РАДИАЛЬНО-ТОРЦЕВОЕ КОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 1995 года по МПК F16J9/00 

Изобретение относится к уплотнительным герметизирующим устройствам контактного типа, в частности к радиально-торцовым контактным уплотнениям, используемым в высокоскоростных машинах, например в турбомашинах, и содержащим разрезные уплотнительные кольца.

Используемые в таких уплотнениях разрезные уплотнительные кольца по типу поршневых широко известны. Разрез в таком кольце является всегда причиной утечки уплотняемой среды. Существует множество средств и способов для уменьшения потерь из-за этих утечек, а следовательно, повышения эффективности уплотнения.

Известно радиально-торцовое контактное уплотнение (см. Чеплер П. Норен ). Уплотнения разрезными кольцами. В кн. Уплотнения. М. Машиностроение, 1964, с. 58-80), содержащее разрезное уплотнительное кольцо поршневого типа, находящееся в контакте с установленным на валу упорным кольцом и контактирующее своей наружной поверхностью с корпусом подшипника. При этом упорное кольцо другим торцом упирается в торец внутреннего кольца подшипника, установленного на валу. Такие радиально-торцовые контактные уплотнения широко используются в машиностроении, особенно для разделения полостей с различным давлением и разными средами, например воздушной полости наддува и масляной полости опоры.

Известно также радиально-торцовое контактное уплотнение (см. Вьюнов С.А. Гусев Ю.И. и др. Конструирование и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М. Машиностроение, 1989, с. 533, фиг. 12, 36), в котором разрезное уплотнительное кольцо свободно установлено на валу и контактирует с упорным торцом втулки, установленной на валу.

По наружному диаметру уплотнительное кольцо контактирует с корпусом. Кольцо разделяет масляную полость подшипника и полость наддува опоры газотурбинного двигателя.

Недостаток такого уплотнения заключается в наличии утечек уплотняемой среды через щель в месте разреза кольца.

Перед автором стояла задача создать такое радиально-контактное уплотнение, в котором удалось бы снизить утечки уплотняемого воздуха из полости наддува через разрез уплотнительного кольца за счет образования на ограничивающих разрез поверхностях дополнительных средств, повышающих гидравлическое сопротивление потоку уплотняемой среды в разрезе.

Цель изобретения повышение эффективности работы заявляемого уплотнения за счет получения упомянутых свойств.

Цель достигается тем, что размещенное между полостью наддува и масляной полостью опоры газотурбинного двигателя радиально-торцовое контактное уплотнение содержит разрезное уплотнительное кольцо, свободно установленное на валу и контактирующее с упорной торцовой поверхностью последнего и корпусом. Не менее, чем на одной поверхности разреза кольца выполнены углубления. Углубления могут быть выполнены на двух поверхностях разреза кольца. Заявляемое изобретение будет работать более эффективно, если углубления будут расположены относительно друг друга с зеркальным отображением. Цель изобретения будет осуществляться более успешно, если углубления будут выполнены замкнутыми по периметру.

При этом часть уплотнений может быть выполнена замкнутыми по периметру поверхностью корпуса, а часть замкнутыми по периметру опорной поверхностью вала.

Одним из возможных вариантов выполнения углублений предусматривается выполнение их стенок вертикальными с образованием острых кромок с поверхностями разреза кольца.

Отличительными от прототипа признаками является наличие в предлагаемом радиально-торцовом контактном уплотнении углублений на противоположных поверхностях разреза кольца, способствующих снижению утечки уплотняемой среды, и варианты их конструктивного исполнения.

На фиг. 1 представлено предлагаемое радиально-торцовое контактное уплотнение, общий вид; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 5 место I на фиг. 4; на фиг. 6 место II на фиг. 4.

Герметизирующее уплотнительное устройство, в частности радиально-торцовое контактное уплотнение (РТКУ), является неотъемлемой частью опоры ротора современного газотурбинного двигателя (ГТД). Опора (фиг. 1) ротора ГТД состоит из подшипника 1 качения, главного элемента опоры, вала 2, корпуса 3 и образующего масляную полость 4 РТКУ, которое в своем конкретном выполнении содержит уплотнительное кольцо 5, контактирующее с упорным кольцом 6 и корпусом 3.

Уплотнительное кольцо, имеющее две уплотняющие поверхности цилиндрическую 7, контактирующую с поверхностью 8 корпуса 3, и торцовую 9, контактирующую с торцовой поверхностью 10 упорного кольца 6, осуществляет таким образом разделение полости 11 наддува и масляной полости 4. Между поверхностью 8 корпуса 3 и поверхностью 12 упорного кольца 6 образован зазор δ.

Уплотнительное кольцо 5 (фиг. 2) содержит продольный разрез, образованный противолежащими поверхностями 13 и 14, расположенными на расстоянии δ₁ друг от друга.

В месте совпадения зазора δ (между поверхностями 8 и 12) с зазором δ₁ (между поверхностями 13 и 14) в плоскости контакта торцовых поверхностей 9 и 10 уплотнительного 5 и упорного 6 колец образуется окно abcd сообщения полости 11 наддува с масляной полостью 4.

Поверхность 14 (фиг. 3), полученная разрезкой кольца 5, образует фигуру eghi: стороны ih и hg фигуры граничат с уплотняемой средой полости 11 наддува, участок ef стороны еg со средой масляной полости 4, сторона ie и участок fg стороны eg контактируют соответственно с поверхностью 8 корпуса 3 и поверхностью 10 упорного кольца 6.

