ЩЕТОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2003 года по МПК F16J15/16 

Настоящее изобретение относится к щеточному уплотнению для уплотнения ротора относительно статора, имеющему закрепленный на роторе или статоре и имеющий опорную пластину корпус для крепления щетины, свободные концы которой обращены в сторону статора или ротора.

В известных щеточных уплотнениях свободные концы щетины, закрепленной в корпусе, имеющем фронтальную и опорную пластины, контактируют, соответственно скользят по уплотняющей поверхности ротора или статора и тем самым уплотняют зазор между ротором и статором. При применении в стационарных газовых турбинах или в авиационных двигателях подобные щеточные уплотнения не только обладают высоким уплотняющим эффектом, но и при обычной компоновке позволяют уменьшить в осевом направлении необходимое для их размещения монтажное пространство в сравнении с другими применяемыми уплотнениями, такими, например, как лабиринтные уплотнения.

Из заявки DE 19618475 А1 известно щеточное уплотнение с изогнутой щетиной, что позволяет уменьшить размер такого уплотнения в радиальном направлении. Для повышения жесткости коротких отогнутых участков щетины в зоне хвостовых участков щетины предусмотрен упор, выполняющий функцию гибочной кромки, вокруг которой при вращении ротора загибается упругая щетина из-за наличия у последнего некоторого эксцентриситета, т.е. радиальных биений. Таким путем удается придать щетине требуемую жесткость без увеличения в радиальном направлении монтажного пространства до недопустимо больших размеров.

В процессе эксплуатации в результате контакта щетины, выполняемой обычно из стали, с уплотняющей поверхностью ротора, соответственно статора, происходит локальное повышение температуры в зоне указанного контакта, что в свою очередь увеличивает износ щетины. Кроме того, представляется целесообразным уменьшить небольшие утечки соответствующей среды, постоянно просачивающейся между отдельными щетинками щетины.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать щеточное уплотнение указанного в начале описания типа, которое обеспечивало бы более эффективное уплотнение и одновременно позволяло бы снизить износ щетины и контактирующей с ней уплотняющей поверхности ротора, соответственно статора.

Эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что для уплотнения ротора относительно статора на свободных концах щетины предусмотрено контактное кольцо.

Такое решение сочетает в себе, с одной стороны, преимущества высокой упругости щеточного уплотнения, благодаря которой закрепленное на свободных концах щетины контактное кольцо без каких-либо проблем способно компенсировать обычно радиальные биения ротора относительно статора, которые составляют, например, от 0,2 до 0,8 мм (при разгоне газовой турбины), а с другой стороны, преимущества исключительно высоких антифрикционных свойств контактного кольца, которое, скользя по уплотняющей поверхности ротора, соответственно статора, по всей поверхности своего контакта с ротором или статором уплотняет тем самым зазор между ними. Таким путем удается предотвратить обычно происходящее в зоне зазора просачивание соответствующей среды сквозь щетину щеточного уплотнения. Благодаря более высоким по сравнению, например, со сталью, из которой выполнена щетина, антифрикционным свойствам материала контактного кольца уплотняющая поверхность ротора, соответственно статора, подвергается существенно меньшему износу, а в зоне этой уплотняющей поверхности наблюдается лишь незначительное повышение температуры. Таким образом, контактное кольцо выполнено из материала, обладающего более высокими по сравнению со сталью, из которой изготовлена щетина щеточного уплотнения, антифрикционными свойствами. В результате при наличии перепада давления удается существенно улучшить и условия опирания контактного кольца на расположенную со стороны низкого давления опорную пластину без залипания щетины в этом месте или проявления иных нежелательных явлений.

Контактное кольцо может быть изготовлено из углеродистого материала, поскольку подобный материал способен выдерживать высокие температуры, преобладающие в стационарных газовых турбинах или авиационных двигателях, и обладает более высокими антифрикционными свойствами по сравнению со сталью, из которой выполнена щетина. В другом варианте контактное кольцо может быть выполнено, например, из спеченного металлического порошка, обладающего антифрикционными свойствами.

