РАДИАЛЬНО-ТОРЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
RADIAL-END SEAL OF TURBOMACHINE ROTOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях турбомашин для уплотнения кольцевых щелей между статором и ротором.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрано пальчиковое уплотнение, содержащее установленный в корпусе кольцевой элемент, в котором выполнены пазы с образованием кольцевого массива пальчиков, имеющий выступающие площадки, охватывающие вал и выполненные на свободных концах пальчиков зацело с последними, а также обод, выполненный зацело с кольцевым элементом и контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса, причем пазы кольцевого элемента заходят на часть его обода, а размер обода в осевом направлении превышает размер выступающих площадок в осевом направлении (см. патент RU 2442051 С1).
Известному техническому решению присущи следующие недостатки:
В уплотнении бесконтактный режим работы обеспечивается за счет балансировки пальчиков в потоке воздуха, за счет возникновения в зазоре под площадками газодинамических (вызванных вращением ротора) и газостатических (определяемых осевым перепадом давления) подъемных сил, которые уравновешивают силы реакции при деформировании пальчиков. При малых частотах вращения эффективность уплотнения низкая (низкие газодинамические силы площадок), что приводит к повышенным расходам воздуха через уплотнение. Постановка этого уплотнения в зону разделения масляной полости и воздушной полости может привести к повышенному расходу масла, также попадание масла в зазор между контактной втулкой и подъемными площадками пальчиков на малых частотах вращения ротора приведет к нерасчетному режиму работы уплотнения и к возможному повреждению последнего. Это ограничивает область применения уплотнения.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании настоящего изобретения, является снижение перетечек воздуха на всех режимах работы уплотнения, а также разделение масляной и воздушной полостей, что расширяет область применения заявленного устройства в конструкциях турбомашин.
Указанные технические результаты достигаются тем, что радиально-торцевое уплотнение ротора турбомашины, содержащее установленный в корпусе кольцевой элемент, в котором выполнены пазы с образованием кольцевого массива пальчиков, имеющий выступающие площадки, охватывающие вал и выполненные на свободных концах пальчиков зацело с последними, а также обод, выполненный зацело с кольцевым элементом и контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса, причем пазы кольцевого элемента заходят на часть его обода, а размер обода в осевом направлении превышает размер выступающих площадок в осевом направлении, согласно настоящему изобретению, оно снабжено графитовым кольцом, выполненным разрезным или в виде сегментов, установленным в корпусе и контактирующим с ним по торцу, на котором выполнены кольцевые проточки, причем на участке внутреннего диаметра графитового кольца со стороны кольцевого элемента выполнена кольцевая проточка, в которую заведены выступающие площадки с образованием между их наружными поверхностями и внутренней поверхностью графитового кольца осевого зазора, браслетной пружиной, установленной между наружной поверхностью графитового кольца и внутренней поверхностью корпуса, осевой пружиной, установленной между графитовым кольцом и кольцевым элементом, разжимным кольцом, установленным с противоположенной стороны кольцевого элемента и зафиксированным в корпусе, кольцевой пластиной, установленной в корпусе между кольцевым элементом и разжимным кольцом и контактирующей с ними по торцам.
Такое выполнение устройства позволяет следующее. При малых частотах вращения ротора, когда низкие значения газодинамического давления в зазоре между подъемными площадками и контактным кольцом, уплотнение работает как обычное контактное графитовое уплотнение, достоинством которого являются низкие перетечки воздуха и хорошая защита масляных полостей от попадания масла в воздушную полость. С увеличением частоты вращения давление в вышеупомянутом зазоре возрастает, площадки всплывают, и уплотнение работает как бесконтактное пальчиковое, включающее все достоинства пальчикового уплотнения. При этом площадки оказывают радиальное воздействие на графитовое кольцо, исключая контакт этого кольца с валом и исключая износ графитового кольца. Кольцевые проточки в графитовом кольце снижают площадь контакта с торцом корпуса, также снижая при этом трение и износ. Графитовое кольцо держит кольцевую форму и осевое положение за счет браслетной и осевой пружин, последняя из которых прижимает пальчики к кольцевой пластине, исключая перетечки воздуха в зазорах между пальчиками. Таким образом повышается ресурс уплотнения, расширяется диапазон его работы и область применения в узлах турбомашин.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежом, где изображен продольный разрез заявленного радиально-торцевого уплотнения ротора турбомашины.
Радиально-торцевое уплотнение ротора турбомашины содержит установленный в корпусе 1 кольцевой элемент 2, в котором выполнены пазы с образованием кольцевого массива пальчиков, имеющий выступающие площадки 3, охватывающие вал 4 и выполненные на свободных концах пальчиков зацело с последними, а также обод 5, выполненный зацело с кольцевым элементом 2 и контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса 1, причем пазы кольцевого элемента 2 заходят на часть его обода 5, а размер обода 5 в осевом направлении превышает размер выступающих площадок 3 в осевом направлении. При этом радиально-торцевое уплотнение ротора турбомашины снабжено графитовым кольцом 6, выполненным разрезным или в виде сегментов, установленным в корпусе 1 и контактирующим с ним по торцу, на котором выполнены кольцевые проточки 7, причем на участке внутреннего диаметра графитового кольца 6 со стороны кольцевого элемента 2 выполнена кольцевая проточка, в которую заведены выступающие площадки 3 с образованием между их наружными поверхностями и внутренней поверхностью графитового кольца 6 осевого зазора, браслетной пружиной 8, установленной между наружной поверхностью графитового кольца 6 и внутренней поверхностью корпуса 1, осевой пружиной 9, установленной между графитовым кольцом 6 и кольцевым элементом 2, разжимным кольцом 10, установленным с противоположенной стороны кольцевого элемента 2 и зафиксированным в корпусе 1, кольцевой пластиной 11, установленной в корпусе 1 между кольцевым элементом 2 и разжимным кольцом 10 и контактирующей с ними по торцам.
Работа подшипника осуществляется следующим образом.
При малых частотах вращения газодинамические силы, действующие на выступающие площадки 3 кольцевого элемента 2, низкие, поэтому данная часть уплотнения не работает. Работает в качестве уплотнения графитовое кольцо 6, которое контактирует с валом 4 и торцом корпуса 1, давление контакта при этом обеспечивается браслетной пружиной 8 в радиальном направлении и осевой пружиной 9 по торцу корпуса 1. С увеличением частоты вращения давление в зазоре между выступающими площадками 3 и валом 4 возрастает, выступающие площадки 3 всплывают, и уплотнение работает как бесконтактное пальчиковое. При этом выступающие площадки 3 оказывают радиальное воздействие на графитовое кольцо 6, исключая контакт последнего с валом 4 и снижая износ графитового кольца 6 при повышенных частотах вращения. При этом кольцевая пластина 11 закрывает зазоры между пальчиками кольцевого элемента 2, исключая при этом перетечки воздуха. Таким образом повышается ресурс заявленного уплотнения, расширяется диапазон его работы и область применения в узлах турбомашин.