутренней поверхности фланца, расположенного в уплотняемой полости, посредством неразъемного соединения. Внутренняя поверхность фланца, расположенного в уплотняемой полости, образует с внешней поверхностью второго плоского разрезного кольца угол 3-6°.
Щеточное уплотнение, в котором фланцы соединены между собой разъемным соединением, а второе плоское кольцо своим внешним радиусом зафиксировано между фланцами в области их разъемного соединения.
Щеточное уплотнение, в котором фланцы соединены между собой неразъемным соединением, а второе плоское кольцо своим внешним радиусом соединено с внутренней поверхностью фланца, расположенного в уплотняемой полости, посредством неразъемного соединения.
Щеточное уплотнение турбомашины, включает щетку, разделяющую между роторными и статорными элементами полость наддува и уплотняемую полость, например, при наддуве предмасляной полости опоры компрессора можно использовать два щеточных уплотнения. В полость наддува (предмасляную полость) подается сжатое рабочее тело - воздух, со стороны подшипникового узла, где расположено первое щеточное уплотнение, в масляную полость (уплотняемую полость) подается масло, образующее нагретую масляно-воздушную смесь с парами масла. А со стороны проточной части, где расположено второе щеточное уплотнение, в уплотняемую полость поступает воздух, сообщающийся, например, с проточной частью компрессора.
Попадание нагретого масла в проточную часть по условиям работы турбомашины не допускается. Но и наддув предмасляной полости сжатым воздухом и последующее извлечение (суфлирование) воздуха из масляно-воздушной смеси требует затрат энергии, что усложняет конструкцию и ухудшает термодинамические параметры турбомашины. Поэтому необходимо снизить величину протечек рабочего тела через щеточное уплотнение при штатном (рабочем) режиме. А при сборке турбомашины, иных технологических операциях, на переходных режимах работы обеспечить работоспособность щеточного уплотнения с кратковременным, наперед заданным уровнем максимальной протечки рабочего тела через щеточное уплотнение.
Кольцевые фланцы формируют жесткостные свойства, стабильность размеров щеточного уплотнения под действием воспринимаемых нагрузок, могут быть выполнены как разъемным так и не разъемным соединением в зависимости от необходимости осмотра и ремонта щеточного соединения. Внутренние поверхности фланцев формируют ограничительный угол α, равный 3-6° в котором перемещаются деформируемые элементы щеточного уплотнения - плоские разрезные кольца и щетка. А также угол между осью роторного элемента и свободным концом щетки. Указанная геометрия позволяет регулировать величину зазора от минимального (рабочего) Н2 до максимального (монтажного) H1, обеспечивая работоспособность щеточного уплотнения при различных условиях работы турбомашины.
Плоские разрезные кольца формируют толщину щетки, не позволяя ей в работе растрепаться метелкой, защищают щетинки от возможных повреждений, воспринимают нагрузку в виде статического давления в полости и передают его на щетку, деформируют щетку как единый конструктивный элемент.
Щетинки, наклоненные под острым углом к поверхности роторного элемента в направлении его вращения, обладают податливостью, сопряжены с контактной поверхностью роторного элемента и при штатной работе образуют минимальный (рабочий) зазор Н2. В исключительном случае, при касании щеткой о роторный элемент, щетинки нанесут минимальные повреждения упрочняющему покрытию контактной поверхности роторного элемента, нанесенному, например, методом напыления. Упрочняющее покрытие может выполнено, например, азотированием, цементацией, нанесением карбида вольфрама, в частном случае, может быть нанесено истираемое покрытие нитрида титана. Каждое из покрытий защищает роторный элемент от царапин, дальнейшего потенциального растрескивания и разрушения, увеличивает надежность и срок службы валов.
На фигуре 1 показан разрез щеточного уплотнения при штатном режиме работы с Р1<Р2.
На фигуре 2 показан разрез щеточного уплотнения при монтажном положении с Р1=Р2 и режиме работы с обратным перепадом давлений Р1>Р2.
На фигуре 3 показан вид А щеточного уплотнения при монтажном положении с Р1=Р2 и режиме работы с обратным перепадом давлений Р1>Р2. Стрелкой показано направление вращения роторного элемента.