Контактное кольцо может быть выполнено цельным или сегментным. У сегментного контактного кольца разделительные линии между его отдельными сегментами проходят в радиальном направлении относительно ротора, который обычно ориентирован в осевом направлении газовой турбины, и расположены с равномерным угловым шагом в окружном направлении контактного кольца. Сегментное контактное кольцо позволяет значительно повысить упругость прежде всего такого оснащенного контактным кольцом щеточного уплотнения, в котором щетина проходит от точки или места ее крепления к корпусу щеточного уплотнения прямолинейно в сторону ротора или статора, при этом прямолинейные щетинки в зависимости от конкретного применения могут быть установлены под углом от 0 до 45^o к радиальной линии. Использование контактного кольца позволяет достичь прежде всего при установке щетинок щетины под некоторым углом к радиальной линии еще одного преимущества, состоящего в том, что создается возможность изменять направление вращения ротора без каких-либо помех.

Контактное кольцо может быть соединено со свободными концами щетины спеканием, для чего можно использовать, например, угольный порошок или иной пригодный для этой цели материал.

В другом варианте контактное кольцо может иметь на наружной боковой поверхности проходящую по всей окружности канавку, в которую вставлены и в которой закреплены, например пайкой, свободные концы щетины.

Для улучшения качества, т.е. для уменьшения шероховатости, поверхности контактного кольца его внутреннюю или наружную поверхность, скользящую по уплотняющей поверхности ротора, соответственно статора, можно подвергать дополнительной обработке, например шлифованию или иной пригодной для этой цели обработке. Равным образом для улучшения качества поверхности контактного кольца соответствующей обработке шлифованием или иным методом можно подвергать и его торец, опирающийся на опорную пластину, преимущественно при наличии перепада давления.

Для сокращения монтажного пространства щетину можно выполнить изогнутой с закрепленными в корпусе щеточного уплотнения хвостовыми участками и отогнутыми по отношению к ним участками, свободные концы которых обращены в сторону ротора или статора, причем в этом случае опорная пластина имеет продольный участок, в основном параллельный хвостовым участкам щетины, и отогнутый по отношению к нему опорный участок, в основном параллельный отогнутым участкам щетины.

Для повышения упругости щеточного уплотнения с изогнутой щетиной, имеющей отогнутые участки со свободными концами, между хвостовыми участками щетины и опорной пластиной может быть предусмотрено свободное пространство, в которое может отгибаться щетина и которое имеет упор, выполняющий функцию гибочной кромки. Наличие подобного свободного пространства, в которое может отгибаться щетина, обеспечивает более свободное радиальное перемещение предусмотренного на свободных концах щетины контактного кольца вслед за возможными биениями ротора относительно статора, составляющими примерно от 0,2 до 0,7 мм, например при разгоне стационарной газовой турбины или авиационного двигателя. Отогнутые участки щетины с ее свободными концами могут быть отогнуты практически под прямым углом к ее хвостовым участкам, а отогнутый опорный участок опорной пластины также может быть отогнут практически под прямым углом к ее продольному участку.

С целью дополнительно повысить уплотняющий эффект, главным образом при использовании щеточных уплотнений во влажной среде, такой как водяной пар, щетину можно пропитать силиконовой, силикардовой или тефлоновой дисперсией либо иным материалом с аналогичными свойствами, поскольку силикон, силикард или тефлон, оседая на щетине, практически полностью закупоривает промежутки между отдельными щетинками, однако сами щетинки щетины остаются при этом в определенных пределах подвижными и упругими. Соответствующие средства для подобной пропитки или обработки следует выбирать в зависимости от преобладающих в каждом конкретном случае температур.

Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано
на фиг.1 - один из возможных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении щеточного уплотнения, которое показано в продольном разрезе,
на фиг.2 - другой вариант выполнения предлагаемого в изобретении щеточного уплотнения, которое показано в продольном разрезе,
на фиг.3 - вариант выполнения предлагаемого в изобретении щеточного уплотнения, которое показано в продольном разрезе, с изогнутой щетиной, имеющей отогнутые участки,
на фиг.4 - другой вариант выполнения предлагаемого в изобретении щеточного уплотнения, которое показано в продольном разрезе, с изогнутой щетиной, имеющей отогнутые участки,
на фиг.5 - вариант выполнения предлагаемого в изобретении щеточного уплотнения в поперечном разрезе с установленными под углом к радиальной линии щетинками щетины и
на фиг.6 - другой вариант выполнения предлагаемого в изобретении щеточного уплотнения в поперечном разрезе с установленными под углом к радиальной линии щетинками щетины.

