ПАЛЬЧИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2011 года по МПК F16J15/447 

Изобретение относится к области турбо- и двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей и паровых турбин для уплотнения радиальных зазоров между вращающимися и неподвижными узлами.

Как известно, наличие радиальных зазоров в проточной части газотурбинной техники необходимо для исключения "заклинивания" ротора и статора во время работы. Таким образом, возникает необходимость установки уплотнений в проточной части, которые позволяют минимизировать перетоки рабочей среды (газа, пара, масла) через кольцевую щель между ротором и статором (между рабочими лопатками и сопловым аппаратом, валом и корпусом и т.п.).

Известно, что сотовые уплотнения широко используются в конструкциях газотурбинных двигателей и паровых турбин для уплотнения радиального зазора. Во время эксплуатации в процессе пуска, изменения режима или при возникновении аварийной ситуации кромка гребня статора (толщиной 0,2…0,4 мм) прорезает в сотах канавку, при этом уровень утечек рабочей среды сохраняется в допустимом диапазоне.

При использовании сотового уплотнения в качестве надбандажного давление рабочей среды в ячейках периодически меняется вследствие вращения рабочих лопаток, перемещающихся в непосредственной близости от сотовой структуры. Таким образом, рабочая среда, пульсирующая в ячейках сотового уплотнения, как бы исключается из общего расхода рабочей среды, определяющей полезную работу, что приводит к увеличению потерь в радиальном зазоре и соответственно к снижению КПД. Кроме того, вытекающая из ячеек уплотнения рабочая среда, смешиваясь с основным потоком в межлопаточных каналах, деформирует поля параметров потока в периферийных сечениях. Поэтому глубина ячеек сотового уплотнения должна быть как можно меньшей [Речкоблит А.Я. Эффективность применения сотовых уплотнений радиального зазора в газовых турбинах. Труды № 497. М.: ЦИАМ.-1970.-15 с.]. Однако в конструкциях паровых машин обычно используют сотовые уплотнения с отношением глубины ячейки к диаметру вписанной в нее окружности h_я/d_я>1, а в ряде случаев - свыше 3 [Патент РФ № 2283962, F01D 11/08, 20.09.2006]. Это связано с тем, что глубину ячеек сотового уплотнения назначают исходя из критерия надежности работы (возможности прорезания канавки в сотовой структуре при врезании в нее кромки гребня ротора без ущерба работоспособности конструкции) и технологичности конструкции, а также отстройки от собственной частоты колебаний газа в ячейках.

Известно сотовое уплотнение, состоящее из большого числа шестигранных ячеек, полученных путем высокотемпературной пайки гофрированных лент [Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов / С.А.Вьюнов, Ю.И.Гусев, А.В.Карпов и др.; Под общ. ред. Д.В.Хронина. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.: ил., С. 215-216].

Недостатком такой конструкции являются значительные потери рабочей среды в радиальном зазоре, так как этот зазор составляет около 0,2…0,5 мм (в зависимости от диаметра уплотняемой кольцевой щели и условий эксплуатации). Потери рабочей среды также возникают из-за пульсации воздуха в ячейках, глубина которых в ряде случаев достигает 10 мм. Также для данного уплотнения характерно увеличение утечек по мере изнашивания сот в процессе эксплуатации (зазор увеличивается до 0,5…1,5 мм и более). Еще одним недостатком данного уплотнения является довольно большой размер сотовых ячеек d_я ≈2…4 мм, что снижает эффективность уплотнения из-за перетока газа через сотовые ячейки в окружном направлении через кромки лопаток - при использовании данного уплотнения в качестве надбандажного, и в осевом направлении - при уплотнении валов, содержащих гребни, так как их кромки имеют толщину 0,2…0,4 мм.

Известно сотовое уплотнение, выполненное в виде сотовой структуры, в котором используются соты, расположенные на тонких пластинах с оптимальным отношением глубины ячейки к диаметру вписанной в нее окружности h_я/d_я≈0,3…0,5, которые вставляются в пазы обоймы или диафрагмы и имеют возможность свободного радиального перемещения при касании поверхности вала, при этом фиксация уплотнения в пазах осуществляется двумя демпфирующими цилиндрическими пружинами [Патент РФ №2355892, F01D 11/02, 20.05.2009].

Недостатком этого уплотнения является то, что оно не может быть использовано при существенном изменении радиального зазора (например, в результате температурных деформаций в газовых турбинах) в процессе эксплуатации газотурбинной техники, что сужает область применения данного уплотнения. Еще одним недостатком являются значительные масса и габариты такого уплотнения в осевом направлении.