1 - щетка;
2 - роторный элемент;
3 - полость наддува;
4 - уплотняемая полость;
5 - фланец полости наддува;
6 - фланец уплотняемой полости;
7 - ось роторного элемента;
8 - разъемное соединение;
9 - первое плоское разрезное кольцо;
10 - второе плоское разрезное кольцо;
11 - внутренняя поверхность фланца уплотняемой полости;
12 - внутренняя поверхность фланца полости наддува.
Р1 - статическое давление в уплотняемой полости;
Р2 - статическое давление в полости наддува;
H1 - максимальная (монтажная) величина зазора;
Н2 - минимальная (рабочая) величина зазора;
α - угол между внутренней поверхностью фланца уплотняемой полости и внешней поверхностью второго плоского разрезного кольца, равный 3-6°.
Щеточное уплотнение (фигура 1), включает щетку (1), разделяющую между роторными (2) и статорными элементами полость наддува (3) и уплотняемую полость (4). Щетинки щетки (1) наклонены под острым углом к поверхности роторного элемента (2) в направлении его вращения. Щетка (1) размещена между кольцевым фланцем полости наддува (5) и кольцевым фланцем уплотняемой полости (6). Свободный конец щетки (1) наклонен к оси (7) роторного элемента (2) под углом отличным от 90°, сопряжен с контактной поверхностью роторного элемента с нанесенным на нее упрочняющим покрытием (2) и образует зазор величиной от минимального (рабочего) Н2 до максимального (монтажного) H1 в зависимости от перепада давления Р1-Р2 в полостях. Фланцы (5, 6) выполнены кольцевыми на статорном элементе и соединены между собой разъемным соединением (8). Между щеткой (1) и фланцем (6) уплотняемой полости расположено первое плоское разрезное кольцо (9). Между щеткой (1) и фланцем (5) полости наддува расположено второе плоское разрезное кольцо (10).
Сборка щеточного уплотнения осуществляется в следующей последовательности. Первое плоское разрезное кольцо (9) своим внешним радиусом совместно с щеткой (1) неразъемно фиксируется на внутренней поверхности (11) фланца (6) уплотняемой полости, например, припаивается. Второе плоское разрезное кольцо (10), опираясь на поверхность (12) фланца (5) полости наддува, своим внешним радиусом разъемно фиксируется между фланцами (5, 6), например, винтами. Конструкция позволяет разобрать щеточное соединение для проведения осмотра и ремонта. Другой вариант реализации предложенной идеи, предлагается для короткоресурсного щеточного уплотнения, без проведения ремонта и разборки соединения. Фланцы (5, 6) соединены между собой неразъемным соединением, а второе плоское разрезное кольцо (10) своим внешним радиусом неразъемно фиксируется с внутренней поверхностью фланца уплотняемой полости (6), например, припаивается.
Щетка (1) установлена в монтажное положение с максимальным зазором H1, величина которого позволяет избавиться от задиров роторного элемента (2) при сборке турбомашины, причем при вращении ротора как по направлению щетинок, наклоненных под острым углом к поверхности роторного элемента в направлении его вращения, так и против направления вращения ротора при холодной прокрутке, увеличивая срок службы уплотнений и роторов (фигура 2, 3). Между внутренней поверхностью фланца (6) уплотняемой полости и внешней поверхностью второго плоского разрезного кольца (10) образован угол а, равный 3-6°.
При штатном режиме работы с Р1<Р2 второе плоское разрезное кольцо (10) под действием перепада давления Р2-Р1 деформируется на угол 3-6°, прижимая щетку (1) с первым плоским разрезным кольцом (9) к внутренней поверхности (11) кольцевого фланца уплотняемой полости (6). Щетка (1) устанавливается в рабочее положение с минимальным зазором Н2, уменьшая протечки рабочего тела через щеточное уплотнение, увеличивая термодинамические параметры турбомашины.
При работе турбомашины наблюдаются кратковременные переходные режимы с обратным перепадом давлений Р1>Р2, когда первое плоское разрезное кольцо (9) под действием перепада давления Р1-Р2 деформируется на угол 3-6°, прижимая щетку (1) со вторым плоским разрезным кольцом (10) к внутренней поверхности (12) фланца полости наддува (5) (фигура 2). Щетка (1) устанавливается в монтажное положение с максимальным зазором H1, обеспечивая работоспособность щеточного уплотнения с кратковременным подтвержденным уровнем увеличенных протечек рабочего тела.