На фиг.1 схематично в разрезе показано выполненное по одному из вариантов и обозначенное общей позицией 1 щеточное уплотнение, которое герметично отделяет одну от другой полости с различными давлениями Р1 и Р2 путем уплотнения зазора 19 между наружной боковой поверхностью U ротора 2 и статором 18, который служит корпусом. Щеточные уплотнения 1 подобного типа используются для уплотнения различных мест в стационарных газовых турбинах или авиационных двигателях. Проходящая в осевом направлении газовой турбины средняя ось обозначена на фиг.1 и 2 позицией А. В рассматриваемом варианте давление Р1 больше давления Р2. Щеточное уплотнение 1 имеет корпус 3, состоящий из опорной пластины 4, расположенной со стороны низкого давления, и крышки 5, расположенной со стороны высокого давления, а также имеет щетину 6, которая соответствующим образом закреплена в корпусе 3. Щетина 6 в целом выполнена из стали. В рассматриваемом варианте щетина 6 однократно обмотана вокруг сердечника, зажата крепежным кольцом, расположенным между опорной пластиной 4 и крышкой 5, и проходит прямолинейно в сторону ротора 2. Опорная пластина 4 и крышка 5 охватывают ротор 2 и имеют по внутреннему отверстию, в результате чего вокруг ротора 2 образуется кольцевой зазор 19, который требуется уплотнять с помощью щеточного уплотнения 1.

Для оптимизации щеточного уплотнения 1 с целью улучшения его уплотняющего эффекта и повышения износостойкости щетины 6 на свободных концах 7 последней предусмотрено изображенное в разрезе контактное кольцо 8, которое изготовлено из материала, обладающего более высокими по сравнению со сталью, из которой изготовлена щетина 6, антифрикционными свойствами. Внутренний диаметр контактного кольца 8 при работе с максимальной скоростью вращения и максимальной температурой соответствует наружному диаметру ротора 2, благодаря чему контактное кольцо, имеющее форму замкнутой неразъемной детали по всей своей контактной поверхности (поверхности скольжения), исключительно эффективно уплотняет кольцевой зазор 19. В результате предотвращается постоянно возникающая незначительная утечка воздуха или пара между отдельными щетинками щетины 6 щеточного уплотнения 1. Внутреннюю поверхность контактного кольца 8, обеспечивающую уплотнение относительно ротора 2, и его торец, который в положении покоя и прежде всего при наличии разности давлений, опирается на опорную поверхность опорной пластины 4, для придания этим поверхностям необходимой шероховатости обычно шлифуют или обрабатывают иным аналогичным методом. В другом варианте указанные поверхности контактного кольца 8 при изготовлении последнего, например, спеканием уже могут быть достаточно гладкими для выполнения ими функции уплотняющей поверхности.

На фиг.2 схематично в разрезе показано выполненное по другому варианту и обозначенное общей позицией 1 щеточное уплотнение, которое имеет состоящий в основном из опорной пластины 4 и крышки 5 корпус 3, в котором закреплена прямая щетина 6. На свободных концах 7 щетины 6, обращенных в сторону наружной боковой поверхности U ротора 2, предусмотрено контактное кольцо 8, которое имеет форму замкнутой неразъемной детали и внутренняя поверхность которого, скользя по уплотняющей поверхности ротора 2, по всей своей площади уплотняет благодаря этому кольцевой зазор 19 между ротором 2 и статором. Внутренний диаметр контактного кольца 8 при работе с максимальной скоростью вращения и при максимальной температуре в стационарной газовой турбине или в авиационном двигателе в основном соответствует наружному диаметру ротора 2.

На наружной боковой поверхности контактного кольца 8 выполнена проходящая по всей окружности канавка 9, а само это контактное кольцо имеет поэтому в разрезе П-образную форму. Свободные концы 7 щетины 6 вставлены в указанную канавку 9 контактного кольца 8 и закреплены в ней соответствующим образом, например пайкой, что обеспечивает надежное соединение щетины с этим контактным кольцом 8. При этом щетина 6 остается упругой и благодаря этому позволяет компенсировать биения ротора 2, деформируясь в такт его биениям и перемещая вместе с собой контактное кольцо 8.

На фиг. 3 схематично в поперечном разрезе показан еще один вариант выполнения обозначенного общей позицией 1 щеточного уплотнения с изогнутой щетиной, имеющей отогнутые участки 12, при этом такое щеточное уплотнение имеет корпус 3 с опорной пластиной 4', имеющей продольный участок 13 и отогнутый по отношению к нему опорный участок 14. Отогнутые участки 12 щетины в целях сокращения монтажного пространства, которое при обычной компоновке отводится под радиальное размещение щетины, отогнуты в основном под прямым углом к хвостовым участкам 15 щетины 6'.