Известны также различные конструкции пальчиковых уплотнений. В общем случае пальчиковое уплотнение состоит, по меньшей мере, из двух примыкающих друг к другу кольцевых деталей, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях. По меньшей мере, одна из кольцевых деталей имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками. Кольцевые детали установлены таким образом, что пальчики каждой кольцевой детали перекрывают щели между пальчиками в примыкающей к ней другой кольцевой детали.

Недостатком таких уплотнений является то, что они имеют гладкую внутреннюю поверхность площадок, что не позволяет добиться высокой газодинамической эффективности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пальчиковое уплотнение, содержащее две примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях, по меньшей мере, одна из которых имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками, причем кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели примыкающей к ней другой кольцевой детали. Все пальчики имеют одинаковую толщину и отделены друг от друга одинаковыми щелями. Выступающие площадки кольцевой детали частично охватывают деталь ротора и имеют форму, позволяющую ей подниматься за счет аэродинамической силы над деталью ротора и скользить по тонкому воздушному слою во время работы двигателя [US 5755445, F16J 15/447,26.05.1998].

Недостатком этого уплотнения является недостаточно высокая степень уплотнения радиального зазора.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение утечек рабочей среды между разделяемыми полостями.

Указанный технический результат достигается тем, что пальчиковое уплотнение, содержит примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях, по меньшей мере, одна из которых имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками, причем кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели примыкающей к ней другой кольцевой детали, внутренние поверхности выступающих площадок, по меньшей мере, одной из кольцевых деталей, имеют сотовую структуру в виде массива ячеек с отношением глубины ячеек к диаметру вписанных в них окружностей в диапазоне 0,3…0,5.

Кроме того, ячейки имеют шестигранную, или круглую, или квадратную, или треугольную форму.

Кроме того, диаметр вписанной в ячейки окружности составляет не более 1 мм.

Кроме того, ширина пальчиков в любом сечении, перпендикулярном их оси, меньше толщины кольцевой детали.

Из литературы известно, что для сотовых уплотнений в области характеристики h_я/d_я ≈0,3…0,5 имеется локальное снижение (на 20…30%) расхода утечки, что объясняется взаимодействием пространственных потоков в зазоре и ячейке и подтверждается многочисленными экспериментами на различных сотовых структурах в широком диапазоне режимных параметров течения в уплотнениях [Буглаев В.Т., Карташов А.Л., Перевезенцев В.Т. Повышение надежности и экономичности паровых турбин с использованием сотовых уплотнений //Вестник Брянского государственного технического университета. - №2(14). - 2007. - С.48-53].

С учетом указанного выше, выполнение выступающих площадок с сотовой структурой на их внутренней поверхности в виде массива ячеек с отношением глубины ячеек к диаметру вписанных в них окружностей в диапазоне 0,3…0,5 позволяет уменьшить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями, что соответственно повышает КПД газотурбинных двигателей и паровых турбин.

Предлагаемая конструкция пальчикового уплотнения объясняется приведенными схематичными чертежами.

На фиг.1 схематически изображено пальчиковое уплотнение с сотовой структурой в осевом сечении; на фиг.2 - разрез А-А пальчикового уплотнения на фиг.1 (в радиальном направлении), на фиг.3 - разрез Б-Б пальчикового уплотнения на фиг.1 (в радиальной плоскости).

Пальчиковое уплотнение (фиг.1, 2, 3) состоит из примыкающих друг к другу кольцевых деталей 1 и 2, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики 3 и 4, между которыми имеются щели 5 и 6. На кольцевой детали 1 имеются выступающие площадки 7, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками 3. Внутренняя поверхность выступающих площадок 7 имеет сотовую структуру 8, состоящую из множества ячеек, например, шестиугольной формы.

Кольцевые детали 1 и 2 прижаты со стороны полостей низкого и высокого давления кольцевыми крышками 9, 10. Кольцевые детали 1 и 2 спозиционированы (установлены) друг относительно друга таким образом, что пальчики каждой кольцевой детали перекрывают щели между пальчиками в другой кольцевой детали, причем ширина пальчиков больше ширины перекрываемых ими щелей. Пакет из кольцевых деталей 1, 2 и кольцевых крышек 9, 10 стянут множеством заклепок 11, расположенных по окружности пальчикового уплотнения. Между сотовой структурой 8 и деталью ротора 12 имеется зазор δ.

Для уменьшения расходной характеристики уплотнения оптимальным является вариант, когда ячейки имеют небольшой размер, т.е. диаметр вписанной в ячейку окружности d_я<1 мм, а отношение глубины ячейки к диаметру вписанной в нее окружности составляет h_я/d_я=0,3…0,5.