На поверхности 14 имеются углубления, примыкающие к поверхностям 8, 10 корпуса 3 и упорного кольца 6, образующие таким образом камеры 16, 17, а также углубления (хотя бы одно) замкнутой конфигурации, образующие, например, камеры 15.

Все углубления, выполненные на поверхности 14 уплотнительного кольца 5, имеют произвольную глубину Н (фиг. 4), но не менее 0,5 δ₁.

Работает РТКУ следующим образом. На установившихся режимах работы ГТД под действием перепада Δ Р Р_в Р_с (Р_в давление воздуха в полости 11 наддува. Р_с давление воздушно-масляной смеси в масляной полости 4) давления воздуха на уплотнительном кольце (Р_в > Р_с), силы упругости изогнутого разрезного уплотнительного кольца, силы тяжести и центробежной силы (в случае вращения кольца) уплотнительное кольцо 5 устойчиво контактирует поверхностями 9, 7 (фиг. 1) с поверхностями 10, 8 упорного кольца 6 и корпуса 3.

Контактирующие поверхности 9, 10 и 7, 8 образуют соответственно первичную и вторичную уплотнительные пары трения, препятствующие утечке воздуха из полости 11 наддува в масляную полость 4.

Однако из-за наличия окна abcd (фиг. 2) под воздействием перепада давления на уплотнительном кольце существует некоторая определенная утечка воздуха из полости 11 наддува в масляную полость 4.

Уменьшить сечение окна не представляется возможным из-за разности коэффициентов линейного расширения материалов уплотнительного кольца 5 и корпуса 3, действия центробежной силы на вращающееся упорное кольцо 6, точности изготовления деталей опоры.

Известно, что утечка (расход) воздуха Y_в из полости 11 наддува в масляную полость 4 в случае параллельных стенок 13, 14 и перепада ΔР Р_в Р_с на уплотнительном кольце 5 составляет
У_в= μ·S_abcd где S_abcd площадь окна;
R газовая постоянная;
Т температура в полости наддува;
Р_в давление в полости наддува;
Р_с давление в масляной полости;
μ коэффициент расхода воздуха.

При всех прочих равных условиях работы РТКУ для снижения утечки через окно abcd необходимо снизить коэффициент расхода воздуха при его перемещении в узком канале, образованном поверхностями 13, 14 уплотнительного кольца 5. Для этого поток воздуха организован так, чтобы на пути его передвижения была хотя бы одна из камер 15-17, выполненная на поверхности 14 (фиг. 3). Физическая сущность потока воздуха такова (фиг. 5). Из зазора δ₁ в камеру 5 поступает поток воздуха, где он расширяется и, благодаря турбулентному перемешиванию, сечение его увеличивается (за счет подноса окружающего поток неподвижного воздуха). В конце камеры 15 из потока выделяется ядро постоянной массы, которое, снижаясь, попадает в зазор δ₁, а присоединенные струи воздуха, отделяясь в конце камеры от ядра и претерпевая возвратное движение по контуру углубления, вновь подмешиваются к активному потоку.

Сопротивление камеры 15 определяется потерями энергии вследствие вихреобразования, трения и удара о стенки расширяющейся камеры, а также в результате внезапного расширения потока при его втекании из зазора δ₁ в камеру 15 и внезапного сжатия ядра потока при его последующем вытекании из камеры в зазор 1.

Сопротивление углублений увеличивается при выполнении профиля углубления со стенками, расположенными перпендикулярно поверхности 14 и с острыми кромками R в местах их пересечения (фиг. 5); при выполнении углублений на поверхности 13, являющихся зеркальным отображением углублений, выполненных на поверхности 14 (фиг. 6).

Предлагаемое радиальное-торцовое контактное уплотнение позволяет снизить утечки уплотняемой среды полости наддува, благодаря чему обеспечивается повышение эффективности работы уплотнения.

Использование: в турбомашинах. Сущность изобретения: разрезное уплотнительное кольцо свободно установлено на валу и контактирует с упорной торцовой поверхностью вала и корпусом. Кольцо размещено между полостью наддува и масляной полостью опоры газотурбинного двигателя. На одной поверхности разреза кольца выполнены углубления. Углубления выполнены на двух поверхностях разреза кольца и расположены относительно друг друга с зеркальным отображением. Углубления замкнуты по периметру. Часть углублений замкнута по периметру поверхностью корпуса, их стенки выполнены вертикальными с образованием острых кромок с поверхностью разреза кольца. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. РАДИАЛЬНО-ТОРЦЕВОЕ КОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ, содержащее разрезное уплотнительное кольцо, свободно установленное на валу и контактирующее с упорной торцевой поверхностью последнего и корпусом, размещенное между полостью наддува и масляной полостью опоры газотурбинного двигателя, отличающееся тем, что на одной поверхности разреза кольца выполнены углубления. 2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что углубления выполнены на двух поверхностях разреза кольца и расположены относительно друг друга с зеркальным отображением. 3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что углубления замкнуты по периметру. 4. Уплотнение по п.3, отличающееся тем, что часть углублений замкнута по периметру поверхностью корпуса. 5. Уплотнение по п.3, отличающееся тем, что часть углублений замкнута по периметру упорной торцевой поверхностью вала. 6. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что стенки углублений выполнены вертикальными с образованием острых кромок с поверхностью разреза кольца.