Между хвостовыми участками 15 щетины 6' и опорной пластиной 4' предусмотрено свободное пространство 16, в которое при биениях ротора 2, например при разгоне газовой турбины, могут отклоняться хвостовые участки 15 щетины, загибающиеся при этом вокруг гибочной кромки 17. Такая конструкция позволяет достичь особых преимуществ, связанных с уменьшением монтажного пространства в сочетании с обеспечением высокой упругости щетины 6'.

На свободных концах 7' отогнутых участков 12 щетины предусмотрено контактное кольцо 8, обеспечивающее уплотнение относительно наружной боковой поверхности U ротора 2. Контактное кольцо 8 изготовлено из материала, обладающего более высокими по сравнению со сталью, из которой изготовлена щетина 6', антифрикционными свойствами. Контактное кольцо 8 изготовлено из углеродистого материала и выполнено в виде цельной замкнутой детали, которая спеканием закреплена на свободных концах 7' отогнутых участков 12 щетины. Для повышения уплотняющего эффекта внутреннюю поверхность контактного кольца 8 обычно шлифуют или обрабатывают иным аналогичным методом для уменьшения шероховатости этой поверхности до минимально возможной степени. Равным образом и торец контактного кольца 8, опирающийся на опорный участок 14 опорной пластины 4', подвергают чистовой обработке шлифованием или иным аналогичным методом для получения на стороне низкого давления максимально ровной поверхности прилегания и во избежание нежелательного прилипания щетины 6' к опорной пластине 4'.

Показанное на фиг.4 щеточное уплотнение аналогично щеточному уплотнению по фиг. 3 и имеет опорную пластину 4' с продольным участком 13 и опорным участком 14, а также щетину 6', имеющую закрепленные в корпусе 3 хвостовые участки 15 и отогнутые к ним в основном под прямым углом участки 12. Свободные концы 7' отогнутых участков 12 щетины обращены к наружной боковой поверхности U ротора 2. Предусмотренное на свободных концах 7' отогнутых участков 12 щетины контактное кольцо 8 выполнено цельным и изготовлено в виде отдельной детали. На наружной боковой поверхности контактное кольцо 8 имеет канавку 9, в которую вставлены свободные концы 7' отогнутых участков 12 щетины и закреплены в ней пригодным для этой цели методом, например пайкой.

На фиг. 5 схематично в разрезе плоскостью V-V по фиг.4 показан еще один вариант выполнения щеточного уплотнения 1, которое отличается от показанного на фиг.3 щеточного уплотнения прежде всего отсутствием расположенного между опорной пластиной 4' и хвостовыми участками 15 щетины 6 свободного пространства 16, в которое может отгибаться последняя. В показанном на фиг.4 и 5 варианте выполнения упругость щеточного уплотнения обеспечивается за счет расположения отогнутых участков щетины под некоторым углом к радиальной линии, составляющим до 45^o, таким образом, что при биении ротора 2 хвостовые участки 15 щетины 6' скручиваются и затем под действием восстанавливающей силы возвращаются в первоначальное положение. Направление вращения ротора 2 обозначено на фиг.5 и 6 соответствующей стрелкой.

В показанном на фиг. 3 варианте выполнения щеточного уплотнения 1, в конструкции которого предусмотрено расположенное между опорной пластиной 4' и хвостовыми участками 15 щетины 6' свободное пространство 16, в которое может отгибаться щетина, отогнутые участки 12 также могут быть установлены под некоторым углом к радиальной линии, составляющим примерно до 45^o. Такое щеточное уплотнение 1 при биениях ротора 2 отличается особо высокой упругостью, поскольку хвостовые участки 15 щетины 6' могут отклоняться из исходного положения, во-первых, за счет отгибания в свободное пространство 16 и, во-вторых, в результате скручивания, а затем под действием восстанавливающих сил вновь возвращаться в исходное положение. Предусмотренное на свободных концах 7' отогнутых участков 12 щетины контактное кольцо 8, выполненное в виде цельной замкнутой детали, также обеспечивает при биении ротора 2 оптимальное уплотнение кольцевого зазора 19 благодаря упругости щеточного уплотнения 1.