Выбор указанного диапазона обусловлен тем, что при h_я/d_я менее 0,3 или более 0,5 повышаются утечки рабочей среды.

Диаметр вписанной в ячейку окружности d_я<1 мм, поскольку выполнение сотовых ячеек более крупных размеров увеличивает их глубину (для сохранения соотношения h_я/d_я). Это приводит к уменьшению жесткости сотовой структуры, а следовательно, возможна "выработка" (смятие) сот в процессе эксплуатации, что приводит к увеличению расходной характеристики. Кроме того, при использовании данного уплотнения в качестве надбандажного снижается его эффективность из-за перетока газа через сотовые ячейки в окружном направлении через кромки лопаток.

Для повышения механической устойчивости пальчиков их ширина в любом сечении, перпендикулярном оси пальчика, должна быть меньше толщины кольцевой детали.

Приведенное описание пальчикового уплотнения составлено для случая использования двух кольцевых деталей с пальчиками, но не исключает применение и большего числа кольцевых деталей.

Также возможно применение предлагаемого изобретения для случая, когда имеется больше двух кольцевых деталей, содержащих выступающие площадки. В этом случае сотовые структуры могут быть расположены на всех внутренних поверхностях выступающих площадок.

Выступающие ребра ячеек сотовой структуры могут иметь толщину 0,05…0,2 мм, а сами ячейки могут иметь различную форму (например, шестигранную, или круглую, или квадратную, или треугольную и т.п.).

Пальчиковое уплотнение работает следующим образом.

Между деталью ротора 12 и сотовой структурой имеется зазор δ (фиг.1, 3), который выбирается из условия отсутствия задевания деталью ротора 12 сотовой структуры 8 при нормальном режиме работы двигателя (в зависимости от габаритов ротора и условий работы он составляет 0,05…0,2 мм). В процессе пуска и изменения режима работы двигателя, когда возникают значительные отклонения детали ротора 12, происходит контакт пальчиков с сотовой структурой и пальчики благодаря своей податливости отклоняются, что предотвращает "заклинивание" деталей ротора и статора.

В отличие от пальчиковых уплотнений с гладкой внутренней поверхностью выступающих площадок предлагаемое уплотнение имеет лучшую газодинамическую эффективность. В отличие от сотовых уплотнений с демпфирующими пружинами заявленное уплотнение имеет меньшие массу и габариты в осевом направлении.

Для получения криволинейных межпальчиковых щелей и массивов ячеек сотовой структуры может быть использована импульсная электрохимическая обработка, основные преимущества которой применительно к изготовлению данной конструкции следующие: отсутствие износа электрода-инструмента во время обработки, отсутствие термически измененного слоя, острых кромок и заусенцев на обработанной поверхности, возможность одновременной обработки всех пазов специальным электродом-инструментом со множеством криволинейных выступов, возможность одновременного формирования сотовых структур на всех выступающих площадках, достаточно низкая погрешность обработки (не более 20…30 мкм), хорошие показатели по шероховатости (R_a 0,2…1,25 мкм - в зависимости материала).

Таким образом, предложенное изобретение, совмещая преимущества пальчикового и сотового уплотнений, позволяет уменьшить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями в проточной части газотурбинной техники по сравнению с известными аналогами.

Изобретение относится к области турбо- и двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей и паровых турбин для уплотнения радиальных зазоров между вращающимися и неподвижными узлами. Пальчиковое уплотнение содержит примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях. По меньшей мере, одна из кольцевых деталей имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками. Кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели примыкающей к ней другой кольцевой детали. Внутренние поверхности выступающих площадок, по меньшей мере, одной из кольцевых деталей имеют сотовую структуру в виде массива ячеек с отношением глубины ячеек к диаметру вписанных в них окружностей в диапазоне 0,3…0,5. Ячейки сотовой структуры могут иметь шестигранную, или круглую, или квадратную, или треугольную форму. Диаметр вписанной в ячейки окружности составляет не более 1 мм. Изобретение позволяет уменьшить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пальчиковое уплотнение, содержащее примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях, по меньшей мере, одна из которых имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками, причем кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели примыкающей к ней другой кольцевой детали, отличающееся тем, что внутренние поверхности выступающих площадок, по меньшей мере, одной из кольцевых деталей имеют сотовую структуру в виде массива ячеек с отношением глубины ячеек к диаметру вписанных в них окружностей в диапазоне 0,3…0,5.

2. Пальчиковое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что ячейки имеют шестигранную или круглую, или квадратную, или треугольную форму.

3. Пальчиковое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что диаметр вписанной в ячейки окружности составляет не более 1 мм.