На фиг.6 в сечении соответствующей плоскостью VI-VI по фиг.4 схематично показан другой вариант выполнения щеточного уплотнения 1, контактное кольцо 8 которого выполнено сегментным, т.е. составным. Это контактное кольцо 8 разделено разделительными линиями 10 на несколько сегментов 11 одинакового размера. Такое сегментное контактное кольцо 8 позволяет компенсировать возможные биения ротора 2 относительно не показанного на чертеже статора, например при разгоне газовой турбины, благодаря упругости щетины 6, соответственно 6' щеточного уплотнения 1. Подобное сегментное контактное кольцо 8 равным образом может эффективно использоваться и в показанных на фиг.1 и 2 вариантах выполнения щеточного уплотнения 1 с прямой щетиной 6, щетинки которой установлены в целом под некоторым углом к радиальной линии, составляющим примерно до 45^o.

Во всех рассмотренных выше вариантах выполнения щетину 6, 6' с целью дополнительно повысить уплотняющий эффект, главным образом при использовании щеточных уплотнений 1 во влажной среде, такой как водяной пар, можно пропитать силиконовой, силикардовой или тефлоновой дисперсией либо иным материалом с аналогичными свойствами, поскольку силикон, силикард или тефлон, оседая на щетине 6, 6', практически полностью закупоривает промежутки между отдельными щетинками, однако сами щетинки щетины 6, 6' остаются при этом в определенных пределах подвижными, и упругими, и способными компенсировать биения ротора 2 относительно статора 18. Соответствующие средства для подобной пропитки или обработки следует выбирать в зависимости от преобладающих в каждом конкретном случае температур.

Щеточное уплотнение предназначено для уплотнения ротора относительно статора, имеющее закрепленный на роторе или статоре и имеющий опорную пластину корпус для крепления щетины. Свободные концы щетины обращены в сторону статора или ротора, при этом на свободных концах щетины для повышения уплотняющего эффекта и снижения износа предусмотрено контактное кольцо. Изобретение повышает надежность уплотнения. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Щеточное уплотнение для уплотнения ротора (2) относительно статора (18), имеющее закрепленный на роторе (2) или статоре (18) и имеющий опорную пластину (4, 4') корпус (3) для крепления щетины (6, 6'), свободные концы (7, 7') которой обращены в сторону статора (18) или ротора (2), отличающееся тем, что на свободных концах (7, 7') щетины (6, 6') предусмотрено контактное кольцо (8). 2. Щеточное уплотнение по п.1, отличающееся тем, что контактное кольцо (8) выполнено из углеродистого материала или из спеченного металлического порошка. 3. Щеточное уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что контактное кольцо (8) выполнено сегментным. 4. Щеточное уплотнение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что контактное кольцо (8) соединено со свободными концами (7, 7') щетины (6, 6') спеканием. 5. Щеточное уплотнение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что контактное кольцо (8) имеет на наружной боковой поверхности проходящую по всей окружности канавку (9), в которую вставлены и в которой закреплены свободные концы (7, 7') щетины (6, 6'). 6. Щеточное уплотнение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что уплотняющая относительно ротора (2) или статора (18) поверхность и/или опирающийся на опорную пластину (4) торец контактного кольца (8) подвергнут обработке. 7. Щеточное уплотнение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что щетина (6, 6') является прямой по всей своей длине. 8. Щеточное уплотнение по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что щетина (6') имеет хвостовые участки (15) и отогнутые по отношению к ним участки (12), свободные концы (7') которых обращены в сторону ротора (2) или статора (18). 9. Щеточное уплотнение по п.8, отличающееся тем, что опорная пластина (4') имеет продольный участок (13) и отогнутый по отношению к нему опорный участок (14). 10. Щеточное уплотнение по п.8 или 9, отличающееся тем, что отогнутые участки (12) щетины (6') отогнуты по отношению к ее хвостовым участкам (15) щетинок, а опорный участок (14) опорной пластины (4') отогнут по отношению к ее продольному участку (15) в основном под прямым углом. 11. Щеточное уплотнение по любому из пп.8-10, отличающееся тем, что между хвостовыми участками (15) щетины (6') и опорной пластиной (4') предусмотрено свободное пространство (16), в которое может отгибаться щетина и которое имеет упор (17), выполняющий функцию гибочной кромки. 12. Щеточное уплотнение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что щетинки щетины (6, 6') установлены под углом к радиальной линии, составляющим вплоть до 45^o. 13. Щеточное уплотнение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что щетинки щетины (6, 6') пропитаны силиконовой, силикардовой или тефлоновой дисперсией.